TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT BA BẬC TỰ DO
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Kiên Trung
Sinh viên thực hiện: Bùi Văn Mạnh
MSSV : 20152383
Hà Nội, 06/2017
Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ điện tử GVHD:TS.Nguyễn Kiên Trung
Bùi Văn Mạnh – KT Cơ Điện tử 03-k60 Page 2
LỜI MỞ ĐẦU
Robot công nghiệp là lĩnh vực được nghiên cứu và phát triển mạnh trên thế
giới nhưng ở nước ta, lĩnh vực này còn mới mẻ. Ngày nay trong quá trình sản xuất
hiện đại, hầu hết các quy trình được thực hiện bằng máy chuyên dùng. Các
phương pháp này đã làm giảm rõ rệt chi phí sản xuất các sản phẩm công nghiệp
phù hợp với đa số người tiêu dùng.
Tuy nhiên, mỗi máy công cụ được thiết kế để thực hiện nguyên công cho
trước, mỗi khi cần thay đổi kiểu mẫu sản phẩm, thì toàn bộ dây chuyền sản xuất
phải được cải tạo lại. Việc sửa đổi rất tốn kém. Chính những lý do đó đã thúc đẩy
sự phát triển của phươnng pháp sản xuất tiên tiến, đó là chế tạo ra các loại robot
được đưa vào quy trình chế tạo để thực hiện nhiều nguyên công như: chuyển tải
vật tư và các thiết bị trong các dây truyền hiện đại, hàn điểm, sơn phun và lắp ráp
trong công nghiệp ô tô. Đây là kiểu tự động hóa linh hoạt và mang lại hiệu quả
kinh tế cao, rất cần thiết trong hoàn cảnh đất nước ta hiện nay đang tiến tới công
nghiệp hóa hiện đại hóa toàn diện.
Robot công nghiệp được ứng dụng rộng rãi trong các dây truyền sản xuất
hiện đại và có sự linh hoạt cao. Vì vậy việc nghiên cứu và chế tạo robot là rất cần
thiết và vô cùng quan trọng .
Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tâm huyết của thầy
TS.Nguyễn Kiên Trung– Bộ môn Công nghệ chế tạo máy - Viện cơ khí – Đại học
Bách khoa Hà Nội đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian hoàn
thành đồ án này.
Do kiến thức còn hạn hẹp và thời gian thực hiện không nhiều nên trong quá
trình thực hiện sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Đề tài rất mong được sự góp
ý của quý thầy cô.
Em xin chân thành cảm ơn!
Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ điện tử GVHD:TS.Nguyễn Kiên Trung
Bùi Văn Mạnh – KT Cơ Điện tử 03-k60 Page 3
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 2
CHƯƠNG 1:PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC ĐỀ TÀI .......................................................... 5
I. Tổng quan về đề tài ............................................................................................................. 5
1) Khái niệm và nguyên lý hoạt động của Robot ................................................................. 5
2) Đối tượng thao tác, dạng thao tác ................................................................................. 6
II. Phân tích các thông số kỹ thuật Robot ................................................................................. 6
1) Các thành phần kết cấu của Robot ..................................................................................... 6
2) Thông số kỹ thuật ............................................................................................................... 7
3) Phân tích nguyên lý hoạt động ........................................................................................... 8
CHƯƠNG 2: Tính toán quỹ đạo chuyển động ........................................................................... 10
1) Bảng D-H .................................................................................................................................... 10
2) Thiết lập các phương trình động học Robot ............................................................................ 11
3) Bài toán động học thuận................................................................................................... 13
4) Bài toán động học ngược .................................................................................................. 18
CHƯƠNG 3: Bài toán tĩnh học .................................................................................................. 21
1) Tính toán lý thuyết .......................................................................................................... 21
2) Thay số liệu thực tế . ....................................................................................................... 26
CHƯƠNG 4: Bài toán động lực học ........................................................................................... 28
1) Cơ sở lý thuyết .......................................................................................................................... 28
2) Thiết lập phương trình động học ............................................................................................. 30
CHƯƠNG 5: Kiểm nghiệm bền ................................................................................................. 39
CHƯƠNG 6: Thiết kế quỹ đạo chuyển động của Robot ............................................................. 41
1) Khái niệm, yêu cầu và nhiệm vụ thiết kế quỹ đạo ................................................................... 41
2) Không gian làm việc của Robot ................................................................................................ 41
3) Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp ................................................................................. 41
Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ điện tử GVHD:TS.Nguyễn Kiên Trung
Bùi Văn Mạnh – KT Cơ Điện tử 03-k60 Page 4
CHƯƠNG 7: Xây dựng mô hình toán và điều khiển động cơ ..................................................... 48
I. Giới thiệu chung ................................................................................................................ 48
1) Động cơ Bước là gì ? .................................................................................................... 48
2) Hoạt động ................................................................................................................... 48
3) Ứng dụng .................................................................................................................... 48
II. Điều khiển động cơ bước ................................................................................................. 49
1)Giới thiệu phương pháp điều khiển tần số , băm xung cho động cơ step ...................... 49
2) Nguyên lý .................................................................................................................... 50
3) Thiết kế bộ điều khiển PID và mô phỏng trên MATLAB ................................................ 52
CHƯƠNG 8: Thiết kế hệ thống điều khiển bám quỹ đạo Robot ................................................. 61
1) Cơ sở lý thuyết .......................................................................................................................... 61
2) Mô phỏng bằng phần mềm Matlab-simulink .......................................................................... 64
PHỤ LỤC .................................................................................................................................. 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................................. 76
Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ điện tử GVHD:TS.Nguyễn Kiên Trung
Bùi Văn Mạnh – KT Cơ Điện tử 03-k60 Page 5
CHƯƠNG 1 Phân tích và lựa chọn kết cấu
đề tài
I. Tổng quan về đề tài .
1) Khái niệm và nguyên lý hoạt động của Robot
Thuật ngữ “Robot” đã được sử dụng lần đầu tiên bởi Karel Capek trong vở
kịch của ông Rosum’s Universal Robots được xuất bản vào năm 1921. Co lẽ đó là
một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về việc sáng chế nhưng cơ cấu,
máy móc bắt chước các hoạt động của con người.
Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ hai
lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperator)
và các máy công cụ điều khiển số (NC-Numerially Controoled Machine Toll).
Robot là thiết bị linh hoạt phục vụ con người
– Có hình dạng (cơ cấu) gần giống tay người
– Có khả năng thao tác tự động
– Có khả năng bắt chước thao tác con người.