Nguyễn Văn Dương

K31C SPKT

A - phần Mở đầu
I - lý do chọn đề tài
Lịch sử nhân loại đã trải qua nhiều cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật.
Tinh thần tìm tòi sáng tạo giúp con người ngày càng có nhiều những phát
minh, sáng kiến tìm ra những công cụ mới, con đường mới để trinh phục tự
nhiên mang lại hạnh phúc cho nhân loại. Ngày nay, khoa học kỹ thuật hiện đại
đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong đời sống và sản xuất, trong đó dây
chuyền tự động, người máy công nghiệp (robot) giữ vai trò hàng đầu. Việc chế
tạo ra những chú robot thông minh nhằm thay thế con người trong một số
công việc cụ thể như:
- Các công việc lặp đi lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc: vận chuyển
nguyên vật liệu, lắp ráp, lau cọ nhà,.
- Trong môi trường khắc nghiệt hoặc nguy hiểm: như ngoài không gian
vũ trụ, trên chiến trường, dưới nước sâu, trong lòng đất, nơi có phóng xạ, nhiệt
độ cao,
- Những việc đòi hỏi độ chính xác cao: thông tắc mạch máu hoặc các
ống dẫn trong cơ thể, lắp ráp các cấu tử trong vi mạch,
Ngoài ra, việc chế tạo ra những chú robot còn:
- Tăng năng suất lao động.
- Nâng cao chất lượng và độ tin cậy của sản phẩm.
- Giảm giá thành sản phẩm nhờ sản xuất hàng loạt,
Để hoàn thành nhiện vụ đó, những chú robot thông minh được tạo ra
cần phải có sự kết hợp giữa điện tử, kỹ thuật điều khiển, công nghệ thông tin
và cơ khí. Trong đó kỹ thuật cơ khí chính xác giữ vai trò đặc biệt quan trọng
để đảm bảo khả năng hoạt động của robot.
Để có thể đưa đất nước thoát khỏi tình trạng nghèo nàn lạc hậu sánh vai
với tất cả các nước trên thế giới, chúng ta đã và đang tiến hành sự nghiệp công

cơ khí chính xác. Chính vì vậy trong khoá luận của mình tôi chỉ nghiên cứu
một phần nhỏ là Thiết kế cánh tay robot.
V - nhiệm vụ nghiên cứu
Chương 1: Động lực học tay máy.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết kế tay robot.
Vi - các phương pháp nghiên cứu
Tiến hành nghiên cứu theo phương pháp thực nghiệm.

Khoá luận tốt nghiệp đại học

2


Nguyễn Văn Dương

K31C SPKT

b - nội dung
Chương 1: động lực học tay máy
Động lực học tay máy nghiên cứu quan hệ giữa lực, momen, năng
lượng,với các thông số chuyển động của nó. Nghiên cứu động lực học tay
máy để:
- Mô phỏng hoạt động của tay máy, khảo sát, thử nghiệm quá trình làm
việc của nó mà không phải dùng tay máy thật.
- Phân tích, tính toán kết cấu của tay máy.
- Phân tích, thiết kế hệ thống điều khiển tay máy.
1.1. PHƯƠNG PHáP LAGRANGE
1.1.1. Cơ sở chung
Giả sử đã xác định được một tập hợp các biến i , i = 1,n với tư cách
là hệ toạ độ tổng quát để mô tả vị trí các khâu của một tay máy n bậc tự do.

Khoá luận tốt nghiệp đại học

3

(1.3)


Nguyễn Văn Dương

K31C SPKT

Lực tổng quát có thể bao gồm momen trên trục động cơ chấp hành (lực
phát động), momen ma sát tại các ổ trục, lực tương tác giữa phần công tác với
đối tượng,
Như vậy, đối với trường hợp tay máy, công thức (1.2) thể hiện quan hệ
giữa lực tổng quát tác động lên hệ thống với vị trí, vận tốc và gia tốc của các
khớp.
Để hiểu rõ công thức Lagrange, chúng ta xét ví dụ sau:

Mô hình động học của trục dao động
Xét một trục dao động như hình vẽ: Motor điện có momen quán tính
I m , thông qua hộp giảm tốc có tỷ số truyền bằng kr 1 . Nhờ đó, trục được
.

truyền một momen chủ động và có vận tốc . Vật quay có khối lượng m,
momen quán tính I và toạ độ trọng tâm cách trục một khoảng l.
Chọn làm toạ độ tổng quát, khi đó động năng của hệ thống là:
T

.


4


Nguyễn Văn Dương

L
.

K31C SPKT

.

.

I I m kr 2

..
..
d L
2

I


I
k

m
r


( I I m kr 2 ) F mgl sin

(1.9)

1.1.2. Tính động năng
Động năng T của hệ thống gồm động năng chuyển động của mỗi khâu
Tli và động năng của cơ cấu phát động tại các khớp Tmi :
n

T (Tli Tmi )

(1.10)

i 1

Động năng chuyển động Tli được tính theo sơ đồ:

Khoá luận tốt nghiệp đại học

5


Nguyễn Văn Dương

T li

K31C SPKT

1

ri

(1.12)

Vì động năng Tli có 3 thành phần: tịnh tiến, qua lại và quay. Trong đó
thành phần chủ yếu là tịnh tiến và quay, nên ta có:

1 .T (li)T (h) . 1 .T (li)T T (li) .
Tli mli q Jp Jp q q Jo RI
i li Jo q
2
2

(1.13)

Trong đó:
T - Động năng.
U - Thế năng.
m - Khối lượng.
J - Jacobian.
I - Tensor quán tính tương ứng với khối tâm.
l, m - Là các chỉ số tương ứng với khâu (link) và với động cơ (motor).
Động năng của motor được tính nhờ công thức sau:
Tmi

. T
.
1
1 T
mi P mi Pmi mi

1 .T
T
T
mi q J (pmi )T J (pmi ) q q J o( mi )T Rmi I mi
Rmi
J o( mi ) q
2
2

(1.15)

Vậy động năng của toàn hệ thống là:
T

.
.
.
1 n n
1 .T
b
(
q
)
q
q

q B(q) q

ij
i


Thay (1.18 và 1.19) vào (1.17) ta được thế năng của hệ thống:
n

U (mli g oT pli mmi g oT p mi )

(1.20)

i 1

1.2. PHƯƠNG pháp NEWTON- EULER
1.2.1. Mô hình động học
Phương pháp Newton Euler xây dựng mô hình dựa vào sự cân bằng
của hệ lực tác dụng lên hệ thống.
Sơ đồ tính động lực học theo phương pháp Newton Euler.

Khoá luận tốt nghiệp đại học

7


Nguyễn Văn Dương

K31C SPKT

Giả sử khâu thứ i của tay máy có kèm theo motor dẫn động khớp thứ
i+1 với các thông số liên kết sau:
mi - Khối lượng của khâu thứ i,
li - Tensor quán tính của khâu thứ i,
I mi - Momen quán tính của rôto,


Nguyễn Văn Dương

K31C SPKT

.

i - Gia tốc góc của khâu i,
.

m i - Gia tốc góc của rôto,
g o - Gia tốc trọng trường.

Các loại lực và momen tác dụng gồm:
f i - Lực của khâu i tác dụng lên khâu i-1,

- fi 1 - Lực của khâu i+1 tác dụng lên khâu i,
i - Momen của khâu i tác dụng lên khâu i+1,

- i 1 - Momen của khâu i+1 tác dụng lên khâu i, tính theo trục i.
Chuyển động tịnh tiến của trọng tâm được mô tả bằng công thức
Newton:
..

(1.21)

f i f i 1 mi g o mi p ci

Công thức Euler được dùng cho chuyển động quay của khâu, trong đó
các momen được tính đối với toạ độ trọng tâm và trọng lực mig0 không gây


..

.

I i i i ( I ii ) + k r ,i 1 q i 1 I mi 1 z mi 1 k r ,i 1 q i 1 I mi 1 i z mi 1

Khoá luận tốt nghiệp đại học

9

(1.25)


Nguyễn Văn Dương

K31C SPKT

1.2.2. Tính gia tốc của khâu
1.2.2.1 Tính gia tốc dài
Đối với khớp trượt, ký hiệu pi 1 , pi lần lượt là véctơ vị trí của khớp i-1
và khớp i, ri 1,i là khoảng cách giữa hai trục của chúng, d i là khoảng dịch
chuyển theo khớp i, ta có:
.

.

.

p i ( p i1 d i z i1 i ri1.i )


p i p i 1 + d i zi 1 + 2 d i i z i 1 i ri 1,i + i (i 1 ri 1,i )

- Đối với khớp quay:
.

.

p i p i 1 i ri 1.i
.

Đạo hàm vận tốc p i theo thời gian ta được:
..

.

..

p i p i 1 + i ri 1,i + i (i 1 ri 1,i )

1.2.2.2. Tính gia tốc góc
- Đối với khớp trượt, vì i i 1 nên:
.

.

i i 1
.

- Đối với khớp quay, vì i i 1 i z i 1 nên:

nhưng điều khiển nó lại phức tạp. Trên thực tế, phần lớn các robot có 4 - 5 bậc
tự do.
Trong cơ học đã có công thức tính số bậc tự do DOF của một chuỗi
động học như sau:
DOF 6n 5k5 4k4 3k3 2k2 k1

Trong đó: - n là số khâu chuyển động được.
- k1 , k2 , k3 , k4 , k5 là số khớp bậc I, II, III, IV, V.
(khớp bậc I, II, III, IV, V có 5, 4, 3, 2, 1 khả năng chuyển động).
Nếu chuỗi động học là chuỗi hở thì số khâu bằng số khớp, nghĩa là:
nên:

n k1 k2 k3 k4 k5
DOF k5 2k4 3k3 4k2 5k1

Nếu chuỗi vừa hở vừa phẳng thì:
DOF k5 2k4

Khoá luận tốt nghiệp đại học

11


Nguyễn Văn Dương

K31C SPKT

2.1.3. Vùng công tác
Vùng công tác của tay máy là thể tích (tính bằng m3 ) và hình dạng của
tay máy tạo ra khi hoạt động. Vùng công tác của tay máy không chỉ phụ thuộc

phải được đặt ra khi thiết kế cũng như lựa chọn robot.
2.2. thiết kế và tổ hợp robot
2.2.1. Các nguyên tắc chung
2.2.1.1. Xuất phát từ yêu cầu công nghệ
Mỗi robot đều được thiết kế và chế tạo để trực tiếp thực hiện hoặc phục
vụ một quá trình sản xuất cụ thể. Vì vậy, các thông số kỹ thuật của robot phải
đáp ứng yêu cầu của nguyên công công nghệ. Ví dụ: robot hàn hồ quang phải
có khả năng di chuyển que hàn theo đường hàn định trước, có tốc độ di
chuyển của phần công tác (kẹp que hàn) phải phù hợp với chế độ hàn, có khả
năng tự điều chỉnh để duy trì khoảng cách và góc nghiêng của que hàn so với
bề mặt vật hàn, phải có cơ cấu tự động cấp que hàn,Robot lắp ráp phải có
khả năng nắm được vật, di chuyển và đặt vật đúng chỗ cần lắp và thực hiện
thao tác lắp,
2.2.1.2. Đảm bảo sự đồng bộ hệ thống
Robot phải làm việc trong hệ thống công nghệ cùng với các thiết bị khác
nên chúng phải phối hợp nhịp nhàng với nhau. Ví dụ, robot phục vụ (chuyển
gá phôi và thay dụng cụ) cho máy công cụ, khi nhận được tín hiệu gia công

Khoá luận tốt nghiệp đại học

13


Nguyễn Văn Dương

K31C SPKT

xong chi tiết thì phải tác động mở kẹp, nhặt chi tiết bỏ lên băng tải, nhặt phôi
từ băng tải đặt vào cơ cấu kẹp, kẹp phôi, lùi ra khỏi vùng công tác, phát tín
hiệu kẹp xong để cho phép máy công cụ làm việc. Như vậy trạng thái làm việc


Nguyễn Văn Dương

K31C SPKT

1 - Phân tích quá trình công nghệ để xác định khâu nào phải sử dụng
robot, cần phải chú ý đặc biệt tới các khâu sử dụng lao động chân tay hoặc
điều kiện lao động khắc nghiệt. Sơ bộ đánh giá khả năng và hiệu quả của việc
sử dụng robot vào khâu đó.
2 - Nghiên cứu các thông số kết cấu của đối tượng dự định sẽ xử lý
bằng robot như: kích thước, khối lượng, trạng thái vật lý (cứng, lỏng hay
mềm), sự phân bố khối lượng của tải trọng,
3 - Nghiên cứu điều kiện môi trường sử dụng robot như: nhiệt độ, bụi,
rung động, khả năng gây cháy nổ,
4 - Xác định các thông số kỹ thuật chính của robot theo yêu cầu công
nghệ. Từ đó tính toán các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, lựa chọn phương án thiết
kế phù hợp về mặt kinh tế và kỹ thuật.
5 - Phân chia kết cấu thành các cụm cơ cấu chính. Xác định cụm nào có
sẵn trên thị trường có thể mua được, cụm nào sử dụng thiết kế đã có, cụm phải
thiết kế và chế tạo mới hoàn toàn. Phân chia thiết kế các cụm cho các bộ phận
chuyên ngành.
6 - Tổ hợp hệ thống, thử nghiệm trên mô hình. Trong giai đoạn này nên
sử dụng kỹ thuật mô hình hoá trên máy tính để giảm chi phí và thời gian thử
nghiệm.
7 - Chế thử, thử nghiệm robot trong phòng thiết kế và trong sản xuất.
8 - Đánh giá kết cấu về tính năng kỹ thuật, công nghệ chế tạo, kinh tế.
Từ đó đề xuất các biện pháp hoàn thiện kết cấu và công nghệ chế tạo robot.
2.2.3. Thiết kế Robot theo phương pháp tổ hợp Modul
Là phương pháp tổ hợp thiết bị từ các cụm kết cấu có công dụng chung,
như: thân, cơ cấu phát và truyền lực, phần công tác, phần điều khiển,đã

quay của tang trống và của cánh tay được giám sát nhờ cặp sensor không tiếp
xúc 8. Xilanh khí nén 9 có tác dụng định vị chính xác vị trí góc của cánh tay.
Cơ cấu nâng cánh tay gồm động cơ điện 18, bộ truyền trục vít bánh vít 19,
bánh răng 20, thanh răng gắn trên ống 6. Cánh tay được kẹp và lên xuống theo
ống này. Cánh tay của robot co duỗi được là nhờ động cơ 10, cặp bánh răng thanh răng 11. Vị trí theo hướng kính của cánh tay được giám sát nhờ sensor
không tiếp xúc gắn trên tấm 12. Điểm dừng chính xác của cánh tay đạt được
nhờ xilanh khí nén 14.

Khoá luận tốt nghiệp đại học

16


Nguyễn Văn Dương

K31C SPKT

Nhược điểm của loại robot này là khoảng dịch chuyển của cánh tay theo
phương thẳng đứng bị hạn chế bởi chiều dài dẫn hướng thường nhỏ. Vì vậy nó
được dùng cho việc nâng chuyển đơn giản.
Để khắc phục nhược điểm trên, người ta chế tạo loại robot có cánh tay
được gắn trên bàn trượt, có trụ dẫn hướng tựa hai đầu cho phép nâng chiều cao
phần công tác tới 2m, tải trọng từ 1 - 1000kg, số bậc tự do từ 3 - 7.
Loại robot này dùng hệ thống truyền động cơ khí - thuỷ lực. Chuyển
động quay quanh trục thẳng đứng được thực hiện bởi hai xilanh thuỷ lực và
truyền động xích. Chuyển động thẳng đứng của bàn trượt cũng do các xilanh
thuỷ lực đảm nhiệm. Hệ truyền động cho bàn tay (quay, trượt, gấp và nhả vật)
được đặt trong cánh tay.

Khoá luận tốt nghiệp đại học

cảm biến 12, 32, 37 dùng để giám sát vị trí của bàn quay 10, cánh tay 25 và
giá 33.
2.3.2. Robot cố định trên nền, dùng hệ toạ độ cầu

Cánh tay được gắn trên trụ 31, quay quanh trục thẳng đứng nhờ xilanh
thuỷ lực 18. Xilanh thuỷ lực 17 tạo nên chuyển động lắc (quay) của cánh tay
quanh khớp vai. Xilanh 30 tạo chuyển động ra vào (hướng kính) của cánh tay.
Xilanh 13 thông qua bộ truyền xích 14 tạo chuyển động quay của cổ tay
quanh trục. Chuyển động quay cổ tay trong mặt phẳng thẳng đứng do xilanh
và bộ truyền xích đặt trong ống cẳng tay thực hiện.
Robot dùng hệ toạ độ cầu với cánh tay nhiều khâu: ưu điểm của loại
này là gọn, có vùng làm việc lớn.

Khoá luận tốt nghiệp đại học

19


Nguyễn Văn Dương

K31C SPKT

Mâm 16 quay quanh trục thẳng đứng nhờ xilanh thuỷ lực 18. Cánh tay
liên hệ với mâm qua khớp quay. Xilanh thuỷ lực 21 có một đầu gắn với mâm
quay qua tấm nối 20, đầu kia gắn với khâu 8 thông qua chạc 24, tạo chuyển
động lắc lư cho khâu 8. Chuyển động quay của khâu 28 do xilanh thuỷ lực 9
thực hiện. Chuyển động lắc của cổ tay quanh hai trục vuông góc được thực
hiện nhờ hai động cơ thuỷ lực quay 1 và 3.
2.3.3. Robot treo
Robot treo được lắp và chuyển động trên các đường ray trên không. Vì

Hệ thống gồm robot chính 4 và robot phụ 7. Hai máng 5 và 6 cung cấp
hai chi tiết cần lắp. Cơ cấu thích nghi được lắp trên tay 3 của robot chính 4
qua lò xo phẳng dạng chữ thập 2. Trên lò xo có gắn hệ thống xác định lực tiếp
xúc giữa hai chi tiết theo các thành phần x, y, z. Tuỳ theo tỷ lệ lực giữa các

Khoá luận tốt nghiệp đại học

21


Nguyễn Văn Dương

K31C SPKT

thành phần mà chương trình điều khiển xác định phương di chuyển của tay
sao cho tâm trục trùng với tâm lỗ.

2.4. cơ cấu tay kẹp
2.4.1 Một số cơ cấu tay kẹp
Các đối tượng mà robot phải xử lý rất khác nhau về hình dạng, kích
thước, tính chất vật lý nên tay kẹp cũng rất đa dạng. Tuy nhiên tay kẹp phải
đáp ứng được các yêu cầu sau:
+ Làm việc tin cậy: bắt đúng đối tượng, giữ chắc chắn nhưng không làm
hỏng đối tượng.
+ Nhỏ gọn, tác động nhanh.
+ Phạm vi hoạt động rộng.

Khoá luận tốt nghiệp đại học

22



Nguyễn Văn Dương

K31C SPKT

khớp và trượt tương đối với các vấu trên chốt 10 sẽ làm quay chốt đó 45o .
Trong hành trình nhả, thân 7 tiến gần đến đầu 3, chốt 10 tiếp xúc với bạc 8,
quay 45o , khi đi xuống tiếp xúc với mặt trên của bạc 9 lại quay tiếp 45o và bị
mắc trong lỗ. Hai mỏ kẹp bị giữ ở trạng thái nhả. Trong hành trình kẹp, sau
khi chốt 2 tiếp xúc với vật, đầu 3 và thân 7 tiến gần đến nhau. Chốt 10 tiếp xúc
với bạc 8 bị quay 45o . Khi đi xuống, chốt 10 lại tiếp xúc với bạc 9, bị quay
tiếp 45o nữa. Kết quả là chốt lọt qua được rãnh và lọt ra khỏi rãnh. Các mỏ 1
được khoá ở trạng thái kẹp.

Tay kẹp trên hình (b) làm việc theo nguyên lý tương tự (a) nhưng dùng
để kẹp các chi tiết dạng đĩa, bánh răng, bạc trong thế thẳng đứng.
Tay kẹp trên hình (c) có nguyên lý tương tự (a, b). Nó kẹp vào mặt trụ
trong của vật nhờ một dãy bi 2 xếp theo vòng tròn. Mặt côn 1 có góc côn nhỏ
hơn góc ma sát giữa các viên bi và vật liệu chi tiết (thường 5o 6o ) tạo ra lực
kẹp khi nhấc vật (chuyển động lên) và nhả vật (chuyển động xuống).

Khoá luận tốt nghiệp đại học

24


Nguyễn Văn Dương

K31C SPKT