Đề tài thiết kế cánh tay robot 4 bậc tự do và mô phỏng trên matlab

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, nền kinh tế trong và ngoài nước đang trên da phát triển mạnh mẽ, các ngành công nghiệp ngày càng tự động hóa sản xuất, đòi hỏi trình độ khoa học kỹ thuật cao.. Các

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT VIỆN KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ CHƯƠNG TRÌNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ VÀ Ô TÔ

KKAKKAKAK KK

\ PAT HOC THU DAU MOT

2009 TH DAU MOT UNIVERSITY

TIEU LUAN

DE TAI: THIET KE CANH TAY ROBOT 4 BAC TU DO VA MO PHONG TREN

MATLAB

Mã học phan: LING107

Tén hoc phan: KY THUAT ROBOT(2+0)

Nhom hoc phan: KTCN.CQ.07

Sinh viên/Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 14

Nguyễn Bùi Khánh Duy MSSV :2025102050105

Giảng viên hướng dẫn: Th.S Huỳnh Minh Phú

Bình Dương, tháng 1Í năm 2023

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, nền kinh tế trong và ngoài nước đang trên da phát triển mạnh mẽ, các ngành công nghiệp ngày càng tự động hóa sản xuất, đòi hỏi trình độ khoa học kỹ thuật cao Nhu cầu của nhà sản xuất cũng như nhà tiêu dùng là tăng không ngừng Đây là cơ hội và cũng

là thách thức cho ngành cơ điện tử, với việc ứng dụng các thành tựu nhân loại để phục vụ

nhu cầu xã hội Robot là một ứng dụng thiết thực nhất, từ những cỗ máy đơn giản đến

phức tạp nhất, nó có thể góp mặt vào trong mọi lĩnh vực đời sống sản xuất con người Các robot đã và đang trở thành công cụ lao động thông minh, từng bước thay thể con người trong hoạt động sản xuất Nhờ có robot mà năng suất và chất lượng lao động ngày

càng được cải thiện và tiệm cận sự hoàn hảo Trong học phan này, chúng em thực hiện đề

Bảng Phân Công Nhiệm Vụ

Họ và tên Nội Dung

Nguyễn Bùi Khánh Duy Tìm hiểu về góc tọa d6, bang DH, cach tính động học thuận,

ma trận thuần nhất, SolidWoks, kiểm tra lại quá trình làm bài

Nguyễn Võ Đại Nam Tìm hiểu về góc tọa độ, bảng DH, cách tính động học thuận,

động học nghịch, ma trận thuần nhất, Matlab

Bùi Quang Huy Tìm hiểu về cách đặt góc tọa độ, SolidWorks, kiểm tra tính

toán thông qua Matlab

Binh Dương, ngày L7 thang 11 nam 2023

Giảng viên

Th.S Huynh Minh Phu

LỜI NÓI ĐẦU Bảng Phân Công Nhiệm Vụ - G- G1 TH HH HT TH Tu TH HH nh soneeeees CHUONG 1: TONG QUAN VE DE TÀI

I._ Giới thiệu chung về tự động hóa oes

I Ý tưởng thiết kế

Ul Phân tích lựa chọn cơ cấu

Il Phân tích lựa chọn động cơ bước

I _ Xây dựng cấu trúc, thiết lập hệ phương trình động học của robo( -.s- 5-55 ccs+

CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE DE TAI

Giới thiệu chung về tự động hóa

Khái niệm về tự động hóa sản xuất

Là dùng năng lượng phi sinh vật ( cơ, điện , điện tử ) đề thực hiện một phần

hay toàn bộ quá trình công nghệ mà ít nhiều không cần sự can thiệp của con người Tự động hoá là một quá trình liên quan tới việc áp dụng các hệ thông cơ khí, điện tử, máy tính để hoạt động, điều khiển sản xuất, Công nghệ này bao gồm: Những công cụ máy móc tự động

Máy móc lắp ráp tự động

Người máy công nghiệp

Hệ thông vận chuyên và điều khiến vật liệu tự động Điều khiên có hồi tiếp và

điều khiển quá trình bằng máy tính

Đâu tư ban đầu cao cho những thiết bị thiết kế theo đơn đặt hàng

Năng suất máy cao

Tương đối không linh hoạt trong việc thích nghỉ với các thay đôi của sản phẩm

Tự động hóa lập trình:

Thiết bị sản xuất được thiết kế với khả năng có thê thay đôi trình tự các nguyên công đề thích ứng với những cấu hình sản phẩm khác nhau

Chuỗi các hoạt động có thể điều khiển bởi một chương trình, tức là một tập lệnh

được mã hoá đề hệ thống có thê đọc và viễn địch chúng

Những chương trình mới có thể được chuân bị và nhập vào thiết bị để tạo ra sản phâm mới Một vài đặc trưng của tự động hoá lập trình là:

Đầu tư cao cho những thiết bị có mục đích tổng quát

Năng suất tương đối thấp so với tự động hoá cứng

Sự linh hoạt khi có sự thay đổi trong cầu hình sản phẩm

Thích hợp nhất là cho sản xuất hàng loạt

vwm=Evyvvy

Tw dong hoa linh hoạt:

Là hệ thống tự động hoá có khả năng sản xuất rất nhiều sản phâm (hay bộ phận khác nhau mà hầu như không mắt thời gian cho việc chuyền đối từ sản phâm này sang sản phâm khác Không mắt thời gian cho sản xuất cho việc lập trình lại và thay thế các cài đặt vật lý (công cụ đỗ gá, máy moc) Kết quả là hệ thông có thể lên kế hoạch kết hợp sản xuất nhiều loại sản xuất khác nhau thay vì theo từng loại

riêng biệt Đặc trưng của tự động hoá lĩnh hoạt có thé tom tat như sau:

Đầu tư cao cho thiết bị

Sản xuất liên tục những sản phẩm hỗn hợp khác nhau

Tốc độ sản xuất trung bình

Tính linh hoạt khi sản phẩm thay đổi thiết kế

Giới thiệu về đề tài

Tổng quan về robot

Lịch sử ra đời

Robot đã và đang xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta từ lâu và ngày càng trở thành một phần không thẻ thiếu trong cuộc sông hiện đại Chúng đã góp phần mình vào công cuộc lao động, chính robot đang làm nên một cuộc cách mạng về

lao động, khoa học và đang phục vụ đắc lực cho các ngành khoa học như: khoa

học quân sự, khoa học giáo dục, các ngành dịch vụ, giải trí, v.v

Năm 1921 nhà soạn kịch Karel Capek người Tiệp Khắc đã đưa lên sân khẩu vở kịch có tiêu đề “Romands Univesal Robot” Theo tiếng Séc “Robot” nghĩa là

“Người tạp dịch” Có thê nói đây là một gợi M một ý tưởng ban đầu về những cỗ máy có khả năng thao tác như con người Đến trước chiến tranh thế giới lần thứ hai nhu cầu sử dụng những máy móc có khả năng thay thế con người ở những môi

trường làm việc độc hại đã trở thành một nhu cầu cấp thiết

Ban đầu cơ cầu máy này hoạt động giống như tay máy của người vận hành Cấu tạo của cơ cầu này bao gồm các thanh và các khớp và hệ thống giây chẳng Người vận hành điều khiến tay máy thông qua một cơ cầu khuyếch đại cơ khí

Trong chiến tranh thế giới lần thứ hai (năm 1945), xuất hiện cơ cầu máy được điều

khiên từ xa đề cầm nắm chất phóng xạ Cho đến những năm 1950 cùng với sự ra đời của kỹ thuật điều khiển chương trình số NC (Number Control) kỹ thuật tay máy lúc này đã kết hợp được cả kỹ thuật điều khiển xa và điều khiên chương trình

số Sự kết hợp này đã tạo ra những thế hệ máy điều khiến từ xa có khả năng mềm

dẻo, khả năng tự động hoá cao gọi tên là robot

Năm 1949, máy phay điều khiến số ra đời phục vụ sản xuất ở Mỹ Đến năm 1960 George Devol đưa ra mẫu Robot đầu tiên Năm 1961 cũng tại Mỹ Robot công nghiệp (IR: Industrial Robot) đầu tiên đưa ra thị trường: Robot Unimat 1990 (Do

trường đại học MIT chế tạo) đây là Robot phản hồi lực nó được ứng dụng vào

công nghiệp sản xuất ô tô Theo con số thông kê thì đến năm 1990 toàn thế giới đã triển khai và ứng dụng khoảng 300.000 IR Do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật

7

Nn

Vi xử lý và Tin học mà số lượng IR tăng nhanh chóng và tính năng cũng có nhiều bước đột phá, giá thành trên một đơn vị IR giảm dần Đó là về lịch sử, còn ngày nay, robot đã có mặt ở khắp nơi, ngay cả trong gia đình chúng ta, chúng ta cùng điểm qua những con robot mà cả thế giới biết đến

Tính cấp thiết của đề tài

Ngành công nghiệp robot trên thế giới đã đưa được sản phẩm là robot công nghiệp

để phục vụ sản xuất, thậm chí phục vụ nhu cầu giải trí cũng như chăm sóc con người Với ngành công nghiệp của Việt Nam thì robot chưa được xuất hiện nhiều trong các đây truyền sản xuất Vì sản phẩm này còn quá đắt đối với thị trường Việt Nam.Nhằm nội địa hóa sản phẩm, cũng như nghiên cứu chuyên sâu về robot, tôi chọn đề tài “““ Thiết kế cánh tay Robot phân loại sản phẩm trên băng tải kết hợp kỹ thuật xử lí ảnh” Đề tài này hướng tới mục đích có thê giảm bớt sức lao động của người công nhân trong các dây chuyền sản xuất và nâng cao năng suất lao động ở nước

CHUONG 2: PHẦN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KÉ

I Ý tưởng thiết kế

> Thông qua các quá trình tìm hiểu thực tế các tài liệu trên sách báo, internet, và các

mô hình tốt nghiệp ở trường Dai hoc, chung em quyết định thiết kế mô hình: “ Cánh tay robot phân loại bánh răng trên băng tải kết hợp xử lí ảnh “ Quá trình thiết kế gồm các phần quan trọng sau:

+ Thiết kế cảnh tay robot

II Phân tích lựa chọn cơ cầu

1 Cơ cầu tay kẹp

Hình I Cơ cấu tay kẹp

Co cau tay kẹp là cơ cầu rất phô biến áp dụng rộng rải trong công nghiệp

> Uudiém:

- Hoat déng linh hoạt và độ chính xác cao

- _ Cơ câu chắc chắn đảm bảo lực kẹp tốt

> Nhược điểm :

- Vung giới hạn kích thước vật kẹp bị hạn, kết cầu phước tạp

2 Kiểu đầu hút khí nén

Hình 2: Đầu hút khí nén

Cơ cầu đầu hút khí nén là cơ cầu được dùng làm cơ cầu chấp hành cuối được sử

dụng và áp dụng rộng rãi nhất trong thiết kế cánh tay cho yêu cầu môi trường công nghiệp

Ưu điểm :

-Cơ cầu có thế kế đơn giản, nhỏ gọn

- Dùng khí nén nên lực hút lớn đảm bảo khi hút các vật có khối lượng lớn

- Dễ điều khiển và vận hành

- Có thê hút tất cả các vật liệu khác nhau

Nhược điểm :

- Lực hút lớn nên cần hệ thống khí nén đủ lớn để đám bảo lực hút vật

- Bề mặt hút vật phải phăng mới đảm bảo lực hút

- Phải đầu tư he thống khí nén nên chỉ phí cao

._ Kiểu nam châm điện

Hình 3: Nam châm điện

Cơ cầu nam châm điện cũng tương tự như cơ cầu đầu hút khí nén cũng được sử

dụng rộng rải trong công nghiệp

Ưu điểm :

Cơ cấu có thế kế đơn giản, nhỏ gọn

10

- Dé điều khiển và van hanh

> Nhuoc điểm :

- Bé mat hut vat phai phang mdi dam bao luc hut

- Chi hut duoc vat loai bang sat

=> Kết luận : Chọn phương án đầu hút nam châm phù hợp với yếu cầu

11

CHƯƠNG 3: CÁC THÀNH PHẢN CỦA HỆ THÓNG

Phân tích lựa chọn cơ cầu truyền động cho cánh tay

Truyền động đai là truyền động bằng phương tiện kéo Chúng truyền mômen xoắn

và tốc độ giữa hai trục, và có thê có một khoảng cách lớn hơn so với bộ truyền

bánh răng Vì tất cả các dây làm bằng nhựa hoặc vải đệt, đặc tính của chúng khác

biệt đáng kê với các bộ truyền bánh răng hoặc xích

Ưu điểm:

- Việc truyền lực có tính đàn hồi

- Chạy êm và ít ồn, chịu sốc

- Khoảng cách trục có thê lớn

- Không cân thiết bôi trơn

- Phí tốn bảo dưỡng ít

Nhược điểm:

- BỊ trượt qua sự giãn nở của dây đai

- Qua đó không có tỷ lệ truyền chính xác

- Nhiệt độ ứng dụng bị giới hạn

- Thêm tải trọng lên ô trục do lực căng cần thiết của dây đai

=>Kết luận: Từ nhưng phân tích ở trên ta chọn truyền động đai

II Phân tích lựa chon động cơ bước

Động cơ bước là một loại động cơ điện, có nguyên lý và ứng dụng khác biệt so với hau hết các loại động cơ điện thông thường Vậy động cơ bước là gì? Động cơ

bước thực chất là một loại động cơ đồng bộ, được dùng đề biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dang các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyên động

góc quay hoặc chuyên động của rotor có khả năng cô định rotor vào những vị trí cân thiết

Hình 4: Động cơ bước

Ưu điểm:

- Ưu điểm của loại động cơ này chính là khả năng cung câầp moment xoắn cực lớn

ở dải vận tôc thâp và trung bình, giá thành thâp, khá bên bỉ và thay the dé dàng

12

- Cũng vì thế loại động cơ này không phù hợp với những ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao và gia tốc lớn

Nhược điểm:

- Nhược điểm của motor bước là khi hoạt động có hiện tượng bị trượt bước đo lực

từ nam châm vĩnh cửu đã yêu nên cho vị trí không chính xác hoặc nguồn điện cung cấp không đủ Hạn chế thứ 2 của độg cơ bước là ồn và nóng lên khi hoạt

động

- Tuy nhiên, điều này là hoàn toàn bình thường đối với động cơ bước bởi bản thân

nó được thiết kế để có khả năng chịu được sức nóng như vậy Đối với các driver

điều khiển động cơ bước thê hệ mới, độ ồn và nóng của loại motor này đã giảm ổi đáng kê

13

CHUONG 4: THIET KE CO CAU ROBOT

I X4y dwng cau tric, thiet lap hệ phương trình động học của robot

1 Câu trúc của Robot

2 Xây dựng hệ toạ độ

- _ Denavit— Hartenberg (1955) đã quy ước hệ tọa độ Decard gắn vào mỗi khâu của một tay máy Robot như sau:

- Truc duge chon doc theo trục của khép thu (+1)

- _ Hướng của phép quay và phép tịnh tiễn được chọn tùy ý

- Trục được xác định dọc theo đường vuông góc chung giữa trục khớp động thứ 1 và (+ 1), hướng từ khớp động thứ I tới trục ( 1+1)

- _ Trục được xác định theo quy tắc bản tay phải

cos(6) —sin(6)}cos(œ} sin |Ø]sin(ø) œcos{(8) r: -|sin(8) ac cos(8)cos(ø) —cos(@)sin(a) asin(@)

- _ Ma trận tổng quát chuyền đối từ hệ 0 sang hé 1:

cos(@,) —sin(@,) 0 L1xcos(6,) 1

ro_|sin(0,) cos(0,) 0 L1x+sin(6)

0 0 0 1

« Ma trận tổng quát chuyên đổi từ hệ | sang hệ 2:

cos(Ø;) —sin(@,) 0 L2*cos(@5) r= sin(@,) cos(Ø;) 0 L2xsin(Ø)

0 0 1 0

0 0 0 1

+ Ma tran tổng quát chuyên đổi từ hệ 3 sang hệ 4:

cos(@,) —sin(@,) 0 L3*cos(@,) 4

pi_|sin(@,) cos(0,) 0 L3xsin[6,)

0 0 0 1

15

1 Dong hoc nghich

- Phuong phap dai sé:

9T=gT.1T.5T.3T 0T oT aol (oP WT aT 3T)

Pi Tin Vis May JPu Mio Pig Hị

Po, Poo Vo3° My Ja} Par Tay Ty My P31 Ps P33 M3] [lạ M32 P33 Ms

cos (0, |=c, sin (@,)=s, cos|0,+8,)=c,, sin (8,+0,|=S,, cos |8,+;+8,|=c;„„ sin (0, +0; +04 = S54

17

x L3*C3+L, 3 ny

Ly #C3+ Ly |+L3*53*(Ny— L3*C253)

Ill Code Matlab

% CODE MATLAB code for CODE fig

% CODE, by itself, creates a new CODE or raises the existing

% singleton*

%

% H =CODE retums the handle to a new CODE or the handle to

% the existing singleton*

%

% CODECCALLBACK'hObject,eventData,handles, ) calls the local

% function named CALLBACK in CODE.M with the given input arguments

20

%

% CODE(Properfy', Value, ) creates a new CODE or raises the

% existing singleton* Starting from the left, property value pairs are

% applied to the GUI before CODE _OpeningFcn gets called An

% unrecognized property name or invalid value makes property application

% stop All inputs are passed to CODE _OpeningFcn via varargin

%

% *See GUI Options on GUIDE's Tools menu Choose "GUI allows only one

% instance to run (singleton)”

%

% See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES

% Edit the above text to modify the response to help CODE

% Last Modified by GUIDE v2.5 12-Oct-2023 11:24:50

% Begin initialization code - DO NOT EDIT

gui Singleton = 1;

gui State =struct(‘gui Name', mfilename,

'øui Singleton’, gui_ Singleton,

‘gut OpeningFen', @CODE OpeningFcn,

‘gut OutputFen', @CODE OutputFcn,

'øui LayoutFcn, [],

'øui Callback’, []);

if nargin && ischar(varargin{ 1})

gui State.gui_ Callback = str2func(varargin {1});

end

21

% End initialization code - DO NOT EDIT

% - Executes just before CODE is made visible

function CODE_OpeningF cn(hObject, eventdata, handles, varargin)

% This function has no output args, see OutputFcn

% hObject handle to figure

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles — structure with handles and user data (see GUIDATA)

% varargin command line arguments to CODE (see VARARGIN)

% Choose default command line output for CODE

% - Outputs from this function are returned to the command line function varargout = CODE _OutputFen(hObject, eventdata, handles)

% varargout cell array for returning output args (see VARARGOUT);

% hObject handle to figure

% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB

% handles — structure with handles and user data (see GUIDATA)

% Get default command line output from handles structure

varargout {1} = handles output;

% - Executes on slider movement

function slider! Callback(hObject, eventdata, handles)

set(handles.edit3,'string' num? str(theta3));

theta4=get(handles.slider4,'value’);

set(handles.edit4,'string' num? str(theta4));

set_param([ModelName '/Slider Gain'],'Gain',num? str(theta1)); set_param([ModelName '/Slider Gain 1'],'Gain',num2str(theta2)); set_param([ModelName '/Slider Gain2'],'Gain',num2str(theta3)); set_param([ModelName '/Slider Gain3'],'Gain',num2str(theta4));

theta3=get(handles.slider3,'value’);

set(handles.edit3,'string' num? str(theta3));

theta4=get(handles.slider4,'value’);

set(handles.edit4,'string' num? str(theta4));

set_param([ModelName '/Slider Gain'],'Gain',num? str(theta1)); set_param([ModelName '/Slider Gain 1'],'Gain',num2str(theta2)); set_param([ModelName '/Slider Gain2'],'Gain',num2str(theta3)); set_param([ModelName '/Slider Gain3'],'Gain' num 2str(theta4));

set(handles edit 1,'string' num? str(theta1));

set(handles.edit4,'string' num? str(theta4));

set_param([ModelName '/Slider Gain'],'Gain',num? str(theta1)); set_param([ModelName '/Slider Gain 1'],'Gain',num2str(theta2 )); 2 set_param([ModelName '/Slider Gain2'],'Gain',num2str(theta3)); 2

set_param([ModelName '/Slider Gain3'],'Gain' num 2str(theta4));

T4 = [ cosd(theta4) -sind(theta4) 0 a4*cosd(theta4);

sind(theta4) cosd(theta4) 0 a4*sind(theta4);

set(handles.edit4,'string' num? str(theta4));

set_param([ModelName '/Slider Gain'],'Gain',num? str(theta1)); set_param([ModelName '/Slider Gain 1'],'Gain',num2str(theta2)); set_param([ModelName '/Slider Gain2'],'Gain',num2str(theta3)); set_param([ModelName '/Slider Gain3'],'Gain' num 2str(theta4));

T4 = [ cosd(theta4) -sind(theta4) 0 a4*cosd(theta4);

sind(theta4) cosd(theta4) 0 a4*sind(theta4);