TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO
-----□□&□□----MƠN HỌC: KỸ THUẬT ROBOT

BÁO CÁO CUỐI KÌ
ROBOT SCARA 4 BẬC TỰ DO TỊNH TIẾN VÀ XOAY
GV:
THỰC HIỆN:

HỌ VÀ TÊN

MSSV

Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 12, 2021


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU..............................................................................3
1.1. Lý do chọn đề tài.................................................................................................3
1.2. Ý tưởng thiết kế...................................................................................................3
1.3. Khả năng áp dụng thực tiễn.................................................................................4
1.4. Các hạn chế và mục tiêu nhóm cần đạt được.......................................................6
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ ROBOT....................................8
CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC.....................................14
3.1. Động học thuận..................................................................................................14
3.2. Động học nghịch................................................................................................15
3.3. Ma trận Jacobi...................................................................................................16
3.4. Không gian hoạt động robot..............................................................................17
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC..............................19
4.1. Phương trình động lực học.................................................................................19
4.1.1. Mục đích và phương pháp nghiên cứu động lực học...............................19

4.1.2. Cơ sở lý thuyết về phương trình động lực học Lagrange – Euler.............19
4.1.3. Tiến hành tính tốn động lực học cho Robot...........................................20
4.1.3.1.

Các thơng số của Robot:...................................................................20

4.1.3.2.

Động năng và thế năng của các khâu tay máy...................................22

4.2. Tính tốn cơ khí - chọn động cơ........................................................................24
4.2.1. Tính tốn cơ khí.......................................................................................24
4.2.2. Động cơ...................................................................................................29
4.2.2.1.

Chọn động cơ cho tay........................................................................29

4.2.2.2.

Chọn động cơ Khoan.........................................................................31

CHƯƠNG 5: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG...........................34


5.1. Giới thiệu về Matlab Simulink và giao diện GUI..............................................34
5.2. Mô phỏng...........................................................................................................36
KẾT LUẬN..........................................................................39
TÀI LIỆU KHAM KHẢO.........................................................40



MỞ ĐẦU
1.1.

Lý do chọn đề tài.
Sự phát triển mạnh mẽ, vượt bậc của công nghệ và kỹ thuật đã

mang tới cực kỳ nhiều lợi ích cho cuộc sống của con người. Trong số
những ứng dụng mà kỹ thuật, công nghệ được tạo ra để phục vụ cho
đời sống cũng như cơng việc của chúng ta đó chính là các thiết bị
điện tử, máy móc. Trong đó, sự phát triển về mặt tự động hóa đã
đánh dấu sự mở đầu cho một kỷ nguyên robot công nghiệp. Một
cánh tay robot công nghiệp khơng chỉ làm tăng tốc độ của q trình
sản xuất mà độ chính xác cịn tăng lên đáng kể. Những cánh tay
robot hoạt động trơn tru giúp cắt giảm gần như tối đa các lỗi trong
quá trình sản xuất do người công nhân gây ra và giúp giảm được rất
nhiều chi phí lao động. Nhóm mình quyết định chọn báo cáo đề tài
cánh tay robot bao gồm 4 bậc tự do gồm 2 khớp xoay và 1 khớp tịnh
tiến, nhằm tìm hiểu và nắm được cốt lõi của phần thiết kế cơ khí, các
bài tốn động học cũng như áp dụng được phần tính tốn vào mơ
phỏng Matlab.

Hình. Phát triển tự động hóa đánh dấu sự mở đầu cho một kỷ nguyên robot công
nghiệp.


1.2.

Ý tưởng thiết kế.
Tính tốn thiết kế cánh tay Robot kiểu SCARA 4 bậc tự do gồm 2 khớp xoay và


1 khớp tịnh tiến, di chuyển và khoan đồ vật ở các vị trí xung quanh quỹ đạo quay của
robot. Ngồi ra Robot cịn di chuyển tịnh tiến lên xuống theo đường thẳng thơng qua
cơ cấu vít me.
Thiết kế sẽ đảm bảo được các yêu cầu sau đây:
- Yêu cầu về sự linh hoạt:
Là thành phần không thể thiếu trong sản xuất linh hoạt, đặc biệt trong các dây chuyền
lắp ráp lớn, Cánh tay robot đòi hỏi các thao tác lặp đi lặp lại liên tục.
- Yêu cầu độ chính xác cao:
Việc Robot tham gia vào các công đoạn phức tạp thay thế con người giúp tăng đáng kể
độ chính xác, từ đó tăng chất lượng sản phẩm, hạn chế các sản phẩm lỗi.
- Yêu cầu về độ an toàn:
Robot công nghiệp, cánh tay Robot công nghiệp hoạt động tốt trong các môi trường
gây hại cho con người như: Nhiệt độ cao, hóa chất độc hại, hầm mỏ; chính vì vậy sử
dụng Robot cơng nghiệp là giải pháp tăng tính an tồn trong sản xuất.
- u cầu khơng vi phạm về 3 quy luật thiết kế Robot của Asimov.

Hình. Mơ hình cánh tay Robot SCARA.
1.3.

Khả năng áp dụng thực tiễn.

Cánh tay Robot của sẽ được áp dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như:


- Ứng dụng vào các dây chuyền lắp ráp:
Tất cả cơ sở - nhà máy sản xuất hiện nay đều có bộ phận chuyên đảm nhiệm lắp
ráp các chi tiết hay linh kiện vào nhau để tạo ra thành phẩm cuối cùng. Công việc chủ
yếu của công nhân ở bộ phận này là truyền động vít hay vặn đai ốc.
Tuy quy trình thực hiện khơng mới nhưng lại mang đặc tính thay đổi thường
xun về thơng số và kỹ thuật sản xuất. Thông thường, với một sản phẩm công nghiệp,

các nhà sản xuất thường chế tạo ở nhiều kích cỡ theo nhu cầu đa dạng của thị trường
cung ứng. Điều này dẫn đến việc phải điều chỉnh máy móc hỗ trợ nhiều lần, gây mất
thời gian. Từ khi ứng dụng robot cơng nghiệp vào thì rào cản này đã khơng cịn đáng
kể.

Hình. Ứng dụng cánh tay Robot trong các dây chuyền lắp ráp.
- Ứng dụng vào các nhiệm vụ phân loại, đóng gói và bốc xếp hàng hóa:
Sau khi ra khỏi dây chuyền sản xuất, sản phẩm sẽ được chuyển đến kho, tại đây
sản phẩm sẽ được tiến hành đóng gói và sắp xếp lên pallet để giao hàng. Tùy vào đặc
tính của sản phẩm, to hay nhỏ, nặng hay nhẹ, có dễ vỡ hay khơng mà hai nhiệm vụ này
sẽ có những u cầu kèm theo.
Nhưng nhìn chung, nhiệm vụ đóng gói và bốc xếp hàng lên xuống pallet có điểm
đặc thù là lặp đi lặp lại. Do đó, để con người thực hiện điều này không những gây
nhàm chán mà cịn khơng tận dụng được sức lao động của con người trong những


nhiệm vụ đòi hỏi yêu cầu cao hơn. Đây cũng là động lực đầu tiên để các nhà sản xuất
công nghiệp hiện nay cân nhắc đến việc ứng dụng robot cơng nghiệp vào nhiệm vụ
này.

Hình. Ứng dụng cánh tay Robot trong các dây chuyền hàng hóa.
- Ứng dụng vào các nhiệm vụ kiểm tra chất lượng sản phẩm:
Mỗi loại sản phẩm đều có những yêu cầu tiêu chuẩn đầu ra riêng, và nhiệm vụ kiểm
tra chất lượng sẽ phải đảm bảo các sản phẩm đạt được tất cả các yêu cầu trên. Hơn
nữa, trong một loạt sản xuất, không chỉ một mà là số lượng lớn sản phẩm đầu ra, lúc
này tính đồng bộ giữa nhiều sản phẩm riêng lẻ cũng khiến khơng ít doanh nghiệp quan
tâm. Sự ứng dụng của cánh tay robot công nghiệp đã thực sự giúp ích được điều này.

Hình. Ứng dụng cánh tay Robot trong kiểm tra chất lượng sản phẩm.



1.4.

Các hạn chế và mục tiêu nhóm cần đạt được.
Trong thời kỳ dịch bệnh Covid 19 diễn biến nặng, chúng ta phải thay thế phương

pháp học trên trường bằng các phương pháp học mang tính online nên các tính tốn
chỉ mang tính lý thuyết, mơ phỏng và phác họa mơ hình, chưa làm ra được sản phẩm
thực tế. Trước những điều đó, thì nhóm em đưa ra các mục tiêu như sau:
 Nhóm tìm hiểu được vị trí và tầm quan trọng của Robot công nghiệp trong dây
chuyền tự động hóa trong q trình sản xuất.
 Thiết kế thành cơng các thành phần cơ khí và tính tốn chính xác các bài tốn
động học phân tích chuyển động của một cánh tay Robot.
 Mơ phỏng các tính tốn trên phần mềm Matlab
 Hoàn thành bài báo cáo và tiến hành báo cáo đúng hạn


CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ ROBOT
- Chi tiết 1: Phần đế và khớp tịnh tiến:

Phần đế chứa động cơ và trục vít có chức năng biến chuyển động quay của
động cơ thành chuyển động tịnh tiến thông qua trục vít và cũng là phần đỡ cả cánh tay
robot.
Các thơng số cần thiết của khớp 1:


- Chi tiết 2:

Phần khớp 2 chứa động cơ, động cơ này sẽ truyền chuyển động đến khớp xoay
thứ nhất thông qua bộ truyền đai.

Các thông số cần thiết của chi tiết 2:


- Chi tiết 3:

Chi tiết này cũng chưa động cơ dc có chức năng truyền chuyển động đến khớp
xoay thứ 2 thông qua bộ truyền đai.
Một số thông số cần thiết của chi tiết 2:


- Chi tiết 4:

Chi tiết này chứ đầu công tác có thể thay đổi động cơ cũng như thực hiện thay
đổi các chức năng khác nhau, ở đây nhóm thực hiện lắp sẵn động cơ khoan ở đầu công
tác.


Các thơng số của chi tiết 4:

-

Mơ hình 3D của robot scara:

Về nguyên lý tổng thể của robot scara, nó sẽ được truyền động thông qua động
cơ và bộ truyền đai là chủ yếu, về phần tịnh tiến sẽ được dùng bộ truyền động trục vít
để thực hiện. Cánh tay máy sẽ được lập trình để thực hiện các chức năng một cách linh


hoạt nhất có thể. Phần đầu cơng tác chúng ta có thể thay đổi các bàn tác động lên đối
tượng khác nhau một cách linh hoạt.

Do tính chất thiết kế cơ khí nên phần hoạt động của các khớp chỉ có thể hoạt
động ở một phạm vi nhất định:
+ Khớp tịnh tiến được từ 0 - 220 mm
+ Khớp xoay thứ nhất từ -1000 – 1000
+ Khớp xoay thứ hai từ -1200 – 1200


CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC
3.1.

Động học thuận
x3

y3

y2

y1

y4

x1

x2
x4

x0

y0


Bảng DH:
1
2
3
4
Ta có:

0
0

0
0
0
0

d
0
0
0

0


3.2.

Động học nghịch

Vậy
Khi đó, ta viết lại dưới dạng:


Giải hệ phương trình tuyến tính trên ta được:

3.3. Ma trận Jacobi
Ta có:


Vận tốc dài đầu cơng tác tính theo cơng thức:
Nếu ta có vận tốc dài, muốn tìm vận tốc các khớp ta tính theo cơng thức:

.4. Khơng gian hoạt động robot
Ta dùng matlab để tìm khơng gian hoạt động của robot:
Ta nhập hàm như sau :

Kết quả thu được không gian hoạt động của robot như hình vẽ :



CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC
.1. Phương trình động lực học.
.1.1.

Mục đích và phương pháp nghiên cứu động lực học.
Cho mục đích thiết kế, điều khiển robot, cần thiết phải có một mơ hình tốn học

thể hiện mối quan hệ động lực học tác dụng lên robot. Cần xây dựng các phương trình
vi phân cho chuyển động của robot dựa trên cơ sở các định luật bảo toàn năng lương
cho robot, Nghiên cứu động lực học nhằm giải quyết bài tốn sau cho robot: Tính tốn
các lực khớp và các momen tại các góc khớp phát sinh trong quá trình chuyển động
của robot. Xác định các sai số so với chuyển động đã hoạch định làm cơ sở cho quá
trình điều khiển robot.

.1.2.

Cơ sở lý thuyết về phương trình động lực học Lagrange – Euler.

 Ta có L= K - P.
Trong đó :
-

K là tổng động năng của cơ hệ.

-

P là tổng thế năng của cơ hệ.

-

L là hàm Lagrange.

K và P đều là những đại lượng vô hướng, nên có thể chọn bất kỳ hệ tọa độ nào để giải
các bài tốn.
 Xét một Robot có n khâu thì:

 Trong đó, Ki và Pi là động năng và thế năng của khâu thứ i xét trong hệ tọa độ đã
chọn. Đó là các đại lượng phụ thuộc vào nhiều biến số:

Với qi là tọa độ suy rộng của khớp thứ i.
 Ta có lực (hay momen) tổng quát tác dụng lên khâu thứ i được xác định bởi phương
trình Lagrange:



 Và ta có phương trình chuyển động Lagrange được thiết lập cho một hệ tay máy
nhiều bậc tự do:

Trong đó:
là vector n của lực tổng quát với các lực thành phần là �. �
q là ma trận biến khớp:

 Và ma trận biểu diễn của lực suy rộng được thể hiện:

Với

là các mô men được cho bởi các cơ cấu tác động (chẳng hạn là mô men phát

động của các động cơ điện).
.1.3.

Tiến hành tính tốn động lực học cho Robot.

.1.3.1. Các thông số của Robot:
Biến
Chiều dài
Khối lượng
Vận tốc
Chiều dài khối
tâm

Khớp 1
q1
300mm
2126.02

g
v1
150mm

Khớp 2
q2
310.72m
m
1046.81 g
v2
155.36m
m

Khớp 3
q3
350mm

Khớp 4
q4
294.27mm

802.73
g
v3
175mm

686.80g
v4
147.135m
m


 Khối lượng nằm ở giữa các thanh
Hệ quy chiếu gán với trục tọa độ 0o Xo Yo Zo trên khớp thứ nhất. khi đó mặt phẳng
0o Xo Yo Zo là mặp phẳng đẳng thế
 Bằng việc sử dụng Solidwork thiết kế các khâu của robot với vật liệu là thép chế tạo
máy ta có được khối lượng các khâu của robot như sau:


M1 = 2126.02g.
M2 = 1046.81g.
M3 = 802.73g.
M4 = 686.80g.
 Quy ước trọng lượng nằm ở giữa các thanh nên ta có chiều dài khối tâm của cá khâu
là:
+ khâu 1: lg1= 150mm.
+ khâu 2: lg2= 155.36mm.
+ khâu 3: lg3= 175mm.
+ khâu 4: lg4= 147.135mm.
 Lực tác động lên từng khâu.
a) Khâu số 1:
-

Đây là khâu kết nối giữa đế máy và khâu số 2.

-

Các lực tác động lên khâu số 1 bao gồm: trọng lực của khâu , lực tác động với
khâu trục, và của khâu 2,3,4.

b) Khâu số 2:

-

Đây là khâu kết nối giữa khâu số 1 và khâu số 3. Khâu số 2 chuyển động tịnh
tiến thông qua cơ cấu trục vít.

-

Lực tác động lên khâu 2 bao gồm trọng lực của khâu, lực tương tác với khâu 1
và khâu 3, 4.

c) Khâu số 3:
-

Đây là khâu kết nối giữa khâu số 2 và khâu số 4. Chuyển động của khâu số 3 là
chuyển động quay.

-

Lực tác động lên khâu 3 bao gồm trọng lực khâu, lực tương tác với khâu 4 và
khâu 2.

d) Khâu số 4:
-

Đây là khâu kết nối giữa khâu số 3 và động cơ khoan. Chuyển động của khâu số
4 là chuyển động quay.


-


Lực tác dụng bao gồm trọng lượng khâu, lực tương tác với khâu 3, trọng lượng
của động cơ, và các lực tương tác trong quá trình khoan.

.1.3.2. Động năng và thế năng của các khâu tay máy.
Khâu 01:

Khâu 02: Khâu tịnh tiến.

Khâu 03: Khâu quay.


Khâu 04: Khâu quay.

Tổng thế năng:

Tổng động năng:

Ta có hàm Lagrange:


4.2.

Tính tốn cơ khí - chọn động cơ.

.2.1.

Tính tốn cơ khí.

a) Bộ truyền trục vít.
Thơng số đầu vào:

-

Vận tốc khi di chuyển tốc đa v= 40 mm/s.

-

Tốc độ vòng quay của động cơ N= 360 vòng/giây.

-

Tải trọng m = 7kg.

-

Hệ số ma sát = 0,1.

-

Gia tốc khi dịch chuyển a=1,5mm/s.

-

Ta tính tốn bước vít

Trong đó vmax là vận tốc lớn nhất, Nmax là tốc độ vòng quay lớn nhất.
-

Dựa vào đó ta có:

Ta chọn buớc ren Po = 15mm.

Lực chống trượt Fa = μ.Wy=0,1.15.7=10.5 N
Tính tốn lực dọc trục:
-

Chạy đều:

-

Tăng tốc:

-

Giảm tốc:


Do tải trọng khơng đổi ta có:

Chọn n>1, Nhóm chọn hệ số an tồn: 1,5.
Hiệu suất trục vít n=95%
Cơng suất cần thiết:

Ta chọn chiều dài trục vít : 300mm.
Hệ số fix free f= 1,3.
Bán kính trục vít:

Đường kính = 4.98 mm.
b) Tính tốn lựa chọn bộ truyền
Nhóm sẽ trình bày về trình tự tính tốn và lựa chọn loại pulley tương ứng với động cơ.
Ta có thơng số của bộ truyền theo bảng dưới đây:


Nhóm em lựa chọn hệ số Ki=0,1 và Ko = 1.4.

Hình. Hệ số hiệu chỉnh idlers