Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

 i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ-BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ
o0o





LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT
ỨNG DỤNG TRONG HÀN ĐIỂM







GVHD: TS. Phan Tấn Tùng
SVTH: Lê Minh Chọn
MSSV: 21000315



TP.Hồ Chí Minh, 12/2014

Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

ii

Bộ Giáo Dục và Đào Tạo Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam
Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Khoa Cơ Khí o0o
Chuyên ngành Cơ điện tử
o0o
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1.1Tên đề tài :
THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOTỨNG DỤNG TRONG HÀN ĐIỂM
1.2Nhiệm vụ:
(ĐÃ CÓ TỜ RIÊNG)
1. Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 9/2014
2. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 12 /2014
3. Họ và tên giáo viên hướng dẫn: TS.Phan Tấn Tùng
Nội dung và yêu cầu ĐATN đã thông qua Bộ môn.
Ngày….tháng….năm…
SINH VIÊN THỰC HIỆN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Nguyễn Minh Dương TS.Phan Tấn Tùng

Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

iii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
Tp.HCM, ngày…tháng .…năm….

TS. Phan Tấn Tùng
Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm


iv

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
Tp.HCM, ngày.…tháng…năm….

Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm


v

LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với nhữngsự hỗ trợ,
giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của ngườikhác. Trong suốt thời gian từ
khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại họcđến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan
tâm, giúp đỡ rất nhiều từ quý Thầy Cô,gia đình và bạn bè
Trước tiên em xin được gửi lời cám ơn và tri ân đến ba mẹ, người đã sinh và nuối
em lớn không đên ngà nay, nhờ có họ là niềm phấn đấu vươn lên của em. Em xin gửi lời
cảm ơn đến các quý thầy cô trong trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh cũng như
các thầy cô ở khoa Cơ Khí, đã nhiệt tình dạy dỗ và truyền đạt cho em nhiều kiến thức nền
tảng để em có được hành trang tốt chuẩn bị bước vào đời.
Đặc biệt là em muốn tỏ lòng cảm ơn thật nhiều đến thầyTS.Phan Tấn Tùng– Bộ
môn Thiết Kế Máy, người thầyđãân cần, tận tụy hướng dẫn em trong suốt thời gian thực
hiện luận văn này.Nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy mà em đã hoàn thành tốt bài luận
văn tốt nghiệp này, một lần nữa cho em gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy, người lái đò sống
mãi với sự nghiệp giáo dục, diều dắt những thế hệ trẻ tụi em trên con đường học tập và
nghiên cứu khoa học.
Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy Cô trong Khoa Cơ Khí và Thầy TS. Phan Tấn
Tùng thật dồi dào sứckhỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là
truyền đạtkiến thức cho thế hệ mai sau.

Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

vi

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Với tính linh hoạt trong vận hành, tự động hóa cao, nhanh và chuẩn xác; khả năng

thay thế con người làm việc trong môi trường độc hại và không an toàn…, robot công
nghiệp đang là lựa chọn hàng đầu trong các ngành công nghiệp mũi nhọn hiện nay.
Robot công nghiệp là sản phẩm đặc trưng của ngành cơ điện tử. Trên thế giới, robot
được sử dụng nhiều nhất trong các ngành chế tạo ôtô, công nghiệp điện và điện tử, chế tạo
máy và công nghiệp chế biến thực phẩm. Robot hàn, lắp ráp, vận chuyển sản phẩm và cấp
phôi trong các dây chuyền tự động.
Trong luận văn này chủ yếu tập trung nghiên cứu, thiết kế cánh tay robot 6 bậc tự do
trong ứng dụng hàn điểm trong ngành công nghiệp sản xuất ôtô. Do thời lượng làm luận
văn có hạn và robot có rất nhiều bộ phận chi tiết cần nghiên cứu thiết kế và rấtt nhiều
chương trình cần lập trình điều khiển, mô phỏng, nên trong nội dung luận văn này chỉ giới
hạn trong 2 phần trọng tâm là:
+ Phân tích động học robot và lập trình mô phổng kiểm tra bài toán động học.
+ Thiết kế cơ khí khớp robot và 2 đầu khâu nơi lắp vào khớp.
Ngoài ra trong luận văn còn trình bài thêm cái nhìn tổng quan về robot công nghiệp,
các ứng dụng của nó và tình hình sản suất trên Thế Giới; trình bài bài toán quy hoạch quỹ
đạo cho robot và một số cơ sở lý thuyết về thiết kế robot…




Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

vii

MỤC LỤC

TRANG BÌA i
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TT NGHIỆP ii
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN iii
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iv

LỜI CẢM ƠN v
TÓM TẮT LUẬN VĂN vi
MỤC LỤC vii
DANH MỤC HÌNH VÀ CÁC BẢNG x
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆPError! Bookmark not defined.
1.1. Ứng dụng robot: Error! Bookmark not defined.
1.1.1. Ứng dụng trong công nghiệp Error! Bookmark not defined.
1.1.2. Ứng dụng trong phòng thí nghiệm Error! Bookmark not defined.
1.1.3. Ứng dụng trong nông nghiệ
p Error! Bookmark not defined.
1.1.4. Ứng dụng trong thám hiểm Error! Bookmark not defined.
1.2. Phân loại robot Error! Bookmark not defined.
1.2.1. Phân loại theo hình dạng hình học không gian của không gian hoạt
động…. Error! Bookmark not defined.
1.2.2. Phân loại theo thế hệ robot Error! Bookmark not defined.
1.2.3. Phân loại theo bộ điều khiển Error! Bookmark not defined.
1.2.4. Phân loại robot theo nguồn dẫn động Error! Bookmark not defined.
1.2.5. Phân loại theo kết cấu cánh tay robot Error! Bookmark not defined.
1.3. Ưu và nhược điểm khi đưa Robot vào các ứng dụng:Error! Bookmark not defined.
Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

viii

1.3.1. Ưu
điểm…….………………………………………………………Error!
Bookmark not defined.
1.3.2. Nhược điểm Error! Bookmark not defined.
1.4. Tình hình sản xuất robot Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT THIẾT KẾ ROBOTError! Bookmark not defined.
2.1.Cơ sở lý thuyết bài toán động học thuận. Error! Bookmark not defined.

2.2. Cơ sở lý thuyết bài toán động học nghịch Error! Bookmark not defined.
2.3.Cơ sở lý thuyết bài toán động lực học Error! Bookmark not defined.
2.4. Cơ sở lý thuyết bài toán quỹ đạo robot Error! Bookmark not defined.
2.5. Lựa ch
ọn cách điều khiển robot Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 3: ĐỘNG HỌC ROBOT Error! Bookmark not defined.
3.1. Phân tích động học thuận Robot Error! Bookmark not defined.
3.1.1. Yêu cầu thiết kế robot Error! Bookmark not defined.
3.1.2. Lựa chọn mô hình robot Error! Bookmark not defined.
3.1.3. Đặt hệ tọa độ và bảng thông số D-H . Error! Bookmark not defined.
3.1.4. Thiết lập ma trận thể hệ vị trí và hướng điểm công tác so với hệ tọa
độ cơ sở Error! Bookmark not defined.
3.2. Phân tích động học nghịch Robot Error! Bookmark not defined.
3.2.1. Các ma trận nghịch đảo thành phần Error! Bookmark not defined.
3.2.2. Tìm biến các khớp Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 4:QUY HOẠCH QUỸ ĐẠO ROBOT Error! Bookmark not defined.
4.1. Lựa chọn phương án quy hoạch quỹ đạo Error! Bookmark not defined.
4.2. Quy hoặc quỹ đạo robot theo không gian làm việcError! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 5 : TRUYỀN ĐỘNG ROBOT Error! Bookmark not defined.
5.1. Chọn động cơ Error! Bookmark not defined.
Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

ix

5.2. Truyền dẫ cơ khí Error! Bookmark not defined.
5.3. Thiết kế bánh răng bộ truyền harmonic Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 6 : MÔ PHỔNG ĐỘNG HỌC ROBOT Error! Bookmark not defined.

6.1. Mục đích mô phổng Error! Bookmark not defined.
6.2. Quá trình mô phổng Error! Bookmark not defined.

6.3. Kết quả mô phổng Error! Bookmark not defined.
6.4. Chương trình mô phỏng Error! Bookmark not defined.

TÀI LIỆU KHAM THẢO 1
PHỤ LỤC A 111

Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

x

DANH MỤC HÌNH VÀ CÁC BẢNG
Hình 1.1: Robot hàn điểm của hãng Motoman. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.2: Cánh tay robot hoạt động trên trạm không gian quốc tếError! Bookmark not defined.
Hình 1.3: Robot tọa độ cầu có không gian làm việc là dạng khối cầuError! Bookmark not defined.
Hình 1.4: SCARA Robot thuộc thế hệ robot thứ ba Error! Bookmark not defined.
Hình 1.5: Robot song song của ABB Error! Bookmark not defined.
Hình 1.6: Robot song song của KuKa Error! Bookmark not defined.
Hình 1.7: Loại STAUBLI TX40 Robot Error! Bookmark not defined.
Hình 1.8: KuKa KR30-3 robot Error! Bookmark not defined.
Hình 1.9: ABB IRB 120 Robot Error! Bookmark not defined.

Hình 2.1 Cách xác định các giá trị của bảng thông số D-H Error! Bookmark not defined.
Hình 2.2: Thứ tự quay của ba góc Euler Z-Y-X. Error! Bookmark not defined.

Hình 3.1: Mô hình thứ nhất của robot 6-DOF Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2: Mô hình thứ hai của robot 6-DOF Error! Bookmark not defined.
Hình 3.3: Mô hình thứ ba của robot 6-DOF Error! Bookmark not defined.
Hình 3.4: Mô hình thứ tư của robot 6-DOF Error! Bookmark not defined.
Hình 3.5: Hệ trục tọa độ của robot 6-DOF Error! Bookmark not defined.




Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

1

Chương 1: TỔNG QUAN ROBOT
Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ta phải ứng
dụng các phương tiện tự động vào sản xuất. Xu hướng tạo ra những phương tiện, dây
chuyền về thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang được hình thành để thay thế cho
những thiết bị, máy móc “cứng” chỉ đơn thuần làm 1 việc nhất định trong khi thị
trườ
ng luôn đòi hỏi thay đỏi mặt hàng về chủng loại, kích cỡ và tính năng. Vì thế robot
là giải pháp được nhiều nhà sản xuất đưa vào dây chuyền sản xuất để giải quyết vấn đề
trên

1.1 : Ứng dụng robot
Dưới đây là những ứng dụng điển hình của robot
1.1.1: Ứng dụng trong công nghiệp
- Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Những ứng
d
ụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm, phun sơn, lắp ráp
+ Gắp đặt vật liệu: Robot được sử dụng trong khi rèn kim loại ở nhiệt độ cao sẽ
có hiệu suất cao hơn rất nhiều vì khi rèn nhiều khi đòi hỏi công nhân phải di
chuyển phôi có khối lượng lớn với nhiệt độ cao ở khắp nơi trong xưởng. Đối
với robot thì nhiệt độ cao lạ
i không đáng sợ.
+ Hàn điểm: trong sản xuất ôtô thì hàn điểm là công việc sử dụng robot nhiều
nhất, đặc biệt khi hàn khung xe.


Hình 1.1: Robot hàn điểm của hãng Motoman
+Phun sơn: phun sơn là công việc nặng nhọc độc hại đối với sức khỏe con
người và đòi hỏi tay nghề người thợ rất cao, trong khi đó robot có thể giải quyết
được tất cả vấn đê trên.
Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

2

+Lắp ráp: Một kỹ thuật sản xuất có mục tiêu lâu dài là nhà máy tự động hoàn
toàn, chính việc ứng dụng robot vào dây chuyền sản xuất giúp nâng cao năng
suất, chất lượng, hạ giá thành, tang khả năng cạnh tranh cho sản phẩm.

1.1.2: Ứng dụng trong phòng thí nghiệm
Robot thay cho con người trong 1 số thao tác lập đi lặp lại nhằm tăng năng
suất, tăng chất lượng và giảm sơ suất của con người.

1.1.3:
Ứng dụng trong nông nghiệp
Đối với nhiều người ứng dụng robot trong lĩnh vực này có thể là đều không
tưởng, nhưng thực tế trên Thế giới đã thực hiện như robot cắt lông cừu, mổ xẻ
thịt ở Úc.

1.1.4: Ứng dụng trong thám hiểm
Thám hiểm không gian hay đáy đại dương là lĩnh vực chuyên dùng robot vì
hoạt động ở ngoài Trái Đất hoặc nơi sâu tận đáy đại dươ
ng luôn chứa đựng
những yếu tố bất ngờ và nguy hiểm.

Hình 1.2: Cánh tay robot hoạt động trên trạm không gian quốc tế
Ngoài ra robot còn được ứng dụng nhiều trong giáo dục và hỗ trợ người tàn tật.





Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

3

1.2: Phân loại robot
Trong công nghiệp người ta, người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ
bản nhất của robot để giúp cho việc nhận biêt được dễ dàng. Có 4 yếu tố chính
để phân loại robot như sau:
1.2.1: Phân loại theo hình dạng hình học không gian của không gian hoạt
động
- Robot tọa độ vuông góc (cartesian robot): không gian làm việc dạng hình hộp
- Robot tọa độ trụ (Cylindrical robot): Không gian làm việc là dạng hình trụ
- Robot tọa độ cầu (spherical robot): Không gian làm việ
c là dạng khối cầu

Hình 1.3: Robot tọa độ cầu có không gian làm việc là dạng khối cầu
- Robot khớp bản lề (Articular robot): ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba trục
quay, bao gồm cả kiểu robot SCARA.

1.2.2: Phân loại theo thế hệ robot:
Theo quá trình phát triển robot, ta có thể chia ra theo các mức độ sau:
- Robot thế hệ thứ nhất: Bao gồm những robot hoạt động lặp đi lặp lại theo 1
chu trình không đổi, theo 1 chươ
ng trình “cứng” không thể đổi hoặc thay đổi
được. Đặc điểm của robot thế hệ này là sử dụng tổ hợp cơ cấu cam với limit
switch, điêu khiển vòng hở.

- Robot thế hệ thứ hai: Robot được trang bị các bộ cảm biến, có feedback tín
hiệu về bộ điều khiển.
- Robot thế hệ thứ ba: Thế hệ robot này được phát triển dưa trên thế hệ robot
thứ hai, được trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh trong điều khiển (Vision -
controlled robot) cho phép robot nhìn thấy và nhận dạng các đối tượng thao tác.
Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

4


Hình 1.4: SCARA Robot thuộc thế hệ robot thứ ba
- Robot thế hệ thứ tư: Bao gồm các robot sử dụng các thuật toán và cơ chế điều
khiển thích nghi (adaptively controlled robot). Bộ điều khiển của robot thế hệ
này có bộ nhớ tương đối lớn để giải quyết các bài toán tối ưu.
- Robot thế hệ thứ năm: Là tập hợp những robot được trang bị trí tuệ nhân tạo
(artificially intelligent robot). Robot có thể
nhận dạng tiếng nói, hình ảnh…,
được trang bị mạng Neuron có khả năng tự học.

1.2.3: Phân loại theo bộ điều khiển
- Robot gắp-đặt: Bộ điều khiển phổ biến là bộ điều khiển lập trình PLC, thực
hiện điều khiển vòng hở.
- Robot đường dẫn liên tục: Robot này sử dụng bộ điều khiển servo để th
ực
hiện điều khiển vòng kín. Quỹ đạo robot được lập trình theo một đường chính
xác.

1.2.4: Phân loại robot theo nguồn dẫn động
- Robot dùng nguồn dẫn động bằng điện: thường điều khiển động cơ DC. Nếu
nguồn AC cũng được chuyển sang DC để điều khiển.

- Robot dùng nguồn dẫn động bằng khí nén: Robot loại này thường dùng trong
các ứng dụng có tải tr
ọng nhỏ, có tay máy là các xylanh khí nén và không cần
độ chính xác cao.
- Robot dùng nguồn dẫn động bằng thủy lực: Robot laoij này thường dùng trong
các ứng dụng có tải trọng lớn, có tay máy là các xylanh thủy lực và bơm áp lực
dầu.

1.2.5: Phân loại theo kết cấu cánh tay robot
Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

5

- Robot song song: là loại robot mà kết cấu các khâu của chúng song song với
nhau, có cơ cấu vòng kín trong đó khâu tác động được liên kết trực tiếp với nền
bởi ít nhất là hai chuỗi động học độc lập.

Hình 1.5: Robot song song của ABB
Ư điểm của loại robot này là tính cứng vững, chịu tải lớn, trọng lượng nhỏ, kết
cấu đơn giản.
- Robot nối tiếp: là robot mà các khâu của chúng được liên kết n
ối tiếp với
nhau. Loại robot này được sử dụng rất nhiều trong thực tế, đặc biệt trong lĩnh
vực công nghiệp.

Hình 1.6: Robot song song của KuKa

Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

6


1.3: Ưu và nhược điểm khi đưa Robot vào các ứng dụng:
1.3.1: Ưu điểm:
- Robot có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý, bằng hoặc hơn một
người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc. Vì thế
robot có thể nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm. Robot
có thể nhanh chóng thay đổi công việc, thích nghi nhanh với việc thay đổi mẫu
mã, kích cỡ của s
ản phẩm theo yêu cầu thị trường cạnh tranh
- Giảm chi phí nhân công, đặc biệt có ý nghĩa trong ở các nước có nguồn nhân
công giá cao.
- Sản phẩm làm ra ít bị sai sót và giảm phế phẩm tối đa.
- Tăng năng suất của dây chuyền sản xuất vì robot có thể làm việc rất nhanh,
nhip độ cao, thời gia dài mà con người không thể đáp ứng được.
- Robot có thể làm việc trong điều kiện môi trường khắc nghiệt, độc hại, nhi
ều
bụi bậm.
3.2: Nhươc điểm:
- Chi phí đầu tư ban đầu, bảo trì, bảo dưỡng robot khá lớn, chỉ những công ty,
xi nghiệp lớn và đủ vốn mới có thể trang bị dây chuyền sản xuất dùng robot
phục vụ.
- Cần nguồn nhân công có đủ trình độ, chuyên môn để vận hành, điều khiển
robot.
- Robot thường được ứng dụng trong dây chuyền sản xuât và sản xuất hàng loạt
nên nếu có l
ỗi trong quá trình lập trình, dạy robot thì cả loạt sản phẩm sản xuất
ra sẽ đều thành phế phẩm…
- Robot không thông minh như con người, nên chỉ làm được 1 số nhiệm vụ nhất
định.



1.4: Sản xuất robot.
Hiện tại rất nhiêu nước sản xuất robot, đặc biệt là cánh tay robot, có thể kể đến
1 số nước dẫn đầu như sau: Nhật Bản, Mỹ, Canada….
Dưới đây là 1 số hãng s
ản xuất và dòng sản phẩm robot mà hãng có thường
thấy ở Việt Nam và Thế Giới:

-Staubli robot:
+ Dòng robot tải trọng nhỏ: TP80, TS20, TS40, TS60, TS80, TX40, TX2-
40, TX60
+ Dòng robot tải trong trung bình: TX90, TX2-90, TX160
Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

7

+ Dòng robot tải trọng nặng: TX200, TX340 SH.

Hình 1.7: Loại STAUBLI TX40 Robot

Model TX40
Số bậc tự do 6
Tải bình thường 1.7kg
Tải lớn nhất 2.3kg
Tầm với 515mm
Sai số 0.02mm
Bộ điều khiển CS8C

-KuKa robot:
+ Dòng robot loại nhỏ: KR R700 fivve, KR6 R700 sixx, KR6 R700 sixx

WP…
+ Dòng robot loại tải trọng nhỏ: KR 5 arc, KR6-2, KR 16-3 S, KR16-2….
+ Dòng robot loại tải trọng trung bình: KR30-3, KR 30 L160-2, KR40PA,
KR 60-3,
+ Dòng robot loại tải trọng lớn: KR QUANTEC pro, KR QUANTEC
extra,…
Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

8

+ Dòng robot loại tải trọng nặng: KR 360 FORTEC, KR 500
FORTEC,……

Hình 1.8: KuKa KR30-3 robot
Model KR 30-3
Tải thông thường 30kg
Tải lớn nhất 35kg
Tầm với 2033mm
Số trục 6
Sai số 0.06mm
Trong lượng robot 665kg


- ABB robot: IRB 120, IRB 2600, IRB 4400…
Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

9


Hình 1.9: ABB IRB 120 Robot

Model IRB 120
Số trục 6
Tải thường 25 kg
Sai số 0.01 mm
Tầm với 580m

Ngoài ra còn nhiều hãng khác sản xuất robot công nghiệp như: Toshiba,
Motoman, OKURA, OTC Daihen, Fanuc, Panasonic….












Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

10

Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết kế robot:

2.1: Cơ sở lý thuyết bài toán động học thuận.
- Ví trí khâu trong không gian được xác định bởi vị trí một điểm định vị và
hướng của điểm đó trong hệ quy chiếu đã chọn. Nhiệm vụ của bài toán động
học thuận là xác định vị trí và hướng của điểm định ( thường là điểm công tác)

so với h
ệ quy chiếu đã chọn (thường là hệ quy chiếu cố định- giá) nhờ vào giá
trị góc các biến khớp.
- Có nhiều phương pháp phân tích bài toán động học, trong luận văn này tôi sẽ
trình bài phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg để thực hiện giải quyết bài
toán động học robot.
- Để giải bài toán động học ta cần đặt hệ tọa độ lên từng khâu.
- Ta có 1 số quy ước như sau khi xác định hệ tọa độ gắn trên 1 khâu thứ
i:
+ Trục Z là trục quay tương đối giữa 2 khâu, trục quay tương đối giữa
khâu thứ i và i+1 là Zi.
+ Trục Xi được là định là đường vuông góc chung của 2 trục quay Zi-1 và
Zi, hướng từ Zi-1 đến Zi.
+ Trục Yi được xác định theo quy tắc bàn tay phải khi đã biết 2 trục Zi và
Xi.


Hình 2.1 Cách xác định các giá trị của bảng thông số D-H
Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

11

- Vị trí và hướng của 1 điểm trên khâu thứ i hoàn toàn có thể được xác định
thông qua hệ tọa độ liền kề trước nó i-1, vì thế ta có thể hoàn toàn xác định
được vị trí và hướng của điểm công tác ở khâu cuối so với hệ tọa độ đứng yên
thông qua công thức sau:
001 1
.
12
N

TTT T
NN


(1.1)

Trong đó
1i
T
i

là ma trận chuyển đổi vị trí và hướng của điểm định vị từ hệ tọa
độ i về hệ tọa độ trước nó i-1 hay nói cách khác đây là ma trận thể thể hiện tọa
độ vị trí và hướng của hệ tọa độ thứ i trong i-1.
- Dưới đây là cách xác định các giá trị trong bảng thông số D-H để tạo nên ma
trận
1i
T
i

:
Khảo sát khâu thứ i và 2 hệ tọa độ i-1 và i như hình 2, ta định nghĩa các thông
số của bảng D-H như sau:
+ a
i
là đoạn vuông góc chung giữa 2 trục Z
i-1
và Z
i
, chiều từ Z

i-1
đến Z
i
.
+ α
i
là góc tạo bởi 2 trục Z
i-1
và Z
i
, chiều dương là chiều từ Z
i-1
đến Z
i
nhìn
từ X
i
.
+ d
i
là đoạn vuông góc chung giữa 2 trục X
i-1
và X
i
nhìn từ Z
i-1

+ θ
i
là góc tạo bởi trục X

i-1
và X
i
, chiều dương là chiều từ X
i-1
đến X
i
nhìn
từ Z
i-1
.
Trong 4 giá trị của bảng D-H thì chỉ có 1 biến và 3 giá trị kia là hằng số tùy
thuộc vào hình dạng hình học và loại khớp. Nếu khớp nối là khớp quay thì θ
i
là
biến; nếu khớp nối là khớp tịnh tiến thì d
i
là biến và 3 thông số còn lại là hằng.
Từ các thông số đã tìm được như trên, ta có ma trận
1i
T
i

như sau:
1
1
os sin os sin sin os
sin os os os sin sin
0sin os
00 0 1

iiiiiii
iii iiii
i
i
ii
cc ac
cc c a
T
cd

  

  











(1.2)
Từ công thức (1.1) và (1.2) với các thông số D-H ta có thể hoàn toàn xác định
được vị trí và hướng của điểm công tác so với gốc tọa độ 0, gốc tọa độ gắn với
giá khi biết ma trận
0
T

N

Ta có thể xem ma trận đó như sau:
0
01
N
R
P
T




; trong đó R là ma trân hướng, P là ma trận chỉ vị trí của điểm công
tác so với hệ tọa độ gốc.



Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

12

2.2: Cơ sở lý thuyết bài toán động học nghịch.
- Hiện tại chưa có phương pháp tổng quát để giải bài toán động học nghịch của
robot, trong luận văn này chỉ trình bày phương pháp nhân ma trận nghịch đảo.
- Cái mà ta đã biết là:
+
[x, y, z]p 
là ba vị trí tọa độ điểm công tác của robot.
+ α, β, γ là ba giá trị góc Euler


Hình 2.2: Thứ tự quay của ba góc Euler Z-Y-X
Giả sử ban đầu hệ tọa độ A và B trùng nhau, hệ tọa độ A sẽ là hệ tọa độ tham
chiếu:
- Đầu tiên hệ tọa độ B xoay quanh trục Z
B
1góc α.
- Sau đó, hệ tọa độ B xoay quanh trục Y
B
1 góc β
- Cuối cùng, hệ tọa độ B xoay quanh trục X
B
1 góc γ
Khi xoay ba góc Euler như trên, ta có hướng của hệ tọa độ B so với A được
tính như sau:
(,,) () () ()
''' ' ' '
0010
0
= 0 0 1 0 0
001 0 0
(,,)
'''
A
RRRR
B
ZYZ Z Y X
cs c s
s
ccs

s
csc
cc css sc ss scc
A
Rscccsssss
B
ZYZ
   
  




    
    










 ccs
scs cc
 
 









Hay nói cách khác, ma trận ta đã biết là
0
01
N
R
p
T





Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

13

Với N=6 (robot 6 bậc tự do) thì ta có
11 12 13
21 22 23
0
6
31 32 33
01

0001
rrrx
R
prrry
T
rrr z










(1.3)
hoàn toàn xác định vì đã có
[x, y, z]p

và
[,,]


Nhiệm vụ của chúng ta là giải bài toán để tìm

123456
T




- Giả sử ta đã có ma trân
0
6
T
xác định vị trí và hướng của điểm công tác so
với hệ tọa độ cố định-giá như trên. Đồng thời ta cũng có cá ma trận thành
phần phụ thuộc vào các biến khớp:
012345
112233445566
( ), ( ), ( ), ( ), ( ), ( )TT TT TT



- Theo bài toán động học thuận ta có:
4
0 012345
6123456
T TTTTTT
(1.4)
Ta có thể nhân các ma trận nghịch đảo
01
1
T

vào (1.3) để tìm biến khớp
1

:
0012345

6123456
010 01012345
16 1 123456
010 12345
16 23456
010 1
16 6

. ( )

.
T TTTTTT
T T T TTTTTT
T T TTTTT
TTT







(1.5)
Ta thực hiện đồng nhất 2 ma trận ở 2 vế của (1.5) để tìm biến khớp
1

. Ta
thấy vế trái của (1.5) là ma trận chỉ có biến là
1


; Vế phải của (1.5) bắt
buộc phải có ít nhất 1 phần tử của ma trận hướng hoặc ít nhất 1 phần tử ma
trận vị trí là hằng số hoặc bằng 0.
Tương tự ta tìm biến khớp
2

:
0 012345
6123456
110 10 110 1012345
21621 123456
110 10 2345
216 3456
11010 2
216 6

.( )


TTTTTTT
TTTTT TTTTTT
TTT TTTT
TTT T
 







(1.6)
Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm

14

Đồng nhất 2 vế của (1.6) ta cũng tìm được biến khớp thứ hai. Ta thấy vế
trái của (1.6) là ma trận có 2 biến khớp là
1

và
2

nhưng
1

đã tìm được ở
trên, nên ta chỉ còn 1 biến khớp là
2

; và vế trái của (1.6) cũng phải có ít
nhất 1 phần tử trong ma trận là hằng số hoặc 0.
Tương tự ta có thể tìm được những biến khớp còn lại.
 Nhận xét phương pháp:
- Ưu điểm: đây là phương pháp khá tổng quát, dễ thực hiện, có thể nhờ vào
sự hỗ trợ của phần mềm để tính như Matlab.
- Nhược điểm:
+ Muốn thực hiện được phương pháp thì đầu tiên là các ma trận thành
phần
1i
T

i

phải có khả năng nghịch đảo được.
+ Khi thực hiện đồng nhất 2 ma trận để tìm biến khớp thì bắt buộc phải
có 1 ma trận có ít nhất 1 phần tử là hằng số hoặc bằng 0.
2.3: Cơ sở lý thuyết bài toán động lực học:
- Cho những mục đích thiết kế và điều khiển, cần thiết phải có mô hình toán
học mô tả động lực học cho hệ
thống. Mô hình đó thường là những phương
trình vi phân. Trong nghiên cứu động lực học robot cần giải quyết 2 vấn đề
sau:
+ Nhiệm vụ thứ nhất: Xác định moment và lực động xuất hiện trong quá
trình chuyển động.
+ Nhiệm vụ thứ hai: Xác định các sai số động tức là độ lệch so với quy luật
chuyển động theo chương trình.
- Có nhiều phương pháp nghiên cứu động lực học robot như
ng thường gặp
hơn là phương pháp tĩnh học và phương pháp dùng phương trình
Lagrange bậc 2.
- Phương pháp tĩnh học xây dựng trên nguyên lý D’Alembert cho phép xác
định các lực truyền dẫn để thực hiện chuyển động của bộ phận công tác,
đồng thời cho phép xác định lực quán tính trong các khớp.
- Phương pháp dùng phương trình Lagrange dùng để xây dựng mô hình
động học robot là phương pháp hiệu quả và thuận tiện cho việc xây dựng
thuật toán giải trên máy tính, kể
cả khi xét đến tính đàn hồi của khâu.
- Trong luận văn này, chỉ trình bài phương pháp dùng phương trình
Lagrange bậc 2 để xây dựng bài toán động lực học.
- Phương trình chuyển động Lagrange thiết lập cho cơ hệ:
Thiết kế cánh tay robot 6 DOF ứng dụng trong hàn điểm


15

dL L
dt










(1.7)
Trong đó:

biểu diễn không gian biến khớp của robot


Là vector biểu diễn các lực của các khâu tay máy.
L=K-P là sự chênh lệch giữa động năng K và thế năng P của cơ
hệ.
- Sau khi xây dựng phương trình Lagrange như (5.7) ta sẽ được hệ các
phương trình vi phân của các tay máy. Ta cần chuyển hệ phương trình vi
phân đó thành dạng ma trận chuẩn như sau:
() (,) () ()
d
MV FG


  


  
(1.8)
Trong đó:
()M

là ma trận quán tính
(,)V



là vector lực Coriolis hoặc/và lực hướng tâm
()F


là lực ma sát
()G

là vector trọng lực
d

là nhiễu thêm vào.

- Ở phương trình (5.8) như trên, ta công thêm lực ma sát và nhiễu vào để ta
có thể khái quát hóa phương trình động lực học. Thật chất việc xác định lực
ma sát là không dễ chút nào. Nhiễu được thêm vào để bù cho trường hợp
mô hình động lực học có sai sót mà ta chưa lường hết trước được.

- Để xây dựng mô hình động lực học cho tay máy bằng cách sử dựng
phương trình Lagrange loại 2, ta cần biết các thông số sau:
+ Khối l
ượng cũng như tọa độ khối tâm trên tay máy.
+ Vận tốc của điểm bất kì trên máy
+ Các thông số về ma sát và nhiễu giữa các khâu, các khớp.





2.4: Cơ sở lý thuyết bài toán quỹ đạo robot
- Khi lập trình quỹ đạo chuyển động của robot để thực hiện nhiệm vụ đặt ra,
thông thường cần biết trước vị trí và hướng của khâu tác động cuối của
Robot ở nh
ững điểm khác nhau trong không gian thao tác. Những điểm biết