nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình robot 6 bậc tự do

robot 6 bậc tự do

Tổng quan

Robot công nghiệp

Theo tiêu chuẩn ISO 8373 robot công nghiệp được xác định như sau:

Robot là một thiết bị đa năng, có khả năng lập trình và tự động điều khiển với ít nhất ba trục Chúng có thể được lắp đặt cố định hoặc di động, phục vụ cho nhiều ứng dụng trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp.

Có thể lập trình các chuyển động và chức năng phụ mà không cần thay đổi cấu hình phần cứng, mang lại sự linh hoạt cho người dùng Hệ thống đa mục đích cho phép thích nghi với nhiều ứng dụng khác nhau khi cấu hình vật lý được điều chỉnh.

Thay đổi cấu hình phần cứng: Thay đổi cấu trúc cơ khí hoặc hệ thống điều khiển mà không kể đến việc thay đổi chương trình, ROM,

Trục: chỉ ra di chuyển của robot ở chế độ tịnh tiến hoặc quay.

Đặc điểm

Làm tăng năng suất, an toàn, hiệu suất, chất lượng và tính đồng nhất của sản phẩm

Có thể làm việc trong môi trường nguy hiểm mà không cần trợ giúp bên ngoài

Không cần môi trường làm việc tiện nghi

Có thể làm việc liên tục mà không làm hư hỏng sản phẩm

Lặp lại chính xác trong toàn bộ thời gian làm việc

Có thể thực hiện công việc chính xác hơn con người

Thay thế người công nhân tạo ra năng suất và hiệu quả kinh tế

Có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ trong cùng một lúc

Không có khả năng đáp ứng các trường hợp khẩn cấp

Hiện nay, các hệ thống cảm biến đã được nghiên cứu và cải tiến đáng kể, mang lại hiệu quả cao Tuy nhiên, robot vẫn còn gặp hạn chế về số bậc tự do, khả năng khéo léo, hệ thống cảm biến, hệ thống thị giác và khả năng đáp ứng thời gian thực.

Một trong những nhược điểm lớn nhất của robot là chi phí cao, bao gồm giá trang thiết bị, chi phí lắp đặt, yêu cầu các thiết bị ngoại vi, cũng như chi phí cho huấn luyện và lập trình.

Ứng dụng của cánh tay robot

Cánh tay robot ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất và chế tạo, hoạt động tương tự như cánh tay con người Thiết bị này có các khớp có khả năng di chuyển dọc theo trục hoặc xoay theo nhiều hướng Nhiều cánh tay robot được thiết kế và lập trình để bắt chước chính xác các chuyển động của cánh tay người, mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng công nghiệp.

Cánh tay robot đã chứng minh được những ứng dụng vượt trội trong nhiều lĩnh vực, bao gồm tự động hóa công nghiệp với lắp ráp và lắp đặt linh kiện, cơ khí thông qua hàn tự động và gá đặt phôi, cũng như trong ngành hóa thực phẩm với việc phân loại và đóng gói sản phẩm.

Sự xuất hiện của cánh tay robot đã tối ưu hóa quy trình vận hành và kiểm soát hoạt động sản xuất, giảm thiểu lỗi do con người gây ra và tiết kiệm chi phí lao động Những cánh tay robot này không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm thông qua cắt chính xác, hàn chắc chắn và khoan lỗ chính xác, mà còn cho phép lập trình viên điều chỉnh để đạt được hiệu suất tối ưu Nhờ đó, chất lượng sản phẩm được cải thiện theo thời gian, đồng thời gia tăng tính toàn vẹn của thương hiệu.

Cánh tay robot hoạt động nhanh chóng và tiết kiệm thời gian, với mỗi chuyển động được thực hiện một cách chính xác và trơn tru, không có động tác thừa Trong sản xuất, việc tối ưu hóa thời gian đến từng phần trăm giây là rất quan trọng.

Robot hoạt động liên tục 24/7, giúp duy trì tiến độ sản xuất và quy trình vận hành ổn định Nhiều nhà máy đang đầu tư vào cánh tay robot để giảm chi phí thuê nhân lực và quản lý lao động Đặc biệt, trong những môi trường làm việc độc hại và nguy hiểm, robot trở thành giải pháp thay thế lý tưởng cho con người.

Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp robot, nghiên cứu và thiết kế cánh tay robot 6 bậc tự do trở nên cần thiết Điều này không chỉ thúc đẩy ngành công nghiệp robot trong nước mà còn giúp chuyển đổi cơ cấu sản xuất từ mô hình "con người và máy móc" sang một hệ thống tự động hóa hiệu quả hơn.

Con người, robot và máy móc đóng vai trò quan trọng trong việc giảm bớt những công việc nguy hiểm và nặng nhọc, đồng thời giúp ngăn ngừa tai nạn lao động Chương này đã trình bày tổng quan về robot công nghiệp, chỉ ra những ưu và nhược điểm của cánh tay robot, cũng như các ứng dụng thực tế của nó trong sản xuất và các lĩnh vực khác.

Tính toán, thiết kế cánh tay robot 6 bậc tự do

Động học robot

Bài toán động học thuận liên quan đến việc xác định vị trí và hướng của cơ cấu chấp hành cuối hay tay gắp dựa trên các giá trị biến khớp đã biết Để thực hiện tính toán này, cần phải nắm rõ các tham số trong bảng Denavit-Hartenberg (D-H) Việc xác định các thông số D-H yêu cầu xây dựng sơ đồ robot chính xác.

Trên cơ sở đó nhóm nghiên cứu đã xây dựng được mô hình robot như sau:

Bộ thông số Denavit-Hartaberg lần lượt được xác định dựa trên cách sau: Độ dài pháp tuyến chung: a n

Hình 2.1 Sơ đồ thiết kế cánh tay robot 6 bậc tự do

Góc giữa với các trục vuông góc với an: α θ là các góc xoay của các khớp thứ i của robot di là khoảng cách của dời theo trục z đến zi+1

Từ đó ta có bảng thông số D-H:

Hình 2.3 Sơ đồ các khoảng cách theo bộ thông số D-H Hình 2.2 Sơ đồ khoảng cách an theo bộ thông số D-H

Dựa trên các hệ tọa độ đã được xác định cho tất cả các khâu liên kết của robot, chúng ta có thể thiết lập các mối quan hệ tọa độ nối tiếp nhau bằng cách sử dụng các phép quay và tịnh tiến giữa các khâu (n-1) và (n).

Quay quanh zn-1 một góc θ

Tịnh tiến dọc theo xn một đoạn an

Tịnh tiến dọc theo zn một khoảng dn

Quay quanh xn một góc xoắn α

Ma trận tổng quát được xác định có dạng đặc trưng như sau:

An cos θ −sin θcos α sin θsin α acos θ sin θ cos θcos α −cos θsin α asin θ

Thay bộ thông số của bảng D-H và ta được các ma trận thành phần An như sau:

Cuối cùng, ma trận chuyển vị từ hệ trục thứ 1 đến hệ trục thứ 6 là:

2.1.2 Bài toán động học nghịch

Ngược lại với bài toán động học thuận, bài toán động học nghịch tập trung vào việc xác định các biến góc dựa trên vị trí cuối cùng của cánh tay robot Động học nghịch thường phức tạp hơn và không có phương pháp giải cụ thể như động học thuận Trong bài viết này, nhóm nghiên cứu sẽ trình bày động học nghịch của robot thông qua phương pháp sơ đồ.

Theo tọa độ Decart, có 8 trường hợp cho cánh tay di chuyển chính xác trong không gian, trong đó có 4 vị trí di chuyển kết hợp giữa các khớp Những vị trí chung đầu tiên là sự kết hợp giữa các góc theta1, theta2, theta3 và các hậu tố tương ứng.

Các khớp có góc theta4, theta5, theta6 được phân loại thành hai loại định hướng là “flip” và “no flip”, tùy thuộc vào sự chuyển động của cánh tay tại một vị trí cụ thể.

Suy ra ta có các trường hợp đó được trình bày như sau: θ = −θ θ = θ + 180 ∘ (∗) θ = θ + 180 ∘ Phương trình động học thuận của robot 6 khâu như sau:

Hình 2.4 Sơ đồ giải bài toán động học nghịch

Sử dụng phương pháp nghịch đảo ma trận ta có: c s 0 0

Với giá trị T từ giải bài toán động học thuận ta có:

Từ ma trận trên ta có:

Sử dụng pp thế ta có: p = ρcos ϕ p = ρsin ϕ ρ = p + p ϕ = Atan 2 p , p

Ta có góc theta1 như sau: θ = Atan 2 p , p − Atan 2 d , ± p + p − d

Cân bằng các phần tử tại T(1,4) và T(3,4) ta có: c p + s p = a c − d s + a c

Tương tự ta tiếp tục có:

Cân bằng tại hai vị trí (1,4) và (2,4) ta có: c c p + s c p − s p − a c = a

Từ đó tính được góc θ : θ = θ − θ Cân bằng ma trận tại vị trí (1,3) và (3,3) ta có: r c c + r s c − r s = −c s

Trong bài viết này, chúng ta xem xét mối quan hệ giữa các biến số trong phương trình r s + r c = s s Khi s5 khác 0, góc θ được tính bằng công thức θ = Atan 2(−r s + r c , −r c c − r s c + r s) Đối với góc khớp θ5, chúng ta có cos θ5 = T (3,3) và sử dụng phương trình này để xác định θ5 thông qua hàm atan2 Khớp θ5 được định nghĩa là θ = atan 2 1 − T (3,3) , T (3,3).

Tương tự với góc θ : sin θ sin θ

Kết hợp với điều kiện (*) sử dụng cấu trúc điều kiện ta xác định chính xác được góc khớp như mong muốn

Bài toán xác định không gian làm việc giúp xác định vùng hoạt động của robot Sau khi có đầy đủ giới hạn các góc xoay của từng khớp, việc tính toán không gian làm việc được thực hiện thông qua các phép quay từ phương trình động học thuận Quá trình này được triển khai trên phần mềm MATLAB.

Qua quá trình mô phỏng trên MATLAB, việc lưu lại các điểm mà robot có thể di chuyển cho thấy không gian hoạt động của cánh tay robot có hình dạng giống như một hình cầu.

Hình 2.5 Không gian làm 2D Hình 2.6 Không gian làm việc 3D

Động lực học

Tính toán ma trận Jacobi cho tay máy là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, với vai trò thiết yếu trong cả phân tích và điều khiển robot Ma trận Jacobi không chỉ giúp tối ưu hóa các thao tác của robot mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động trong các ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu.

Ma trận Jacobi được viết dưới dạng tổng quát với robot n khớp như sau:

(2-8 ) Viết dưới dạng khai triển ta được:

Vi phân các phương trình Px: Py: Pz ở bài toán động học thuận lần lượt theo các biến θ (i = 1: 2: 3: 4: 5: 6) ta được các phần tử ở ma trận Jacobi như sau:

3 dòng dưới của ma trận Jacobi được xây dựng bằng cách xếp các ma trận

Z i (i = 1: 2: 3: 4: 5) là các ma trận được trích ra từ cột thứ 3 của ma trận chuyển vị của khớp n so với khớp thứ nhất ta được ma trận J

Xếp các hàng trên lại ta được ma trận Jacobi hoàn chỉnh

2.2.2 Động lực Đầu tiên chúng ta tính động năng và thế năng của tay máy và sau đó sử dụng phương trình Lagrange của chuyển động Phương trình Lagrange dựa vào phép tính vi phân của các thành phần năng lượng với các biến thay đổi của hệ thống và thời gian

Phương trình chuyền động Lagrange dành cho hệ thống bảo toàn được đưa ra như sau:

Vector q là hệ trục tổng quát với các thành phần là q, trong khi vector 𝜏 đại diện cho lực tổng quát với các lực thành phần là 𝜏 Hàm Lagrange được định nghĩa là hiệu số giữa động năng và thế năng.

Trong công thức 𝐿 = 𝐾 − 𝑃, q là vector biến khớp bao gồm các góc khớp 𝜃 (tính theo độ hoặc radian) và độ dịch chuyển của khớp d (m) Vector 𝜏 chứa các thành phần n (Nm) tương ứng với góc khớp, trong khi f là lực (N) tương ứng với độ dịch chuyển của khớp.

Phương trình Lagranger được hình thành từ việc xác định phương trình vị trí của các khớp Từ phương trình vị trí này, chúng ta có thể xác định các thành phần thế năng và động năng Phương trình vị trí của các khớp được thể hiện như sau:

Bằng cách đạo hàm theo các biến theta từ vị trí của các khâu, ta có thể xác định vận tốc của từng khâu Từ vận tốc này, chúng ta có thể tính toán động năng K của mỗi khâu.

Thế năng của các khâu:

Cuối cùng ta tìm được momen xoắn của từng khâu T.

Tính toán thiết kế cánh tay robot 6 bậc tự do

Việc thiết kế mô hình cánh tay robot là một quá trình phức tạp với nhiều phương án khác nhau, nhưng không phải phương án nào cũng đạt tiêu chuẩn tối ưu Hiện nay, sự phát triển của phần mềm CAD đã giúp đơn giản hóa quy trình thiết kế Các nhà thiết kế có thể tạo ra mô hình trên phần mềm CAD và thông qua sự đóng góp của các bên liên quan, cuối cùng lựa chọn được mô hình tối ưu nhất.

Có thể sử dụng tay gắp hay giác hút khối lượng từ 1,5 – 2,5 kg

Sử dụng gắp linh kiện điện tử hay lắp ráp mạch

Tải trọng tối đa chịu đựng 0.5-0.9 kg

`Thực hiện vẽ mô hình trên phần mềm siemens NX 1953 sau đó gán vật liệu cho từng bộ phận của khâu, từ đó xác định được các thông số:

Khoảng cách từ tâm quay đến trọng tâm: 20,03 mm

Momen tối thiểu để khâu có thể quay quanh Z

M = P.d = 8,7.10.20,03.10 -3 = 1,74 (N.m) Động cơ: HF-KP23B (có phanh)

Bảng 2.2 Thông số động cơ khớp 6

Mã HF-KP23B Có phanh Đường kính trục 14 mm

Tổng chiều dài trục 30 mm Đường kính lỗ khoan M5 mm

Giảm tốc: CSF-14-30-2UH-SP_A_8_M3

Bảng 2.1 Thông số giảm tốc khớp 1

Mô-men xoắn định mức L10 19 N.m

Giới hạn cho mô-men xoắn trung bình 35 N.m

Giới hạn cho mô-men xoắn cực đại lặp lại 45 N.m

Giới hạn cho Mô men xoắn đỉnh nhất thời 50 N.m

Bắt đầu mô-men xoắn 8 Ncm

Tốc độ đầu vào 3500 Vòng/phút Độ chín xác tiêu chuẩn 1 arc min

Momen tối thiểu để khâu có thể quay quanh X:

M = P.d = 13,9.10.240,124.10 -3 = 33,37 (N.m) Động cơ: HF-KP23B (Bảng 2.2 Thông số động cơ khớp 6)

Sử dụng giảm tốc: Trục vít bánh vít SR31/50

Bảng 2.3 Thông tin bộ truyền

Mômen xoắn tối đa 15.3 Nm

Mô-men xoắn dừng khẩn cấp 10.1 Nm

Tốc độ đầu vào max 3000 Vòng / phút

2.3.4 Khâu 4 kết hợp với khâu 5 và 6

Khoảng cách từ tâm quay đến trọng tâm: 205,26232406mm

Momen tối thiểu để khâu có thể quay quanh Z:

Hình 2.8 Bộ truyền trục vít bánh vít

Sử dụng giảm tốc mã: CSF-25-50-2UH-SP_B2_14_5_M4

Bảng 2.4 Thông tin hộp giảm tốc khớp 4

Bắt đầu mô-men xoắn 15 N.cm

Tốc độ đầu vào 3500 vòng/phút Độ chín xác tiêu chuẩn 1 arc min

2.3.5 Khâu 3 kết hợp với khâu 4, 5, 6

Momen tối thiểu để khâu có thể quay quanh Z:

Sử dụng giảm tốc mã: CSF-25-50-2UH-SP_B2_14_5_M4

Bắt đầu mô-men xoắn 15 N.cm

Tốc độ đầu vào 3500 vòng / phút Độ chín xác tiêu chuẩn 1 arc min

2.3.6 Khâu 2 kết hợp với khâu 3, 4, 5, 6

Khoảng cách từ tâm quay đến trọng tâm: 320,87385829 mm Momen tối thiểu để khâu có thể quay quanh Z:

Bảng 2.6 Thông tin động cơ khâu 2

Model HF-KP43B Có phanh Đường kính trục 14 mm

Tổng chiều dài trục 30 mm Đường kính lỗ khoan M5 mm

Sử dụng giảm tốc mã: CSF-32-50-2UH-SP_C_14_M5

Bảng 2.7 Thông tin hộp giảm tốc khâu 2

Mô-men xoắn định mức L10 76 Nm

Giới hạn cho mô-men xoắn trung bình 108 Nm

Giới hạn cho mô-men xoắn cực đại lặp lại 216 Nm

Giới hạn cho Mô men xoắn đỉnh nhất thời 382 Nm

Mô-men xoắn ngược 18 Nm

Tốc độ đầu vào 3500 Vòng/phút Độ chín xác tiêu chuẩn 1 arc min

2.3.7 Khâu 1 kết hợp với khâu 2, 3, 4, 5, 6

Khối lượng chân đế: 32Kg Động cơ: HF-KP43B(Bảng 2.6

Thông tin động cơ khâu 2)

Sử dụng giảm tốc mã: CSF-40-160-

2UH-SP_C_14_M5 có thông số kỹ thuật:

Giới hạn cho Mô men xoắn đỉnh nhất thời 1.180 N.m

Tốc độ đầu vào 3.000 vòng/phút Độ chín xác tiêu chuẩn 1 arc min

Mô phỏng một số chuyển động

Sử dụng solidworks motion để mô phỏng chuyển động của cánh tay robot

Mô hình mô phỏng được phát triển từ giai đoạn thiết kế, kết hợp các ràng buộc để thể hiện các khớp quay của robot Động cơ giả lập được khai báo cho từng khớp, và các quỹ đạo chuyển động được vẽ ra để gán vận tốc cho robot Qua đó, momen xoắn của động cơ được xác định.

2.4.1 Quỹ đạo chuyển động là đường thẳng trong không gian Đối với trường hợp này vì quỹ đạo di chuyển là đường thẳng nên tiến hành khai báo động cơ cho khớp 2 và khớp 5 các khớp khác gần như không chuyển động Gán vận tốc ở điểm cuối cùng của khâu 6 đạt 120 mm/s Thực hiện mô phỏng ta có kết quả sau

Momen xoắn lớn nhất đạt 21 N.mm, trong khi momen xoắn nhỏ nhất là 0 N.mm Khi momen xoắn bằng 0 N.mm, khớp 2 không quay, chỉ có khớp 5 thực hiện chuyển động quay.

Hình 2.14 Kết quả momen khớp 2 Hình 2.13 Mô phỏng với phần mềm solidworks

Momen xoắn lớn nhất đạt 250 N.mm, trong khi momen xoắn nhỏ nhất là 0 N.mm Khi momen xoắn bằng 0 N.mm, khớp 5 không quay, chỉ có khớp 2 thực hiện chuyển động quay.

2.4.2 Quỹ đạo chuyển động là đường cong trong không gian

Vẽ quỹ đạo cong trong không gian và thiết lập ràng buộc cho điểm cuối của khâu 6 di chuyển theo quỹ đạo đã định Gán vận tốc di chuyển điểm cuối là 120 mm/s và khai báo động cơ servo cho các khớp Đối với biên dạng này, động cơ được gán cho các khớp ở vị trí tương ứng.

1, 4 và 5 Tiến hành mô phỏng ta có kết quả sau:

Hình 2.15 Kết quả momen khớp 5

Hình 2.16 Mô phỏng quỹ đạo cong

Momen xoắn lớn nhất sinh ra bằng 0,34 N.mm, momen xoắn nhỏ nhất sinh ra đạt 0,16 N.mm

Momen xoắn lớn nhất sinh ra đạt 26 N.mm, momen xoắn nhỏ nhất sinh ra đạt 0 N.mm

Hình 2.18 Đồ thị momen xoắn khớp 4

Hình 2.19 Đồ thị momen xoắn khớp 5 Hình 2.17 Đồ thị momen xoắn khớp 1

Momen xoắn lớn nhất sinh ra đạt 50 N.mm, momen xoắn nhỏ nhất là 0 N.mm

Kết luận chương 2, động học robot là vấn đề quan trọng cần được xem xét trước khi thiết kế và tính toán robot Việc tính toán động học giúp giải quyết các vấn đề liên quan đến vị trí, vận tốc và quỹ đạo chuyển động của robot Động học, bao gồm động học thuận và động học nghịch, là yếu tố then chốt để kiểm soát quỹ đạo của robot Việc xác định cả hai loại động học ngay từ đầu là cần thiết để tiến hành tính toán động lực học và không gian làm việc của robot.

Để thiết kế cánh tay robot, chúng ta cần thực hiện tính toán ngược từ khâu cuối đến khâu đầu Quá trình này giúp lựa chọn động cơ, hộp giảm tốc và các bộ truyền khác, đảm bảo đáp ứng yêu cầu làm việc của cánh tay robot.

Điều khiển robot 6 bậc tự do

Xây dựng sơ đồ khối simulink

Simulink là phần mềm mở rộng của MATLAB, được thiết kế để mô hình hóa, mô phỏng và khảo sát các hệ thống động học Phần mềm này hỗ trợ xây dựng mô hình và mô phỏng cánh tay robot thông qua các khối chức năng có sẵn hoặc cho phép người dùng tạo ra các khối chức năng riêng biệt.

Sau khi nghiên cứu và tham khảo các nguồn tài liệu, nhóm đã tự tạo ra toàn bộ các khối cần thiết cho việc mô phỏng cánh tay robot, bao gồm ba vùng làm việc chính: tín hiệu đầu vào, hệ thống xử lý robot và tín hiệu đầu ra.

Hình 3.1 Sơ đồ khối trong simulink 3.1.1 Khối tín hiệu đầu vào

Chức năng của robot cho phép người dùng điều chỉnh các tham số theo mong muốn, giúp robot hoạt động đúng như ý muốn Khối tín hiệu đầu vào bao gồm ba phần chính.

Bảng 3.1 Ý nghĩa các khối tín hiệu đầu vào

Tạo ra biến thời gian

Khối Subsystem trong mô hình Simulink cho phép tạo ra hệ thống con, giúp thu gọn các giá trị cần thiết Khối này chứa toàn bộ dữ liệu đầu vào mà người dùng mong muốn, từ đó tối ưu hóa quá trình mô phỏng.

Sử dụng khối Fcn, bạn có thể khai báo một hàm biến dưới dạng biểu thức lập trình Trong trường hợp này, biến đầu vào là ma trận G và biến thời gian t, qua đó các chương trình quỹ đạo chuyển động đã được tính toán để tạo ra các giá trị x, y, z theo thời gian.

3.1.2 Khối hệ thống điều khiển robot

Hệ thống điều khiển robot có chức năng xử lý các tín hiệu đầu vào mà người dùng đã khai báo, nhằm đảm bảo robot hoạt động hiệu quả Khối hệ thống này bao gồm ba phần chính, tạo thành một cấu trúc hoàn chỉnh cho việc điều khiển robot.

Bảng 3.2 Ý nghĩa các khối hệ thống robot

Khối động học nghịch nhận trực tiếp các giá trị vị trí từ khối đầu vào và tính toán các giá trị góc theta Điều này giúp robot điều chỉnh để đạt được vị trí mà người dùng mong muốn.

Khối robot là phần quan trọng nhất chứ toàn bộ dữ liệu của robot như chiều dài , khối lượng, các chi tiết của robot,…

Khối động học thuận kiểm tra tính chính xác của thông tin người dùng nhập vào dựa trên các tính toán lý thuyết Trong quá trình xây dựng robot, nhóm đã sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế và gán vật liệu cho các thành phần cấu tạo Sau đó, nhóm áp dụng Simscape Multibody 6.1 của MATLAB để xuất các file từ SolidWorks Cuối cùng, nhóm sử dụng smimport trong MATLAB để tạo ra các thành phần của robot.

Hình 3.2 Sơ đồ khối robot trong Simulink Bảng 3.3 Ý nghĩa các khối trong robot

Khối này có chức năng gán giá trị và hướng của gia tốc trọng trường

Khối rootgroud để tạo góc tọa độ cho robot

Tạo ra khớp chuyển động giữa 2 khâu của robot B: base

F: follow Đại diện cho các thành phần 3D của robot (các khâu)

3.1.3 Khối tín hiệu đầu ra

Chức năng của hệ thống là hiển thị các giá trị trên màn hình, cho phép người dùng theo dõi hiệu suất hoạt động của robot Đồng thời, người dùng cũng có thể so sánh sai số giữa kết quả thực tế mà robot đạt được và các tính toán lý thuyết.

Bảng 3.4 Ý nghĩa các khối tín hiệu đầu ra

Khối body sensor giúp cảm biến nhận ra vị trí mà robot thực tế đang hoạt động

Khối XY graph tiếp nhận các thông tin từ hệ thống xử lý robot để xuất ra màn hình giúp người dùng có thể xem được trên màn hình.

Xây dựng giao diện điều khiển cho robot

Để cải thiện trải nghiệm sử dụng và điều chỉnh Simulink, việc tạo ra một giao diện đồ họa (GUI) sẽ giúp tối ưu hóa việc trao đổi thông tin giữa người dùng và MATLAB.

3.2.1 Giao diện màn hình chính Đây là màn hình đầu tiên khi ta mở phần mềm ở đây có 1 text và 5 nút mà ta có thể tác động vào đó là điều khiển thủ công , điều khiển tự động ,thuật toán dò đường và thoát Mỗi nút sẽ đưa ra một kết quả màn hình mới đúng với ý nghĩa tên của các nút

Giao diên này là cầu nối giữa các giao diện với nhau, giúp người dùng có thể lựa chọn được các chức năng sử dụng

Hướng dẫn sử dụng giao diện:

 Sử dụng matlab mở folder chứa toàn bộ các tệp

Nếu nhấn nút điều khiển thủ công thì sẽ ra giao diện tay cầm robot

Nhấn vào nút điều khiển tự động thì sẽ giao diện điều khiển tự động Nhấn vào nút thuật toán dò đường thì sẽ giao diện RRT

Khi ta nhấn vào nút thoát thì sẽ xuất hiện ra một hộp thoại cảnh báo để ta sẽ cân nhắc tới việc có muốn thoát ra không

Hình 3.4 Giao diện khi thoát

3.2.2 Giao diện điều khiển thủ công (điều khiển bằng tay)

Giao diện thủ công cho phép người dùng điều chỉnh robot một cách linh hoạt, giúp lựa chọn các vị trí mà robot có thể di chuyển và kiểm tra khả năng thực hiện quỹ đạo trước khi lập trình tự động Giao diện này cũng hỗ trợ lưu lại các vị trí đã đi qua Khi nhấn nút điều khiển thủ công trên giao diện chính, màn hình sẽ hiển thị như hình dưới đây Thiết kế tay cầm được lấy cảm hứng từ tay cầm của robot Nachi MC-2001, bao gồm hầu hết các nút điều khiển cần thiết để vận hành robot.

Bảng 3.5 Các bước thực hiện với giao diện thủ công

Là phím bắt đầu để ta có thể hiện thị và thực hiện các chức năng khác

Có chắc năng giúp ta biết được vị trí của robot hiện tại đã ở vị trí nào theo hệ tọa độ robot và hệ tọa độ khớp

Hình 3.5 Giao diện tay cầm

Bao gồm 12 nút chia với 2 nút điều khiển một khớp robot theo hai chiều âm và dương

Gồm 3 nút radio button điều khiển khả năng nhanh hay chậm của robot thông qua Panel phím điều khiển

5 Nút Record Có chức năng lưu lại tọa độ vị trí của robot vào table bên dưới

6 Table Khi nhấn nút record thì bảng sẽ hiện thông tin vị trí x,y,z mà ta đã lưu

7 Nút trở lại Có chức năng quay lại về màn hình giao diện chính 3.2.3 Giao diện điều khiển tự động

Giao diện này cho phép người dùng nạp chương trình để robot thực hiện theo yêu cầu, đồng thời điều chỉnh các giá trị của bài toán Ngoài ra, giao diện hỗ trợ người dùng theo dõi quỹ đạo tọa độ mà robot di chuyển và cung cấp thông tin về kết quả chuyển động Khi nhấn nút điều khiển tự động trên giao diện chính, màn hình sẽ hiển thị các thông tin cần thiết như hình dưới đây.

Hình 3.6 Giao diện điều khiển tự động

Bảng 3.6 Các bước thực hiện với giao diện tự động

Chúng tôi đã phát triển ba chế độ lập trình cho robot, bao gồm chạy đường thẳng, chạy tam giác và chạy đường tròn, giúp robot hoạt động tự động mà không cần can thiệp vào hình dạng quỹ đạo.

Có thể thay đổi vị trí tọa độ các điểm hoặc giữ nguyên theo mặc định của chương trình mà không cần điều chỉnh bất kỳ giá trị nào.

Giúp người dùng có thể hiệu chỉnh các tham số theo yêu cầu như vị trí , thời gian dịch chuyển, bán kính ,…

4 Nút chạy Sau khi có hết các thông số thì nhấn nút chạy sẽ tác động các bộ xử lý để robot làm theo đúng yêu cầu

5 Axes1 Hiện thị ra hình dạng , vị trí mà robot đã thực hiện được lên màn hình

Chương trình thiết kế chỉ cho phép thực hiện một chương trình tại một thời điểm, vì vậy sau khi hoàn thành chương trình, người dùng cần nhấn nút dừng để máy nhận biết kết thúc hoạt động.

7 Nút kết quả Xem kết quả chuyển động của các khớp, vận tốc gia tốc của các khớp khi thực hiện quỹ đạo

8 Nút trở lại Có chức năng quay lại về màn hình giao diện chính

3.2.4 Giao diên thuật toán dò đường RRT*

Giao diện RRT* cho phép người dùng tùy chỉnh không gian làm việc, xác định điểm đầu, điểm đích và các chướng ngại vật, từ đó tìm ra quỹ đạo di chuyển Khi nhấn vào nút thuật toán dò đường RRT* trên giao diện chính, màn hình sẽ hiển thị kết quả như hình dưới đây.

Bảng 3.7 Các bước thực hiện với giao diện RRT*

Tạo ra không gian làm việc tối đa mà vật có thể di chuyển Trong đó chứ toàn bộ các vật trong không gian

Panel điểm đầu và điểm cuối

Có chức nặng tạo ra tọa độ vị trí điểm đầu và tọa độ điểm đích

Tạo vật cản trong không gian làm việc bằng cách xác định vị trí điểm đầu tiên, sau đó tính độ dài từ điểm đó theo chiều dương của hệ tọa độ.

Panel thông số điều chỉnh ở đây là các tham số điều chỉnh để giúp quá trình dò đường được tối ưu nhất

5 Nút chạy Sau khi có đầy đủ các thông tin thì máy tính sẽ tự động sử dụng thuật toán để tìm đương

6 Axes1 Hiện thị ra hình dạng , vị trí quãng đường đã thực hiện được lên màn hình

Thuật toán hiển thị kết quả bao gồm chiều dài quãng đường đã thực hiện và thời gian mà nó đã sử dụng để hoàn thành.

Tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động robot

Sử dụng thuật toán RRT

Cây (Tree) được sử dụng để xác định vị trí trong không gian bằng cách tạo ngẫu nhiên các điểm trên bản đồ Quá trình này bắt đầu từ việc tìm kiếm một điểm đích, sau đó nội suy ngược để xác định vị trí ban đầu Kết quả là hình thành một quỹ đạo chuyển động từ điểm khởi đầu đến điểm kết thúc.

Cho bài toán tối ưu như sau: Ta có không gian làm việc xmax = 150: ymax

0: zmax 0.Giả sử không gian làm việc này robot có thể hoạt động ở mọi vị trí trong không gian.Vị trí ban đầu có tọa độ 0x0x0, vị trí đích có tọa độ

110x110x50 Vật cản có vị trí 50x90x10 có độ dài dxP,dyP,dz` Động cơ sử dụng trong robot là HF-KN23B

Chọn ngẫu nhiên một điểm trên bản đồ với điều kiện không được nằm trong vùng vật cản

Kẻ một đường thẳng từ điểm đã tạo từ bước một đến nút cha với điều kiện đường thẳng không được đi qua vật cản

Tạo ra nút con bằng các lấy 1 điểm thuộc đường thẳng ở bước 2 cách nút cha một khoảng cho trước

Lắp đi lặp lại 3 bước đầu cho đến khi xác định điểm đích

Sau khi xác định điểm đích, thuật toán sẽ thực hiện nội suy ngược từ điểm này về điểm đầu theo đường dẫn đã tìm thấy Đối với thuật toán RRT*, trong bước này, từ điểm con cuối cùng, một đường tròn với bán kính R được vẽ ra Các nút cha trước đó sẽ được xem xét, và nút cha gần nhất với đường tròn sẽ được lựa chọn để tạo ra đường dẫn, trong khi các nút cha khác nằm trong đường tròn sẽ bị loại bỏ, nhằm tối ưu hóa quỹ đạo di chuyển ngắn nhất.

Không gian làm việc: Bản đồ của môi trường được phân chia thành vùng có chướng ngại vật và vùng không có chướng ngại vật

Vị trí bắt đầu: Vị trí bắt đầu của robot trong môi trường của nó

Vị trí đích mục tiêu: Vùng mục tiêu của robot trong môi trường của nó

Số nút: Số nút được tạo ngẫu nhiên thực hiện bởi RRT

Khoảng cách giữa hai nút: Khoảng cách tối đa đối với hai nút cha và con có thể nhận

Riêng với RRT* có thêm bán kính đường tròn cho phép

3.3.4 Chỉ tiêu tối ưu Ở đây thì ta có 2 chỉ tiêu có thể để tối ưu đó là quãng đường di chuyển và thời gian xử lý thuật toán

+Về quãng đường di chuyển: Đây là chỉ tiêu mang ý nghĩa về kinh tế cũng như hạ giá thành sau mỗi lần hoạt động

Thời gian xử lý thuật toán là một chỉ tiêu quan trọng, phản ánh khả năng làm việc của robot và ảnh hưởng đến năng suất Trong báo cáo này, nhóm sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa thời gian xử lý thuật toán để nâng cao hiệu quả làm việc.

3.3.5.1 Giới hạn về động cơ

Từ quỹ hoạch quỹ đạo đường thẳng ta biết được robot chạy quãng đường s0mm trong vòng t= 2s Động cơ HF-KN23B ta có:

 Độ phân giải R là 131072 xung/vòng

 Tốc độ quay trục n là 3000 vòng/phút

 Tốc độ quay tối đa nmax là 5000 vòng/phút

Trường hợp động cơ chạy tốc độ bình thường:

Kích thước độ phân giải:

Trong vi điều khiển , hay PLC tần số lấy mẫu thường là 100ms

Kích thước độ phân giải theo 100ms:

Toàn không gian làm việc:

Giới hạn số nút cần tạo:

Trường hợp động cơ chạy tốc độ tối đa:

Tần số Sử dụng (3-1) ta được: f = 10922667 xung/giây

Một xung chạy được.Sử dụng (3-2) ta được: s1 = 0,0000069 𝑚𝑚

Kích thước độ phân giải.Sử dụng (3-3) ta được:

Trong vi điều khiển , hay PLC tần số lấy mẫu thường là 100ms

Kích thước độ phân giải theo 100ms.Sử dụng (3-4) ta được:

Toàn không gian làm việc.Sử dụng (3-5) ta được:

Vật cản.Sử dụng (3-6) ta được:Nobject R9 nút

Số nút tối thiểu Sử dụng (3-7) ta được:N Min = 166 𝑛ú𝑡

Số nút tối đa Sử dụng (3-8) ta được: NMax = 5792 nút

3.3.5.2 Giới hạn về khoảng cách các nút

3.3.5.3 Giới hạn số nút cần tạo

3.3.5.4 Giới hạn về bán kính đường tròn RRT*

3.3.6 Tạo thí nghiệm Để tạo thí nghiệm ta vào start/DOE/factorial/ create factorial design Type of design: general full factorial design

Bảng 3.8 Tạo thí nghiệm với DOE

StdOrder RunOrder PtType Blocks khoang cach nut so nut ban kinh

Sau khi thiết lập thí nghiệm, chúng ta tiến hành thử nghiệm từng trường hợp theo thứ tự ngẫu nhiên mà Minitab đã sắp xếp Điều này giúp hạn chế ảnh hưởng của các yếu tố khác không được đề cập trong nghiên cứu.

Bảng 3.9 Kết quả thực hiện thí nghiệm

Khoảng cách nút Số nút Bán kính Quãng đường Thời gian

Sau khi sử dụng Minitab để phân tích, chúng ta nhận thấy rằng một số yếu tố như AA, A, AC, AB, và CC có ảnh hưởng không đáng kể Do đó, chúng ta có thể loại bỏ những yếu tố này để đơn giản hóa bài toán và đánh giá chính xác hơn về độ ảnh hưởng của các yếu tố còn lại.

Hình 3.9 Mức độ ảnh hưởng của các yếu tố

Sau khi loại bỏ các yếu tố ảnh hưởng không đáng kể thì ta được hàm hồi quy như sau:

Ta cũng thấy được sự ảnh hưởng của 3 yếu tố khoảng cách nút, số nút, bán kính theo đường bậc 2

Hình 3.10 Đồ thị ảnh hưởng của các yếu tố Tối ưu hóa các yếu tố:

After utilizing DOE, response surface methodology, and response optimization, Minitab has recommended values that allow us to select factor levels for achieving the fastest algorithm processing time.

Hình 3.11 Kết quả tối ưu hóa

Sau khi thiết kế cánh tay robot 6 bậc tự do, bước tiếp theo là phát triển hệ thống điều khiển Các giao diện điều khiển được tạo ra nhằm giúp người dùng vận hành robot một cách đơn giản và hiệu quả Trong chương này, nhóm nghiên cứu không chỉ trình bày các giao diện đã xây dựng mà còn giới thiệu hàm tối ưu hóa thời gian chuyển động của cánh tay robot.

Quy trình công nghệ chế tạo robot 4 bậc tự do

Sơ đồ thiết kế

Sơ đồ thiết kế đóng vai trò quan trọng trong quá trình bắt đầu thiết kế, giúp người thiết kế đề xuất các phương án phù hợp với yêu cầu Hơn nữa, sơ đồ cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc sửa chữa khi phát sinh lỗi.

Sơ đồ được thiết kế ở dạng 4 khâu Thông qua các bộ truyền đai – hộp giảm tốc.

Lựa chọn động cơ

Chọn động cơ AC servo Model: HF-KN23B cho cả 4 khâu của mô hình

Hình 4.1 Sơ đồ thiết kế thực

Bảng 4.1 Thông tin động cơ dùng

Xác định sơ bộ các khâu

Vật liệu chế tạo: thép C45

Gồm một động cơ và thanh 4

Cân nặng tổng của cả khâu là: 1,4 + 1,78 = 3,18 kg

Tên Giá trị Đơn vị

Hình 4.2 Phân tích lực khâu 34

Do động cơ 3 đi qua bộ truyền đai,khớp nối và ổ nên ta có hiệu suất:

Hiệu suất của các bộ truyền và các cặp ổ lăn tra bảng(2.3)-[1]

Hiệu xuất bộ truyền đai  = 0,96

Hiệu xuất một cặp ổ lăn  = 0,99

 Momen tải thực tế là ,

, =0,53 N.mS0 N.mm < 1900 N.mm Động cơ đạt yêu cầu mà không cần sử dụng hộp giảm tốc Sử dụng bộ truyền đai tỷ số 1:1

Gồm 2 động cơ ,thanh đỡ 3, khối lượng tất cả thanh 4 và một số các chi tiết khác

Cân nặng tổng của cả khâu là: 2,5+2.1,4= 5,3 kg

Hình 4.3 Phân tích lực khâu 23 Momen tải là 12780 N.mm Để đảm bảo an toàn thì momen cần đạt là 19170 N.mm

Do động cơ 2 đi qua bánh răng,khớp nối và ổ nên ta có hiệu suất:

Hiệu suất của các bộ truyền và các cặp ổ lăn tra bảng(2.3) [1]

Hiệu xuất một cặp bánh răng  = 0,96

 Momen tải thực tế là

, = 20393 N.mm > 1900 N.mm Động cơ đạt yêu cầu nếu tỉ số truyền của hệ đạt 1/10

 Lựa chọ hộp giảm tốc với tỉ số truyền là 1/10

Gồm 3 động cơ ,hộp giảm tốc, khối lượng tất cả thanh 3, 4 và một số các chi tiết khác

Cân nặng tổng của cả khâu là: 3,7+3.1,4+1,3= 9,2 kg

Momen tải là 3644 N.mm Để đảm bảo an toàn thì momen cần đạt là 5466 N.mm

Do động cơ 1 đi qua hộp giảm tốc ,khớp nối nên ta có hiệu suất:

Hiệu suất của các bộ truyền và các cặp ổ lăn tra bảng(2.3) [1]

Hiệu xuất một cặp bánh răng  = 0,96

 Momen tải thực tế là

, = 6142N.mm > 1900 N.mm Động cơ đạt yêu cầu nếu tỉ số truyền của hệ đạt 1/4

 Lựa chọn hộp giảm tốc với tỉ số truyền là 1/4.

Xác định các bộ truyền

Số răng: tra bảng 4.29 – [1] Lấy Z = 40 răng Do thiết kế tỷ số truyền của bộ truyền đai là 1 nên Z1 = Z2 = 40 răng

Khoản cách trục sơ bộ:

𝑎 = 2.m.(Z1 + Z2) = 2.1,5.(40 + 40) = 240 mm (4-7) Chọn a = 150 mm Đường kính vòng chia: d = m.z = 1,5.40 = 60 mm (4-8)

Kiểm nghiệm đai về lực vòng nghiêng:

Lực tác dụng lên trục:

Lực vòng nghiêng trên đai thỏa mãn điều kiện: q = Ft.Kđ/b + qm.V 2 = ≤ [q] (4-11)

Bảng 4.5 Các hệ số tính q

Khi đó q < [q] Thỏa mãn điều kiện

Các lực tác dụng lên trục:

Lực F của khớp 4 bao gồm khối lượng của khớp và khối lượng của động cơ

Lực tác dụng lên trục của bộ truyền đai Đường kính sơ bộ của trục: d ≥ , [ ] , [ ] = 8,5 (mm) (4-13)

Khoảng cách sơ bộ thiết kế:

Giải hệ phương trình trên ta được:

Mx tại A: MxA = Fr.l = 25,524.50 = 1276,2 (N.mm)

Mx tại B: M xB = (F A – F r ).l = (61,644 – 25,524).20 = 722,4 (N.mm) Momen xoắn Mz = 1900 N.mm Đường kính trục tại vị trí lắp ổ lăn được tính theo vị trí lớn nhất do 2 ổ lăn chọn giống nhau

Hình 4.4 Các thành phần lực tác dụng lên trục đường kính 𝑑 , [ ] = ,

, = 6,9 (mm) Do sử dụng ổ lăn theo tiêu chuẩn mà pully có d = 14mm nên chọn vị trí lắp ổ lăn d = 15 mm Ổ lăn

Có: 𝐹𝑟 > 𝐹𝑟 ⇒ Tính theo vị trí A

Cấp chính xác 0 Độ đảo hướng tâm (𝜇 𝑚)= 20

- X: là hệ số tải trọng hướng tâm: X=1 ,

- V: là hệ số kể đến vòng nào quay (vòng trong quay ) nên V=1

- Kt: là hệ số kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ, trong nhiệt độ làm việc của ổ ta chọn được k t 1vì (nhiệt độ ≤100 0 C ),

-Kđ: hệ số kể đến đặc tính tải trọng,kđ=1

Chọn ổ đỡ cỡ siêu nhẹ

4.4.3 Hộp giảm tốc cho khớp 2

Bảng 4.7 Thông số hộp giảm tốc khớp 2

Trục ra ỉ16, cú rónh then Đầu vào ỉ14

Tốc độ tối đa 10000 Vòng/phút

4.4.4 Hộp giảm tốc cho khớp 3

Bảng 4.8 Thông số hộp giảm tốc khớp 3 model PQ004MS-47.2-S-C2-14X14-

Vận tốc đầu ra 30 vòng/phút

Vận tốc đầu ra tối đa 100 vòng/phút

Thiết kế mạnh điện

Sử dụng PLC dòng Q của misubishi:

Sử dụng PLC dòng Q của Mitsubishi với CPU Q03UDE, kết hợp các IO QX40, QY40P và module điều khiển vị trí QD75P4N, để điều khiển động cơ HF-KN 20B thông qua drive MR-JE 20A.

- Tốc độ xử lý (LD instruction): 0.02μs

- Bộ nhớ chương trình: 120 KB

- Số I/O tối đa có thể mở rộng: 8192

- Cổng truyền thông: RS232, USB,

- Tích hợp nhiều CPU tốc độ cao Hình 4.5 CPU Q03UDE

- Bộ nhớ: SRAM card, Flash card, ATA card

Main Base Unit là thành phần chính được sử dụng để giữ và kết nối các mô-đun, bao gồm mô-đun nguồn, mô-đun đầu vào, mô-đun đầu ra và mô-đun chức năng đặc biệt của CPU.

Các mô-đun được tự động giải quyết

Các thiết bị được gắn bằng vít hoặc trên đường ray định hình với bộ chuyển đổi tích hợp

Mô-đun cung cấp điện áp dụng: Q61P-A1, Q61P-A2, Q63P

Dòng Mitsubishi Q mang đến tính linh hoạt vượt trội với khả năng xử lý đơn và đa, cho phép lắp đặt tối đa bốn CPU trên cùng một bảng nối đa năng Người dùng có thể dễ dàng thay thế CPU PLC bằng CPU điều khiển chuyển động hoặc tích hợp PC trực tiếp vào bảng nối đa năng PLC Q Series đáp ứng tốt các thách thức của quy trình hiện đại, cung cấp “Môi trường giàu tự động” thông qua sự kết hợp giữa công nghệ PLC tiên tiến, Motion và PC, tạo ra một giải pháp liền mạch mà không cần kết nối phức tạp giữa các thành phần.

Số ngõ vào: 16 Điện áp ngõ vào 24VDC Điện áp hoạt động 20.4 – 28.8 VDC Điện áp ON/ Dòng điện ON: >19 VDC/ >3mA Điện áp OFF/ Dòng điện OFF:

Tiêu đề	Nghiên Cứu Thiết Kế Chế Tạo Mô Hình Robot 6 Bậc Tự Do
Tác giả	Nguyễn Văn Thanh, Ngô Văn Học, Đặng Công Hoàng, Trần Đức Độ
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Xuân Chung
Trường học	Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	143
Dung lượng	12,3 MB