TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA CƠ KHÍ
------

ĐỒ ÁN KỸ THUẬT ROBOT
NỘI DUNG: THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁNH
TAY ROBOT SCARA

SVTH:TRÌNH ĐÌNH THI
PHẠM HỒNG NHỰT
LÂM HOÀNG NGỌC THẠCH
LỚP: 56CDT
GVHD: NGUYỄN THIÊN CHƯƠNG

NHATRANG 7/12/2017
1


Lời Mở Đầu
Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất và chất lượng
sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa sản xuất.
Xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đã hình
thành và phát triển mạnh mẽ…Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng người
máy để tạo ra các hệ sản xuất tự động linh hoạt.
Robot ứng dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong sản xuất cũng như
trong đời sống. Robot là cơ cấu đa chức năng có khả năng lập trình được dùng để di
chuyển nguyên vật liệu, các chi tiết, các dụng cụ thông qua các truyền động được lập
trình trước. Khoa học robot chủ yếu dựa vào các phép toán về đại số ma trận.
Robot có thể thao tác như con người và hợp tác một cách thông minh.
Robot có cánh tay với nhiều bậc tự do và có thế thực hiện các chuyển động
như tay người và điều khiển được bằng máy tính hoặc có thể điều khiểnbằng chương

trình được nạp sẵn trong chip trên bo mạch điều khiển robot.
Để hệ điều khiển robot có độ tin cậy, độ chính xác cao, giá thành hạ và tiết
kiệm năng lượng thì nhiệm vụ cơ bản là hệ điều khiển robot phải đảm bảo giá trị yêu
cầu của các đại lượng điều chỉnh và điều khiển. Ngoài ra, hệ điều khiển robot phải
đảm bảo ổn định động và tĩnh, chống được nhiễu trong và ngoài, đồng thời không gây
tác hại cho môi trường như: tiếng ồn quá mức quy định, sóng hài của điện áp và dòng
điện quá lớn cho lưới điện v.v..

1


Mục Lục
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ROBOT SCARA...............................................- 3 1.1 Giới thiệu Robot Scara:...................................................................................- 3 1.2 Phân loại robot công nhiệp:.............................................................................- 4 1.2.1 Phân loại theo kết cấu:..............................................................................- 4 1.2.2 Phân loại theo hệ thống truyền động:........................................................- 4 1.2.3 Phân loại theo ứng dụng:..........................................................................- 4 1.3.4 Phân loại theo phương pháp điều khiển....................................................- 4 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT....................................................- 5 2.1 Cơ sở khoa học:...............................................................................................- 5 2.2Bản thiết kế bằng Solidworks :.........................................................................- 5 2.3 Danh sách linh kiện:........................................................................................- 6 2.3.1 Cơ khí:......................................................................................................- 6 2.3.2 Phần điện tử:...........................................................................................- 10 2.3.3 Chi tiết in:...............................................................................................- 15 2.4 Các bước chế tạo lắp ráp:..............................................................................- 18 2.4.1 Cơ khí.....................................................................................................- 18 2.4.2 Phần sơ đồ mạch điện:............................................................................- 25 CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ PHẦN ĐỆM...................- 29 3.1 Chương trình điều khiển bằng python...........................................................- 29 3.1.1 Các bước viết ra giao diện chương trình python.....................................- 29 3.2 Chương trình đệm arduino............................................................................- 56 3.3 Hiệu chỉnh máy.............................................................................................- 57 3.4 Ứng dụng......................................................................................................- 58 Chương 4 : Kết Luận............................................................................................- 66 4.1. Kết quả đạt được..........................................................................................- 66 4.2. Các mặt còn hạn chế.....................................................................................- 66 4.3. Hướng phát triển tương lai...........................................................................- 66 -

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ROBOT SCARA
1.1 Giới thiệu Robot Scara:
Scara Robot ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yasamaski (Nhật Bản) dùng
trong việc lắp ráp. Đó là tay máy scara đặc biệt gồm hai khớp quay và một khớp trượt,
2


nhưng cả ba khớp đều có trục song song với nhau. Kết cấu này làm cho tay máy cứng
vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững hơn theo phương ngang.
Loại này chuyên dùng trong công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ theo phương đứng. Từ
Scara là viết tắt của chữ “Selective Compliance Articulated Robot Actuato ”.
Scara Robot được nhiều hãng chế tạo để phục vụ có nhiều mục đích khác nhau
như hàn, lắp ráp, vận chuyển, khoan, doa,… Các hãng chuyên sản xuất Robot Scara
như General motor, Hitachi, Mitsubishi, IBM, MOTOMAN, EPSON, PANASONIC,
SONY,… Ngày nay, các hãng tiếp tục hoàn thiện bộ điều khiển và kết cấu cơ khí để
ngày càng được linh hoạt hơn.

Scara Robot có vùng không gian hoạt động có dạng hình trụ. Đây là loại cấu hình
dễ thực hiện nhất được ứng dụng cho robot là dạng khớp nối bản lề và kế đó là khớp
trượt. Dạng này phổ biến nhất trong ứng dụng công nghiệp bởi vì chúng cho phép các
nhà sản xuất robot sử dụng một cách trực tiếp và dễ dàng nhờ các khâu và khớp hợp
lại có nhiều ưu điểm
Về mặt hình học, cấu hình dạng khớp nối bản lề với ba trục quay bố trí theo
phương thẳng đứng là dạng đơn giản và có hiệu quả nhất trong trường hợp yêu cầu
gắp đặt và đặt chi tiết theo phương thẳng. Trong trường hợp này bài toán tọa độ hoặc
quỹ đạo chuyển động đối với robot chỉ cần giải quyết ở hai phương x và y còn lại
bằng cách phối hợp ba chuyển động quay quanh ba trục song song với trục z.
Scara Robot luôn là chủ đề được quan tâm nhiều trong lĩnh vực tự động hóa bởi
tính ứng dụng thực tiễn của nó trong xã hội hiện nay nói chung và trong ngành công
nghiệp nói riêng. Mỗi cánh tay đều có một cơ cấu khác nhau, do đó có các phương
trình động học , động lực học cũng khác nhau cho nên việc tính toán và điều khiển
mỗi loại cánh tay máy là rất phức tạp. Có thể thấy tay máy là một đề tài không mới
nhưng nó mang tính chất khó, nghiên cứu và ứng dụng cao.
Scara Robot là một trong những robot phổ biến nhất trong công nghiệp. Chuyển
động của robot này rất đơn giản nhưng lại phù hợp với các dây chuyền và ứng dụng
hữu hiệu trong nhiệm vụ nhặt và đặt sản phẩm .Robot Scara (Selectively Compliant
Articulated Robot Arm) có nghĩa là tay máy lắp ráp chọn lọc.
Cấu trúc động học loại tay máy này thuộc hệ phỏng sinh, có các trục quay, các
khớp đều là thẳng đứng. Nó có cấu tạo hai khớp ở cánh tay, một khớp ở cổ tay và một
khớp tịnh tiến. Các khớp quay hoạt động nhờ động cơ điện có phản hồi vị trí. Khớp
tịnh tiến hoạt động nhờ xi-lanh khí nén, trục vít hoặc thanh răng.
1.2 Phân loại robot công nhiệp:
1.2.1 Phân loại theo kết cấu:
Theo kết cấu của tay máy người ta phân thành robot kiểu tọa độ Đề các, kiểu
tọa độ trụ, kiểu tọa độ cầu, kiểu tọa độ góc, robot kiểu scara.

3



1.2.2 Phân loại theo hệ thống truyền động:
- Hệ truyền động điện: thường dùng các loại động cơ điện 1 chiều (DC) hoặc các
động cơ bước (step motor). Loại truyền động này dễ điều khiển, kết cấu gọn gàng.
- Hệ truyền động thủy lực: có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều
kiện làm việc nặng. Tuy nhiên hệ thống thướng có kết cấu cồng kềnh, khó xử lý
khi điều khiển.
- Hệ truyền động khí nén: có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược nhưng
lại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén. Hệ này làm việc với công suất trung
bình và nhỏ, kém chính xác.
1.2.3 Phân loại theo ứng dụng:
Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất như: robot sơn, robot hàn, robot lắp
ráp, robot chuyển phôi…
1.3.4 Phân loại theo phương pháp điều khiển.
- Robot điều khiển hở (mạch điều khiển không có các quan hệ phản hồi).
- Robot điều khiển kín: sử dụng các cảm biến, mạch phản hồi để tăng độ chính
xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển.

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT

4


2.1 Cơ sở khoa học:
Thiết kế của tay Scara gồm 3 khâu 1 khớp tịnh tiến và 2 khớp quay, Tay A có
chiều dài 110mm, tay B là 85mm. Thiết kế được vẽ trên Solidwork theo cơ cấu truyền
động qua pully và dây đai.
Với yêu cầu thiết kế cánh tay robot Scara ứng dụng để vẽ. Chúng em đưa ra các
tiêu chí như sau:

- Cơ khí :
+ Đáp ứng yêu cầu môn học (thiết kế cánh tay Scara với 3 khâu, 1 khớp tịnh
tiến, và 2 khớp quay và đầu kẹp viết để vẽ).
+ Nhỏ gọn, đẹp, chắc chắn, hạn chế độ rê nhất có thể tại các khớp nối.
+ Vật liệu chi tiết nhẹ, tiết kiệm chi phí.
- Điều khiển:
+ Đơn giản, tiết kiệm chi phí.
+ Phù hợp với quy mô thiết kế, và công suất robot.
+ Boar mạch có sẵn, thông dụng.
2.2Bản thiết kế bằng Solidworks :
Các chi tiết được vẽ trên Solidwork sau đó sử dụng máy in 3D để in ra sản
phẩm.
Lắp ghép các chi tiết lại thành Scara.

5


Hình 1 Robot Scara trên bản vẽ Solidwords

2.3 Danh sách linh kiện:
2.3.1 Cơ khí:

Hình 2.1 Trục vitme

6


Hình 2.2Thanh trượt

Hình 2.3Bạc đạn 13-5


Hình 2.4 Ốc vít

7


Hình 2.5Con trượt LM8UU

Hình 2.6Dây đai GT2

Hình 2.7Puly GT2, bước răng 2mm

8


Hình 2.8Bạc đạn giữ vitme

Hình 2.9Khớp nối mềm 5x8

9


2.3.2 Phần điện tử:
2.3.2.1 Mạch Arduino Uno:

Hình 2.10 Mạch Arduino Uno
-Một số thông số kỹ thuật của Arduino Uno

Vi điều khiển
Điện áp hoạt động

Tần số hoạt động
Dòng tiêu thụ
Điện áp vào khuyên dùng
Điện áp vào giới hạn
Số chân Digital I/O
Số chân Analog
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O
Dòng ra tối đa (5V)
Dòng ra tối đa (3.3V)
Bộ nhớ flash
SRAM
EEPROM

ATmega328 họ 8bit
5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
16 MHz
khoảng 30mA
7-12V DC
6-20V DC
14 (6 chân hardware PWM)
6 (độ phân giải 10bit)
30 mA
500 mA
50 mA
32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader
2 KB (ATmega328)
1 KB (ATmega328)

Hình 2.11 Bảng thông số kỹ thuật của Arduino Uno
10



2.3.2.2: Mạch CNC Shield:

Hình 2.12 Mạch CNC Shield
CNC shield V3 là board mở rộng của Arduino UNO R3 dùng để điều khiển các máy
CNC mini. Board có 4 khay dùng để cắm các mô đun điều khiển động cơ bước
A4988, khi đó board có thể điều khiển3 trục X, Y, Z và thêm một trục thứ 4 tùy chọn
trên các máy CNC mini.
Đặc điểm nổi bật:
- Tương thích GRBL (mã nguồn mở chạy trên Arduino UNO R3 để điều khiển CNC
mini)
- Hỗ trợ lên tới 4 trục (trục X, Y, Z và một trục thứ tư tùy chọn)
- Hỗ trợ tới 2 Endstop (cảm biến đầu cuối) cho mỗi trục
- Tính năng điều khiển Spindle
- Tính năng điều khiển dung dịch làm mát khi máy hoạt động
- Sử dụng các mô đun điều khiển động cơ bước, giúp tiết kiệm chi phí khi thay thế,
nâng cấp
- Thiết lập độ phân giải bước động cơ bằng jump đơn giản
- Thiết kế nhỏ gọn, các đầu nối tiêu chuẩn thông dụng
- Điện áp nguồn cấp đa dạng từ 12V tới 36V

11


2.3.2.3 Mạch điều khiển động cơ stepper drivers A4988

Hình 2.13 Stepper drvivers A4988
A4988 là một driver điều khiển động cơ bước cực kì nhỏ gọn, hỗ trợ nhiều chế độ làm
việc điều chỉnh được dòng ra cho động cơ , tự ngắt điện khi quá nóng.

Mạch Arduino điều khiển trực tiếp 2 chân sung và chiều trên A4988 là chân STEP và
chân DIR.


cấp Điện áp tối thiểu: 8 V



Điện áp cấp cực đại: 35 V



Điều chỉnh dòng ra bằng triết áp



Dòng cấp liên tục cho mỗi pha: 1 A (không cần
tản nhiệt, làm mát)
Dòng cấp liên tục cho mỗi pha: 2 A (khi có làm


mát, tản nhiệt)


Điện áp logic 1 tối thiểu: 3 V



Điện áp logic 1 tối đa: 5.5 V




MS1 , MS2 , MS3 : điều khiển chế độ của động
cơ.



Độ phân giải: full, 1/2, 1/4, 1/8, và 1/16



Tín hiệu điều khiển : STEP, DIR



Khích chân enable ở mức thấp thì driver hoạt
động
12




Chân sleep va reset luôn được nối với nhau vì
khi hết hoạt động tự động reset driver về 0.



Chân Vmot và GND nguồn cung cấp cho động
cợ.
Chân VDD và GND nguồn nuôi driver




* Muốn động cơ quay nhanh ta điều khiển chế độ của driver, khi động cơ đi quá nhanh sẽ
dẫn tới sai số ảnh hưởng đến sản phẩm mà ta gia công.

Các chế độ điều khiển của driver A4988:

Hình 2.14 Các chế độ điều khiển A4988
2.3.2.4 Động cơ Servo

13


Hình 2.15 Động cơ Servo
Động cơ RC Servo 9G là động phổ biến dùng trong các mô hình điều khiển nhỏ và
đơn giản như cánh tay robot. Động cơ có tốc độ phản ứng nhanh, được tích hợp sẵn
Driver điều khiển động cơ, dễ dàng điều khiển góc quay bằng phương pháp điều độ
rộng xung PWM.
Khối lượng : 9g
Kích thước: 22.2x11.8.32 mm
Momen xoắn: 1.8kg/cm
Tốc độ hoạt động: 60 độ trong 0.1 giây
Điện áp hoạt động: 4.8V(~5V)
Nhiệt độ hoạt động: 0 ºC – 55 ºC
Kết nối dây màu đỏ với 5V, dây màu nâu với mass, dây màu cam với chân phát
xung của vi điều khiển. Ở chân xung cấp một xung từ 1ms-2ms theo để điều khiển góc
quay theo ý muốn.

2.3.2.5 Động cơ bước Nema 17


Hình 2.16Động cơ bước

NEMA 17 (cỡ 42mm) dài 48mm là loại động cơ bước thường được dùng khi chế tạo
máy in 3D, CNC mini và thường được lắp cùng với puli GT2
Đặc điểm nổi bật :
- Mới 100%
- Đường kính trục 5mm. Đầu trục vát phẳng, giúp puli/khớp nối không đỡ bị lỏng khi
hoạt động
- Cường độ định mức 1.5A, mô men giữ 0.55 Nm, góc quay mỗi bước 1.8 °
14


- Dây nối dài 1m, đầu dây chuẩn XH2.54. Tương thích với đầu ra động cơ bước trên
mạch RAMPS 1.4 hoặc CNC shield V3
- Công suất phù hợp cho máy in 3D và CNC mini
- Ít tỏa nhiệt, chuyển động êm
- Khối lượng: 400g
2.3.2.5 Công tắc hành trình Module

Hình 2.17 Công tắc hành trình Module

Công tắc hành trình máy in 3D được sử dụng trong các thiết kế máy in 3D để
xác định điểm của hành trình trục, công tắc được thiết kế dễ sử dụng với dây cắm đi
kèm, đèn báo kích hoạt. Ngoài việc sử dụng cho máy in 3D công tắc có thể được sử
dụng cho nhiều mục đích khác nhau.

15



2.3.3 Chi tiết in:

Bot

Top

Motor bot

Motor top

16


Spacer fix

Arm A

Arm bottom

Bánh răng GT2

Arm A1

17


Arm B

Gá tay gắp vật


EBA R01

EBA 01

Tay 1

Tay 2

18


2.4 Các bước chế tạo lắp ráp:
2.4.1-Cơ khí
B1 : Lắp 3 thanh trượt vào Bot , Lắp Đai ốc vít me để giữ vít me

B2 : Cố định LM8UU và Bạc đạn vào M-Top B3: Tương tự B2 với Motor bot

19


B4+B5 : Gắn động cơ bước vào Motor bot và Motor top

B6 :Cố định Puly GT2 vào 2 động cơ bước (có thể làm trước B4, B5)

20


B7 + B8 : Cố định Arm A và Arm A1 với Motor bottom

21



B9 : Cố định Arm B với Motor top

B10 : Lắp các khớp ở B8 vào trục thanh trượt phi 8

22


B11 : Lắp con trượt tròn vào spacer fix, 2 cái, sau đó cho vào 2 trục còn lại của
tirenphi 8

B12 : Lắp B9 vào khớp với 3 trục . Cố định khoảng cách giữa Bot và Top bằng 2
bulong 2 bên (đo đúng kích thước 2 bên = 4.8cm)

23


B13: Lắp bạc đạn khớp với Arm A1 và Arm B, Bulong phi 8 giữ trục

B14 : Lắp dây đai cho các bánh răng và puly

24