ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa

Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 1

Mục Lục
LỜI MỞ ĐẦU 6
Chương 1 : Tổng quan về Robot công nghiệp 7
1. Khái niệm 7
2. Ứng dụng Robot công nghiệp 7
Chương 2 : Thiết kế cơ khí Robot Scara 10
1. Robot Scara trong thực tế 10
2. Mô hình 3d robot 10
3. Cơ cấu truyền động 11
CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN ĐỘNG – ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT SCARA 15
1. Bài toán động học Robot 15
1.1. Xây dựng cấu trúc, thiết lập hệ phương trình động học của robot 15
1.2. Không gian làm việc của robot 20
1.3. Bài toán động học thuận 21
1.4. Bài toán ngược 26
2. Thiết kế quỹ đạo 28
2.1. Các khái niệm về quỹ đạo chuyển động 28
2.2. Thiết kế quỹ đạo bậc 3 trong không gian khớp 29
Ví dụ thiết kế quỹ đạo bậc 3 29
3. Bài toán động lực hoc 36
Chương 4 : Thiết kế bộ điều khiển 46
1. Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển PD 46
2. Thiết kế bộ điều khiển cho Robot RRTR 49
KẾT LUẬN 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa

6
2.2
Robot Scara vẽ trên Solidworks
10
7
2.3
Bánh răng 1
11
8
2.4
Bánh răng 2
11
9
2.5
Bộ tay kẹp
12
10
2.6
Khâu đế
12
11
2.7
Khâu 1
13
12
2.8
Khâu 2
13
13
2.9

20
3.7
Điểm tác động cuối đi từ
AB

23
21
3.8
Đồ thị vận tốc điểm tác động cuối theo trục X
25
22
3.9
Đồ thị vận tốc điểm tác động cuối theo trục Y
25
23
3.10
Đồ thị vận tốc điểm tác động cuối theo trục Z
26
24
3.11
Đồ thị (góc khớp, vận tốc và gia tốc khớp q1,q2,q4 )
31
25
3.12
Đồ thị (góc khớp, vận tốc và gia tốc khớp q3 )
32
26
4.1
Đồ thị x(t), y(t)
32

Khối SCARA
53
35
4.10
Khối actuator
53
36
4.11
Khối Tín hiệu
53
37
4.12
Đồ thi q1,q2,q4
53
38
4.13

Sai số q1,q2,q4
54
39
4.14
Sai số vận tốc q1,q2,q4
54
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa

Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 4

40
4.15
Đồ thị

Sai số
E
X

59
48
4.23
Sai số YE
59
49
4.24
Sai số Ze
60
50
4.25
Đồ thị sai số vận tốc góc q1,q2,q4 với Kd = 10000
61

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa

Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 5

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

STT
Bảng
Tên bảng

Qua đồ án giúp em bước đầu làm quen với việc tính toán robot: Về cấu trúc
động học của robot, cơ sở lý thuyết tính toán, thiết kế, lập trình mô phỏng hoạt
động của robot.
Trong quá trình học môn Đồ án : THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
chúng em còn nhiều thiết sót, mong cô chỉ bảo thêm cho em.
Em chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện
Trần Trọng Đức

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa

Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 7

Chương 1
Tổng quan về Robot công nghiệp
1. Khái niệm
Có nhiều định nghĩa robot cùng tồn tại, chúng ta hãy tham khảo một số định
nghĩa sau:
 Định nghĩa theo hiệp hội robot công nghiệp Nhật Bản:
Định nghĩa này mang tính khái quát nhất của tất cả các định nghĩa được sử
dụng. Nó bao gồm tất cả các thiết bị tay máy và có thể để xem xét khi định nghĩa
một robot sau này.
“Robot là một máy, cơ cấu thường gồm một số phân đoạn được nối với phân
đoạn khác bằng khớp quay hay khớp trượt nhằm mục đích để gắp hay để di chuyển
các đối tượng, thường có một số bậc tự do. Nó có thể được điều khiển bởi một
nguồn kích hoạt, một hệ điều khiển điện tử có thể lập trình được hay một hệ thống
logic nào đó”.


Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 9 Hình 1.3 : Robot Hàn
Ngành gia công và lắp ráp: robot thường được sử dụng vào những việc như
tháo lắp phôi và sản phẩm cho các máy ra công bánh răng, máy khoan.

Hình 1.4 : Robot lắp ráp sản phẩm

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa

Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 10

Chương 2
Thiết kế cơ khí Robot Scara
1. Robot Scara trong thực tế
Robot Scara ( Selectively Compliant Articulated Robot Arm) có nghĩa là có
thế lựa chọn dễ dàng khớp nối tay Robot
Do chuyển động của Robot Scara đơn giản, dễ dàng điều khiển nên nó được
sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp.

Hình 2.1 : Robot Scara
2. Mô hình 3d robot

Hình 2.2 : Robot Scara vẽ trên Solidworks ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa


Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 14 Hình 2.9 : Khâu 3
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa

Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 15

CHƯƠNG 3
TÍNH TOÁN ĐỘNG – ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT SCARA
1. Bài toán động học Robot
1.1. Xây dựng cấu trúc, thiết lập hệ phương trình động học của robot
a. Đặt hệ tọa độ

Hình 3.1 : Tọa đô các trục tọa độ
Theo Denavit – Hartenberg (1955) đã quy ước hệ tọa độ Decard gắn vào mỗi khâu
của một tay máy Robot như sau:
-
Trục 𝑧
𝑖
được chọn dọc theo trục của khớp thứ (i+1).

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

Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 16

- Khớp 2: Tương tự khớp 1 ta có được phép biến đổi R(z,θ
2
), quay quanh trục Z
1

một góc θ
2
.
- Khớp 3: Ta đặt trục Z
2
theo phương và hướng tay kẹp để có được phép biến đổi
T
p
(0,0,d
3
), tịnh tiến dọc trục Z
2
một khoảng d
3
.
- Khớp 4: Tương tự khớp 1 và 2 ta đặt trục Z
3
theo hướng và phương của bàn kẹp
để được phép biến đổi R(z,θ
3
), quay quanh trục Z
3
một góc θ

- 𝑑
𝑖
: dịch chuyển tịnh tiế dọc trục 𝑧
𝑖−1
để gốc tọa độ 𝑂
𝑖−1
chuyể đến 𝑂′
𝑖
là
giao điểm của trục 𝑥
𝑖
và trục 𝑧
𝑖−1

- 𝑎
𝑖
: dịch chuyển dọc trục 𝑥
𝑖
để điểm 𝑂′
𝑖
chuyển đến điểm 𝑂
𝑖

- 𝛼
𝑖
: góc quay quanh trục 𝑥
𝑖
sao cho trục 𝑧′
𝑖−1
(𝑧′



0
a
2



3
0
*
3
d

0
0
4
*
4


4
d

0
0

Bảng 3.1 : Bảng tham số động học

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa

Quy ước viết tắt :
   
ij ij
os ; sin ; os ; sin
i i i i i j i j
C c S C c S
     
     

 Các ma trận biến đổi tọa độ A
i

1 1 1 1
1 1 1 1
1
0
0a
0 0 1 0
0 0 0 1
C S a C
S C S
A
















44
44
4
4
00
00
0 0 1
0 0 0 1
CS
SC
A
d









 Ma trận chuyển vị thuần nhất mô tả hướng và vị trí của các khâu:
 Khâu 1 so với khâu cơ sở:

T A A











ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa

Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 18

 Khâu 3 so với khâu cơ sở
12 12 1 1 2 12
12 12 1 1 2 12
3 2 3
3
0
0
.
0 0 1
0 0 0 1
C S a C a C
S C a S a S
T T A
d






  



 Vậy tọa độ điểm thao tác E có dạng:

(0)
1 1 2 12
(0)
1 1 2 12
(0)
34
E
E
E
x a C a C
y a S a S
z d d






  

4
Y
4
Z
4
so với hệ tọa độ O
0
Z
0
Y
0
Z
0
.
Trong đó:
 
,,
E E E
x y z
là các tọa độ điểm E và [𝛼, 𝛽, 𝜂] là các góc quay Cardan
của EX
4
Y
4
Z
4
so với hệ tọa độ O
0
Z
0

2
Y
2
Z
2
so với hệ tọa độ O
0
Z
0
Y
0
Z
0
.

0
E
r
là vectơ mô tả vị trí của điểm tác động cuối trong hệ tọa độ O
0
Z
0
Y
0
Z
0
.
 
0
( ) (t), (t), ( )

(Ma trận trạng thái khâu thao tác theo cấu trúc động
học). Còn ma trận
0
()
E
At
cũng mô tả vị trí và hướng của khâu thao tác thông qua
hệ tọa độ khâu thao tác. Ở đây ta chọn cách biểu diễn thông qua các góc Cardan.
Nên ta có :
00
22
( ) ( )T q A t
12 4 12 4 12 4 12 4 1 1 2 12
12 4 12 4 12 4 12 4 1 1 2 12
34
0
0
0 0 1
0 0 0 1 0 0 0 1
x x x x
y y y y
z z z z
n s a p C C S S S C C S a C a C
n s a p S C C S C C S S a S a S
n s a p d d
  
   
   
   
   





  
  
  
    




1 1 2 12
1 1 2 12
34
x
y
z
p a C a C
p a S a S
p d d










q
q
q












  




Lập trình trên maple với dòng lệnh sau :

E
x
,
E
y
,
E
z
), và hướng và vận
tốc của khâu tác động cuối so với hệ tọa độ cơ sở.
 Điểm tác động cuối đã được tính ở trên:
(0)
1 1 2 12
(0)
1 1 2 12
(0)
34
E
E
E
x a C a C
y a S a S
z d d






  





ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa

Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 22

Bằng phần mềm Maple ta vẽ được đồ thị điểm tác động cuối :

Hình 3.5 : Đồ thị điểm thao tác E theo trục x

Hình 3.6 : Đồ thị điểm thao tác E theo trục y

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa

Sinh viên thực hiện : Trần Trọng Đức 23 Hình 3.5 : Đồ thị điểm thao tác E theo trục z

Hình 3.6 : Điểm tác động cuối đi từ
AB
A
B
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD:ThS Mạc Thị Thoa



    




2 1 2 1 1 1 2 1 2 2
0
2 1 2 1 1 1 2 1 2 2
3
[ sin( ) sin( )] - [a sin( )]
[ cos( ) cos( )] + [a cos( )] (1)E
EE
E
a q q a q q q q q
x
v y a q q a q q q q q
z
q




   




q.
qt
qt
q
qt
qt
t
q





















