Báo cáo môn học Đồ Án hệ thống cơ Điện tử Đề tài tính toán thiết kế robot rrr gắp vật

Em tin rằng với những kết quả có được từ việc tìm hiểu và tính toán trong đồ án này sẽ là bước đệm quan trọng cho việc phát triển nhiều hơn nữa những ý tưởng trong tương lai về tính toán

NHỮNG KIẾN THỨC CƠ SỞ

Tổng quan về robot 3 bậc tự do

Robot 3 bậc tự do là một CPS của một mô hình sản xuất thông minh trong các nhà máy công nghiệp hiện nay Kết cấu quan trong nhất là cánh tay robot Cánh tay robot là một cơ cấu trong hàng ngàn thiết kế của hệ thống các tay máy công nghiệp Để có cái nhìn tổng quát về tay máy công nghiệp ta đi đến mục tiếp theo.

Lịch sử phát triển robot công nghiệp

Ngay sau chiến tranh thế giới thứ 2, ở Hoa Kì đã xuất hiện những tay máy chấp hành điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ Vào những năm 50 của thế kỉ 20, bên cạnh những tay máy chấp hành cơ khí đó, đã xuất hiện các tay máy chấp hành thủy lực và điện tử

Năm 1961, chiếc robot công nghiệp đầu tiên được đưa vào sử dụng ở nhà máy Genaral Motor tại Trenton, New Jersey, Hoa Kì ( Hình 1.1 )

Hình 1.1: Robot công nghiệp đầu tiên

Năm 1967, Nhật Bản mới nhập khẩu chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Hoa Kì Đến năm 1990, có hơn 40 công ty Nhật Bản đưa ra thị trường nhiều loại robot nổi tiếng

Từ những năm 70, việc nghiên cứu và nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Một lĩnh vực nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là robot tự hành Các nghiên cứu robot tự hành bắt chước hoạt động chân người, chân động vật Các loại robot này chưa có ứng dụng nhiều trong công nghiệp, tuy nhiên các loại xe robot (robotcar) lại nhanh chóng được đưa vào ứng dụng trong các hệ thống sản xuất linh hoạt

Từ những năm 80, nhất là những năm 90, do áp dụng rộng rãi các ứng dụng kĩ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ vậy robot công nghiệp đã có chỗ đứng trong các dây chuyền sản xuất tự động

Có nhiều định nghĩa robot cùng tồn tại, chúng ta hãy cùng tham khảo một số định nghĩa như sau: Định nghĩa theo từ điển New World College

“Robot là một kết cấu cơ khí có hình dạng bất kì, được xây dựng để thực hiện những công việc bằng tay của con người”.Các định nghĩa sau này bao gồm các cánh tay cơ khí, các máy móc điều khiển số, các máy móc di chuyển theo kiểu bước đi và mô phỏng hình dáng con người Các robot công nghiệp ngày này chỉ thực hiện một phần công việc của con người Các robot ban đầu thường được gọi là các tay máy

(Manipulator) Định nghĩa theo hiệp hội robot công nghiệp Hoa Kì

“Robot là một tay máy có nhiều chức năng có thể lập trình, được thiết kế để di chuyển vật liệu, các phần tử, linh kiện, các dụng cụ và thiết bị đặc biệt thông qua việc thay đổi các chương trình hoạt động đã được lập để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau.”

Việc phân nhóm, phân loại robot có thể dựa trên những yếu tố kĩ thuật khác nhau Dưới đây là một số cách phân loại chủ yếu:

1.3.2.1 Phân loại theo số bậc tự do Định nghĩa

Bậc tự do của cơ cấu là số thông số độc lập cần cho trước để xác định hoàn toàn vị trí của các khâu trong cơ cấu khi cơ cấu hoạt động Điều đó có nghĩa mỗi thông số độc lập sẽ là một quy luật cho trước để xác định quy luật chuyển động của cơ cấu Khâu có quy luật chuyển động cho trước được gọi là khâu dẫn, khâu dẫn được nối với giá bằng một khớp loại 5 vì khớp loại 5 chỉ có một thông số xác định

Hình 1.2: Robot 3 bậc tự do

Trong Hình 1.2 là mô hình robot 3 bậc tự do gồm 1 bậc tự do tịnh tiến và 2 bậc tự do quay

Công thức tính số bậc tự do của cơ cấu Đối với robot là dạng chuỗi động hở như robot sacra đang xét thì số bậc tự do có thể tính theo công thức sau:

W= 6n – ∑ 𝑖𝑝 5 1 𝑖 Trong đó: n là số khâu động

𝑝 𝑖 là số khớp loại i (i=1,2, ,5: số bậc tự do bị hạn chế)

Ví dụ Robot Scara: Có 4 khâu động, 3 khớp quay loại 5 và 1 khớp trượt loại 5

Một robot sẽ linh hoạt hơn khi di chuyển và hoạt động trong một không gian bị hạn chế Mặt khác, trong một số ứng dụng đặc biệt như trong việc lắp ráp trong một mặt phẳng thì chỉ cần bốn bậc tự do

1.3.2.2 Phân loại theo cấu trúc động học

Một robot được gọi là robot tuần tự hay robot chuỗi hở nếu cấu trúc động học của chúng có dạng một chuỗi động học hở, gọi là robot song song nếu cấu trúc động học của chúng có dạng một chuỗi đóng và gọi là robot hỗn hợp nếu nó bao gồm hai loại chuỗi hở và chuỗi đóng

Nhìn nhận một cách tổng quát thì robot song song có nhiều ưu điểm vì chúng có độ cứng vững cao hơn, khả năng tải cao hơn, nhưng không gian làm việc nhỏ hơn và cấu trúc phức tạp hơn Tuy nhiên trong các đơn vị công nghiệp lắp ráp, hàn xì, đúc,.v.v thường sử dụng các robot chuỗi động hở vì khả năng vận hành linh hoạt và thiết kế đơn giản

Hình 1.4: Robot gắp vật chuỗi hở

Như trong hình mô tả về robot gắp vật chuỗi hở, nó có thể tùy ý thao tác các hoạt động trong một không gian làm việc rộng và điều chỉnh được hướng của tay gắp.

Ứng dụng của robot công nghiệp

Hình 1.5: Biểu đồ phân bố robot công nghiệp trong các lĩnh vực

Qua biểu đồ số liệu trên, ta nhận thấy robot công nghiệp được sử dụng nhiều nhất trong ngành công nghiệp ô tô 98 000 chiếc (2015) và tăng lên 126 000 chiếc (2017), ngoài ra ngành điện, điện tử cũng là ngành sử dụng nhiều robot công nghiệp với mức tăng 33% từ 65000 (2015) lên 121000 (2017)

Mục tiêu ứng dụng của robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của robot:

Robot công nghiệp có thể thực hiện được một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc Vì thế robot công nghiệp góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm Hơn thế robot có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi với sự thay đổi về mẫu mã và kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh

Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dung robot là giảm được đáng kể chi phí cho người lao động

Việc áp dụng robot làm tăng năng suất dây chuyền công nghệ Sở dĩ như vậy vì nếu tăng nhịp độ khẩn trương của dây chuyền sản xuất, nếu không thay thế con người bằng robot thì người thợ sẽ không đuổi kịp hoặc nhanh chóng mệt mỏi

Hình 1.6: Hệ thống robot trong nhà máy VinFast

Robot có thể cải thiện được điều kiện lao động Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà chúng ta cần lưu tâm Vì trong thực tế có rất nhiều nơi người lao động phải làm việc có môi trường có hại cho sức khỏe hoặc dễ xảy ra tai nạn lao động.

Tình hình nghiên cứu phát triển robot ở Việt Nam

Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã có những bước tiến đáng kể trong 25 năm vừa qua Nhiều đơn vị trên toàn quốc thực hiện các nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng về robot như Trung tâm Tự động hoá, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Điện tử, Tin học, Tự động hoá thuộc Bộ Công nghệp, Đại học Bách khoa TP.HCM, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin thuộc Viện KHCNVN Bên cạnh đó còn phải kể đến Công ty Cổ phần robot TOSY, doanh nghiệp thiết kết và chết tạo robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trên trường quốc tế

Song song với chế tạo robot thì các công trình nghiên cứu khoa học về rô bốt được công bố của các nhà khoa học Việt Nam rất đa dạng và theo sát được các hướng nghiên cứu của thế giới Các nghiên cứu về robot ở Việt Nam liên quan nhiều đến các vấn đề về động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông tin cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển và phát triển trí thông minh cho robot Các nghiên cứu về động học và động lực học robot được các khoa cơ khí, chế tạo máy ở các trường đại học và các viện nghiên cứu về cơ học, chế tạo máy, cơ khí quan tâm cả trong dân sự và quân sự.

Nội dung nghiên cứu cơ khí

+ Sơ bộ hướng thao tác: RRR Đề bài yêu cầu tính toán thiết kế Robot gắp vâ đảm bảo thực hiện thao tác theo quỹ đạo là tròn với 3 bậc tự do cho mô hình thiết kế

- Tính toán, thiết kế robot có kết cấu, hình dạng phù hợp với yêu cầu linh hoạt về công việc đặt ra

- Hệ thống cơ khí, truyền động chính xác, gia công phải đảm bảo độ chuẩn theo yêu cầu kích thước bản vẽ Đảm bảo cho robot chạy ổn định, đúng yêu cầu kĩ thuật

- Các khâu đảm bảo không gian làm việc ổn định, tự do, không va chạm, đảm bảo gắp vật được ở vị trí mong muốn.

Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Về phần lý thuyết của đề tài, nghiên cứu một số vấn đề sau đây:

- Nghiên cứu bài toán động học thuận (ngược), bài toán động lực học

- Thiết kế quỹ đạo cho robot và bài toán nội suy

- Một số phương pháp điều khiển robot

1.7.2 Thực nghiệm Ứng dụng những gì đã học được trong chuyên ngành kỹ thuật Cơ điện tử vào nghiên cứu:

- Thiết kế hệ thống đồng thời song song cả phần cơ khí, điện, điện tử, lập trình

- Mô hình hóa phần cơ khí, phần điện

- Tối ưu hóa tất cả từ phần lên ý tưởng đến phần gia công hoàn chỉnh sản phẩm.

Phạm vi nghiên cứu đề tài

Đây là đề tài có nhiều ứng dụng trong thực tế, vì vậy có rất nhiều phương pháp, cũng như hướng giải quyết, phát triển khác nhau Quyết định xây dựng mô hình cánh tay robot gắp vật và di chuyển theo quỹ đạo cho trước.

PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC ROBOT

Số bậc tự do cần thiết

Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến) Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức:

W= 63 – (53) = 3 Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến (khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động Đối với cơ cấu hở, số bậc tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động.

Phân tích cấu trúc và phương án thiết kế robot

- Cơ cấu robot tọa độ Đề Các: Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình TTT) Không gian làm việc của bàn tay có dạng khối chữ nhật

- Cơ cấu robot tọa độ trụ: không gian làm việc có dạng hình trụ rỗng thường khớp thứ nhất là chuyển động quay

- Cơ cấu robot tọa độ cầu: không gian làm việc của robot có dạng hình cầu

Hình 2.2: Cơ cấu robot tọa độ cầu Hình 2.1 Cơ cấu robot tọa độ trụ

Lựa chọn cấu trúc thiết kế

Với kết cấu 4, 5, 6 bậc tự do, Robot sẽ trở nên linh hoạt hơn tuy nhiên việc tính toán thiết kế và chế tạo cũng phức tạp hơn Một phần nhu cầu bài toán đặt ra không cần góc nghiêng của mỏ hàn tới đối tượng do đó các phương án trên sẽ làm phức tạp thêm nhiều tốn kém Để tiết kiệm về mặt kinh tế nhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu của bài toán đặt ra, ta lựa chon phương án thiết kế Robot 3 bậc tự do ( phương án số 1 ) có 2 khâu quay xác định vị trí và bao quát các điểm trên mặt phẳng, một khâu cuối chuyển động tịnh tiến để xác định tọa độ theo chiều cao mối hàn hay điều chỉnh sự vào ra linh hoạt của mỏ hàn tránh và chạm trong môi trường làm việc Do đó việc lựa án này hoàn chọn phương toàn thỏa mãn yêu cầu bài toán khi cần thao tác trên mặt phẳng với hướng mối

Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3

Phương án 4 Phương án 5 Phương án 6 hàn có dạng đường cong trên mặt phẳng thẳng đứng Ưu điểm của phương án so với các phương án khác:

Với phương án thiết kế này sẽ rất tối ưu với

- Diện tích cho khâu đế thực sự tiết kiệm

- Dễ dàng thực hiện với đối tượng nằm trên mặt phẳng đứng

- Xây dựng hệ thống điều khiển các khớp dễ dàng thuận tiện và gần như có thể độc lập

- Kết cấu đơn giản đảm bảo tính linh hoạt

Ưu nhược điểm của robot

Là loại robot công nhiệp thực hiện chuyển động tuyến tính trong không gian Chúng di chuyển dọc theo các trục x,y,z và tất cả đều vuông góc với nhau Ưu nhược điểm

• Thiết kế và vận hành đơn giản

• Chiếm nhiều không gian hơn

• Tốc độ và khả năng tăng tốc hạn chế

• Thiếu linh hoạt Ứng dụng

Các ứng dụng nhặt và đặt tuyến tính, vẽ sơ đồ, in 3D, cắt

SCARA là từ viết tắt của Cánh tay robot lắp ráp tuân thủ có chọn lọc

Robot SCARA hoạt động trên 3 trục (X, Y và Z) và cũng có chuyển động quay Ưu nhược điểm

• Khả năng lặp lại vị trí tốt nhất

• Tốc độ cao cho tải trọng vừa phải

• Thích hợp cho tải trọng nhẹ hoặc trung bình nặng Ứng dụng

Các ứng dụng chọn và đặt có độ chính xác cao, tốc độ cao như khắc, xử lý vật liệu

Robot có khớp nối là robot công nghiệp có các khớp quay Chuyển động của robot có khớp nối đơn giản giống như chuyển động của cánh tay con người Ưu nhược điểm:

• Phức tạp, đắt tiền Ứng dụng Ứng dụng rất lớn, ví dụ như trong Sơn, Phủ, Hàn, Đóng gói

Là robot công nghiệp được chế tạo trên khung hình tam giác cứng

Khung được gắn ngay phía trên khu vực làm việc, với mỗi cánh tay chứa một động cơ servo mô-men xoắn cao Ưu nhược điểm

• Tốc độ cao và khả năng tăng tốc

• Không thể mang vác nặng

• Các ứng dụng chọn và đặt nhanh cần thiết trong nghành y học và thực phẩm Ứng dụng: Sử dụng trong các ngành nghề đóng gói, hàn

Từ những phương án đã trình bày, đưa ra những lựa cấu trúc thiết kế và nêu được những ưu điểm của các phương án thì chọn phương án 2 là phù hơp với những yêu cầu đã cho trước của đề bài

Hình 2.3 là Mô hình robot dựa trên phương án 1 để thiết kế

Với tọa độ gốc là:𝑅 = 𝑂𝑥𝑦𝑧, tọa độ gốc khâu 1 là: 𝑥 1 𝑦 1 𝑧 1 , tọa độ gốc khâu 2 là:

𝑥 2 𝑦 2 𝑧 2 , và tọa độ gốc khâu 3 là: 𝑥 3 𝑦 3 𝑧 3

Xây dựng hệ tọa độ

Xét mô hình robot như hình 2 Áp dụng quỹ tắc DHC Áp dụng phương pháp D-H-C: Đánh STT khâu: 0,1,2,3 Đánh STT khớp: 1,2,3 Đặt vào các hệ tọa độ khớp: R0

+y1: chọn theo quy tắc bàn tay phải sao cho hệ tọa độ thuận

+z2: Hướng từ trong ra ngoài, dọc trục khớp 2

+z3: Hướng từ trong ra ngoài, dọc trục khớp 3

Xây dựng bài toán động học thuận

Từ không gian làm việc của robot là 5000x500x500

Bảng 2.1 xác định tham số động học D-H-Craig của robot

Trong đó: 𝑞 1 , 𝑞 2 , 𝑞 3 là các biến khớp;

Các ma trận Craig địa phương

Các ma trận Craig toàn thể:

+) Từ các ma trận D-H-Craig, ta tính tọa độ điểm thao tác E trong hệ quy chiếu cố định

Toạ độ vị trí điểm thao tác E:

+) Cho trước các quy luật chuyển động của các khâu, vẽ đồ thị quỹ đạo, vận tốc, gia tốc điểm thao tác robot

• Cho quy luật chuyển động của các khâu

Toạ độ điểm E theo biến t là:

Vận tốc của điểm thao tác cuối Đạo hàm theo thời gian t toạ độ điểm E trong hệ quy chiếu cố định ta được vận tốc điểm thao tác E

Gia tốc của điểm thao tác cuối: Đạo hàm theo thời gian t vận tốc điểm E trong hệ quy chiếu cố định ta được gia tốc điểm thao tác E

Từ các ma trận Craig địa phương ta có các ma trận cosin chỉ hướng của các khâu so với 𝑅 𝑜

𝑐𝑜𝑠𝑞 1 cos (𝑞 2 + 𝑞 3 ) −𝑐𝑜𝑠𝑞 1 sin (𝑞 2 + 𝑞 3 ) 𝑠𝑖𝑛𝑞 1 𝑠𝑖𝑛𝑞 1 cos (𝑞 2 + 𝑞 3 ) −𝑠𝑖𝑛𝑞 1 sin (𝑞 2 + 𝑞 3 ) −𝑐𝑜𝑠𝑞 1 sin (𝑞 2 + 𝑞 3 ) cos(𝑞 2 + 𝑞 3 ) 0

Suy ra có đạo hàm của các ma trận Craig địa phương:

• Bên cạnh đó ta có các ma trận chuyển vị:

• Vận tốc góc các khâu được tính theo công thức sau

Xây dựng đồ thị cho bài toán động học thuận

Hình 2.4 Đồ thị quỹ đạo điểm E

Hình 2.5 Đồ thị vận tốc điểm E

Hình 2.6 Đồ thị gia tốc điểm E

Hình 2.7 Đồ thị vận tốc góc khâu 1

2.7 Xây dựng bài toán động học ngược và đồ thị của robot

Tọa độ điểm thao tác E phụ thuộc vào các tọa độ suy rộng 𝒒 = [𝒒𝟏 𝒒 𝟐 𝒒 𝟑 ] 𝑻 trong hệ quy chiếu cố định

Từ các ma trận D-H-Craig ở phần động học thuận, ta có tọa độ điểm thao tác E trong hệ quy chiếu cố định

Toạ độ vị trí điểm thao tác E:

Cho phương trình chuyển động của điểm E :{

𝑧 𝐸 = 0 Phương trình xác định vị trí: Áp dụng công thức {

𝑥(𝑞) = 𝑥 𝐸 𝑦(𝑞) = 𝑦 𝐸 𝑧(𝑞) = 𝑧 𝐸 Mối quan hệ điểm thao tác E trong không gian khớp và không gian thao tác:

Mối quan hệ điểm thao tác E trong không gian khớp và không gian thao tác:

Trong phương trình trên ta đã biết, 𝒙(𝑡), 𝒙̇(𝑡), 𝒙̈(𝑡),đã biết từ phương trình quỹ đạo tìm, 𝒒(𝑡), 𝒒̇(𝑡), 𝒒̈(𝑡) Đạo hàm (1) theo thời gian:

Ta có biểu thức xác định vecto vận tốc suy rộng:

𝑱 𝑞 𝒒̇ = 𝒙̇(𝑡) ⇔ 𝑱 𝑞 −1 𝑱 𝑞 𝑞̇ = 𝑱 𝑞 −1 𝒙̇(𝑡) = 𝒒̇ = 𝑱 𝑞 −1 𝒙̇(𝑡) (2) Tiếp tục đạo hàm phương trình (2) theo thời gian ta được:

Ta có biểu thức xác định vectơ gia tốc suy rộng:

Giải phương trình động học ta được quy luật chuyển động của các khâu như sau với đồ thị như sau:

Hình 2.10 Đồ thị các tọa độ suy rộng

Hình 2.11 Đồ thị các vận tốc suy rộng

Hình 2.12 Đồ thị các gia tốc suy rộng

Hình 2.13 Tọa độ suy rộng khâu 1

Hình 2.14 Đồ thị tọa độ suy rộng khâu 2

Hình 2.15 Đồ thị tọa độ suy rộng khâu 3

Xây dựng bài toán động học ngược và đồ thị của robot

Đến với chương này sẽ giới thiệu qua về những phần mềm thiết kế 3D và đưa ra những chi tiết vẽ dựa trên phần mềm 3D

Phần mềm AutoCad là phần mềm thiết kế tự động có sự hỗ trợ của máy tính do Autodesk sản xuất, có thể được sử dụng để vẽ , vẽ 2 chiều và thiết kế 3D cơ bản

Autocad được ra mắt vào cuối năm 1982 bởi tập đoàn Autodesk Autocad thường được sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, xây dựng và kiến trúc

Giao diện và các tính năng mới cho phép sử dụng Autocad dễ dàng và thân thiện với mọi loại thiết bị và các chuyên gia có thể làm việc mọi lúc mọi nơi giúp tiết kiệm thời gian di chuyển

Autocad giúp tăng năng suất làm việc và thiết kế các quy trình làm việc hiệu quả, giúp tiết kiệm chi phí, thời gian cũng như giảm thiểu các rủi ro sai sót

Phần mềm này còn có thể tính cụ thể và chi tiết khối lượng diện tích, thể tích hay trọng tâm bản vẽ trong thời gian ngắn bằng tính năng tự động

THIẾT KẾ 3D ROBOT

Phần mềm thiết kế 3D

Phần mềm AutoCad là phần mềm thiết kế tự động có sự hỗ trợ của máy tính do Autodesk sản xuất, có thể được sử dụng để vẽ , vẽ 2 chiều và thiết kế 3D cơ bản

Autocad được ra mắt vào cuối năm 1982 bởi tập đoàn Autodesk Autocad thường được sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, xây dựng và kiến trúc

Giao diện và các tính năng mới cho phép sử dụng Autocad dễ dàng và thân thiện với mọi loại thiết bị và các chuyên gia có thể làm việc mọi lúc mọi nơi giúp tiết kiệm thời gian di chuyển

Autocad giúp tăng năng suất làm việc và thiết kế các quy trình làm việc hiệu quả, giúp tiết kiệm chi phí, thời gian cũng như giảm thiểu các rủi ro sai sót

Phần mềm này còn có thể tính cụ thể và chi tiết khối lượng diện tích, thể tích hay trọng tâm bản vẽ trong thời gian ngắn bằng tính năng tự động

Catia là viên đá nền tảng đầu tiên của bộ phần mềm quản lý toàn bộ 1 chu trình sản phẩm của Dassault

Là một phần quan trọng của giải pháp hợp tác PLM, giúp các nhà sản xuất thiết kế các sản phẩm tương lai của họ và hỗ trợ toàn bộ quy trình thiết kế công nghiệp từ giai đoạn tiền dự án, thiết kế cụ thể, phân tích, mô phỏng, lắp ráp, bảo trì

Phần mềm này được viết vào cuối những năm 1970 và đầu 1980 để phát triển máy bay chiến đấu Mirage của Dassault, sau đó được áp dụng trong ngành hàng không vũ trụ, ô tô, đóng tàu, và các ngành công nghiệp khác

CATIA là phần mềm gồm 3 phần chính, mỗi phần lại có những moulde riêng biệt với những chứa năng khác nhau

CAD: Gồm các module dùng trong thiết kế cơ chi tiết, thiết kế sản phẩm cơ khí…

CAM: Hỗ trợ lập trình gia công các máy phay CNC 2 trục, 3 trục, 4 trục, 5 trục

CAE: Giúp các kĩ sư tính toán động lực học mà chi tiết/ bộ phận/ hoặc sản phẩm có thể chịu được khi có một lực tác dụng vào

SolidWorks là phần mềm thiết kế 3D chạy trên hệ điều hành Windown và có mặt từ năm 1997, và được tạo bởi công ty Dassault Systèmes SolidWorks Corp., là một nhánh của Dassault Systèmes, S A (Vélizy, Pháp) SolidWorks hiện tại được dùng bởi hơn 2 triệu kỹ sư và nhà thiết kế với hơn 165,000 công ty trên toàn thế giới

Những nhóm tính năng cơ bản của SOLIDWROKS 3D

- Thiết kế mô hình 3D chi tiết

SOLIDWORKS nổi bật trong số các giải pháp phần mềm thiết kế 3D CAD bởi tính trực quan, phương pháp xây dựng mô hình 3D tham số, nhanh chóng, dễ dàng và tiện lợi cho người sử dụng Khả năng tái sử dụng dữ liệu 2D cho phép dễ dàng chuyển đổi từ các bản vẽ, phác thảo 2D thành mô hình hình học 3D SOLIDWORKS có khả năng dựng mô hình 3D từ ảnh chụp, điều này vô cùng tiện lợi cho các hoạt động sáng tạo, đổi mới, phát triển sản phẩm

- Xuất bản vẽ dễ dàng

Phần mềm SOLIDWORKS cho phép ta tạo các hình chiếu vuông góc các chi tiết hoặc các bản lắp với tỉ lệ và vị trí do người sử dụng quy định mà không ảnh hưởng đến kích thước

Công cụ tạo kích thước tự động và kích thước theo quy định của người sử dụng Sau đó nhanh chóng tạo ra các chú thích cho các lỗ một cách nhanh chóng Chức năng ghi độ nhám bề mặt, dung sai kích thước và hình học được sử dụng dễ dàng

- Tính năng Tab và Slot

Phần mềm SOLIDWORKS 2018 cho phép người dùng tự động tạo ra các tính năng tab và slot được sử dụng để tự lắp ghép các bộ phận hàn Các tính năng cải tiến kim loại khác bao gồm tính năng Normal Cut mới đảm bảo duy trì khoảng cách thích hợp cho sản xuất, và khả năng uốn mới cho phép người dùng tạo mới và trải phẳng góc uốn + Cải tiến Quản lý dự án và quy trình

SOLIDWORKS Manage cung cấp công cụ quản lý dữ liệu, dự án, và quản lý quy trình trong một gói phần mềm quen thuộc Các khả năng quản lý các dự án, và quản lý quy trình được thêm vào SOLIDWORKS PDM Professional

+ Các tiện ích cải tiến

Online Licensing giúp cho việc sử dụng các license trên nhiều máy tính tiện lợi hơn trước rất nhiều SOLIDWORKS Login sẽ chuyển các nội dung và cài đặt các tùy chịn đến bất kỳ máy tính nào được cài SOLIDWORKS, trong khi Admin Portal cho phép quản lý các sản phẩm và dịch vụ của SOLIDWORKS dễ dàng hơn

SOLIDWORKS là phần mềm CAD nền tảng, đối tác của nhiều giải pháp phần mềm CAM: SolidCAM, MasterCAM, PopCADCAM… Từ năm 2017,

SOLIDWORKSCAM được bổ sung, phát triển từ phần mềm CAMWorks

+ Phân tích động lực học

SOLIDWORKS Simulation cung cấp các công cụ mô phỏng để kiểm tra và cải thiện chất lượng bản thiết kế của bạn Các thuộc tính vật liệu, mối ghép, quan hệ hình học được định nghĩa trong suốt quá trình thiết kế được cập nhật đầy đủ trong mô phỏng

Xây dựng bản vẽ sơ bộ trên SolidWorks

Hình 3.4: Tổng thể robot gắp vật trong Solisworks

3.2.1 Thiết kế chi tiết khâu đế của robot

Bảng 3.1 liệt kê chi tiết khâu đế

Tiết Thiết Kế 3D Tiêu Chuẩn

0.1 Tấm đế hộp Phi tiêu chuẩn

0.2 Mặt lưng đế hộp Phi tiêu chuẩn

0.3 Cạnh bên hộp đế Phi tiêu chuẩn

0.4 Nắp hộp đế Phi tiêu chuẩn

0.5 Ngăn khâu đế Phi tiêu chuẩn

0.6 Góc ke chữ L Phi tiêu chuẩn

0.7 Động cơ đế Tiêu chuẩn

0.8 Puly nhỏ đế Phi tiêu chuẩn

0.11 Puly lớn đế Phi tiêu chuẩn

0.12 Nối trục chữ T Phi tiêu chuẩn

Hình 3.5: Hình ảnh khâu đế

Về phần truyền động em sử dụng bộ truyền bánh răng đai rang để dẫn truyền động từ khâu đế sang khâu 1

Những ưu nhược điểm của bộ truyền khâu thứ đế Ưu điểm :

- Bộ truyền có tính đàn hồi, kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, giá thành thấp

- Bộ truyền làm việc êm, không gây tiếng ồn, chịu sốc, không cần bôi trơn, phí bảo dưỡng thấp

- Trọng lượng nhẹ hơn nhiều so với bộ truyền bánh răng

- Dễ dàng bảo dưỡng hơn so với bánh răng

- Độ giãn : Đai có thể giãn ra sau một thời gian sử dụng, đặc biệt khi chịu tải nặng hoặc làm việc trong môi trường khắc nghiệt Điều này có thể ảnh hưởng đến độ chính xác và hiệu suất của hệ thống

- Tốc độ thấp và khả năng chịu tải kém

- Cần phải bảo dưỡng thường xuyên hơn các bộ truyền khác

- Kích thước của bộ truyền lớn hơn các bộ truyền khác khi làm việc tải trọng như nhau

3.2.2 Thiết kế chi tiết khâu 1 của robot

Bảng 3.2 liệt kê chi tiết khâu 1

2.9 Nắp ổ trên Phi tiêu chuẩn

3.3 Đỡ xilanh Phi tiêu chuẩn

Mô phỏng

• Bước 1: Tạo một mặt phẳng để thao tác mô phỏng chuyển động robot

• Bước 2: Đặt robot RRR lên mặt phẳng

Hình 3.21: Robot trên mặt phẳng

• Bước 3: Vẽ quỹ đạo tròn như yêu cầu đề bài

• Bước 4: Sử dụng Mate → PartMate1 → Advanced → Part Mate → chọn điểm tiếp xúc của mỏ hàn và đường parabol → kết nối

Hình 3.23: Mate đầu gắp vật vào quỹ đạo

• Bước 5: Mô phỏng chuyển động trong MotionStudy

Hình 3.24: Mô phỏng chuyển động robot

• Bước 6: Quay video là xuất ra file AVI file.

TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT

Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot

4.3 Giải bài toán động lực học thuận và ngược (*)

5 Thiết kế hệ thống dẫn động

5.1 Lựa chọn động cơ dẫn động cho khâu 1

5.2 Phân tích lựa chọn hệ thống dẫn động cho khâu 1:

6 Thiết kế hệ thống điều khiển (*)

6.1 Chọn luật điều khiển phù hợp

6.2 Mô phỏng trên phần mềm Matlab

- Bản vẽ lắp tổng thể mô hình robot

- Bản vẽ tách một khâu của robot

- Bản vẽ tách một chi tiết điển hình

Em xin cam đoan đây là Đồ án Hệ thống cơ điện tử tính toán thiết kế cánh tay robot Scara của bản thân em Các kết quả trong Đồ án Hệ thống Cơ điện tử này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Trong thời gian làm đồ án Hệ thống cơ điện tử, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo của thầy cô, bạn bè trong bộ môn kỹ thuật Cơ điện tử

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy ThS.Nguyễn Hùng Anh giảng viên Bộ môn

Kỹ thuật Cơ điện tử - trường Đại học Thủy lợi Người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm đồ án

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường Đại học Thủy lợi nói chung, các thầy cô trong bộ môn kỹ thuật Cơ điện tử nói riêng đã dạy dỗ em cho em kiến thức về các môn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập

Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế của một sinh viên, đồ án này không thể tránh được những thiếu sót Em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô để em có điều kiện bổ sung, nâng cao phục vụ tốt hơn công việc thực tế sau này

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, tự động hóa ngày càng đóng một vai trò quan trọng Cách mạng 4.0 việc ứng dụng tự động hóa, trí tuệ nhân tạo vào sản xuất, kinh doanh là một xu hướng tất yếu nhằm tạo ra năng suất lao động cao Trên thế giới đã có nhiều nhà máy sử dụng toàn bộ hệ thống dây chuyền sản xuất tự động hóa, đưa robot vào thay thế sức lao động của con người, tạo ra các sản phẩm tốt, độ chính xác cao Nhờ vào robot, cuộc sống của chúng ta ngày càng tiện nghi và an toàn hơn Thật vậy, robot đang dần thay thế con người trong những công việc nguy hiểm như cứu nạn, cứu hộ, làm trong các môi trường nguy hiểm, độc hại ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người Không chỉ vậy, trong đời sống hằng ngày, robot đã và đang giúp chúng ta thực hiện những công việc bình thường trong gia đình như lau nhà, hút bụi,… nhờ đó chất lượng cuộc sống ngày càng cao hơn

Kết hợp xu thế phát triển của thời đại cũng như những kiến thức đã được học ở nhà trường, em đã lựa chọn thiết kế cánh tay robot 3 bậc tự do Scara RRT Em tin rằng với những kết quả có được từ việc tìm hiểu và tính toán trong đồ án này sẽ là bước đệm quan trọng cho việc phát triển nhiều hơn nữa những ý tưởng trong tương lai về tính toán và thiết kế các loại robot khác trong công nghiệp

CHƯƠNG I: NHỮNG KIẾN THỨC CƠ SỞ 1

1.1 Tổng quan về robot 3 bậc tự do 1

1.2 Lịch sử phát triển robot công nghiệp 1

1.4 Ứng dụng của robot công nghiệp 5

1.5 Tình hình nghiên cứu phát triển robot ở Việt Nam 6

1.6 Nội dung nghiên cứu cơ khí 6

1.7 Phương pháp nghiên cứu của đề tài 7

1.8 Phạm vi nghiên cứu đề tài 7

CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC ROBOT 8

2.1 Số bậc tự do cần thiết 8

2.2 Phân tích cấu trúc và phương án thiết kế robot 8

2.3 Ưu nhược điểm của robot 10

2.4 Xây dựng hệ tọa độ 12

2.5 Xây dựng bài toán động học thuận 13

2.6 Xây dựng đồ thị cho bài toán động học thuận 18

2.7 Xây dựng bài toán động học ngược và đồ thị của robot 21

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ 3D ROBOT 27

3.2 Xây dựng bản vẽ sơ bộ trên SolidWorks 31

3.2.1 Thiết kế chi tiết khâu đế của robot 32

3.2.2 Thiết kế chi tiết khâu 1 của robot 36

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 47

4.1 Xác định các tham số động lực học 47

4.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot 50

CHƯƠNG V: THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG 55

5.1 Phân tích lựa chọn hệ thống dẫn động cho khâu 55

5.1.1 Bộ truyền động cho khớp quay thứ nhất 55

5.1.2 Bộ truyền động cho khớp quay thứ hai 56

5.1.3 Bộ truyền động cho khớp quay thứ ba 57

5.2 Lựa chọn động cơ dẫn động cho khâu 57

5.2.1 Tính toán động cơ khớp quay cho khâu 3 58

5.2.2 Tính toán động cơ khớp quay thứ 2 60

5.2.3 Tính toán động cơ khớp quay thứ 1 61

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64

PHỤ LỤC CODE MATHLAB 67 ĐỘNG HỌC THUẬN 67 ĐỘNG HỌC NGƯỢC 70

CHƯƠNG I: NHỮNG KIẾN THỨC CƠ SỞ

Trong chương này cung cấp những kiến thức cơ bản về robot, lịch sử hình thành và phát triển, định nghĩa, phân loại, ứng dụng và tình hình nghiên cứu phát triển robot ở Việt Nam

1.1 Tổng quan về robot 3 bậc tự do

Robot 3 bậc tự do là một CPS của một mô hình sản xuất thông minh trong các nhà máy công nghiệp hiện nay Kết cấu quan trong nhất là cánh tay robot Cánh tay robot là một cơ cấu trong hàng ngàn thiết kế của hệ thống các tay máy công nghiệp Để có cái nhìn tổng quát về tay máy công nghiệp ta đi đến mục tiếp theo

1.2 Lịch sử phát triển robot công nghiệp