SCIENCE - TECHNOLOGY Số 12.2022 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
105
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT 6 BẬC TỰ DO
RESEARCH DESIGN ROBOT ARM 6 DEGREES OF FREEDOM Nguyễn Văn Thanh1, Trần Đức Độ1, Ngô Văn Học2, Đặng Công Hoàng2, Tạ Anh Tuấn3, Nguyễn Xuân Chung4,* TÓM TẮT Cánh tay robot được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy công nghiệ
p
nhằm giảm bớt nhân công lao động, tăng năng suất hay sử dụng ở nhữ
ng môi
trường độc hại với con người. Việc nghiên cứu thiết kế cánh tay robot chưa thự
c
sự được các doanh nghiệp sử dụng quan tâm. Bài báo này trình bày ph
ương pháp
nghiên cứu thiết kế cánh tay robot 6 bậc tự do. Ở đây các bài toán động học, độ
ng
lực học của cánh tay robot sẽ được giải quyết trước tiên. Sau đó tiến hành thiết k
ế
mô hình robot 6 bậc tự do trên phầm mềm NX của hãng Siemens, mô phỏ
SOLIDWORKS, xây dựng khối điều khiển trên MATLAB và cuối cùng chế tạ
o mô
hình robot 4 bậc tự do. Từ khóa: Thiết kế cánh tay robot, cánh tay robot, robot 6 bậc tự do. ABSTRACT
Robotic arms are widely used in industrial field to reduce labor, increase
productivity or use in toxic environments that are h
armful to human. The
research and design of robotic arm has not been received the attention of the
most enterprises in Viet Nam. This paper will presents a research method to
design a robotic arm with 6 degrees of freedom. In this paper, the kinematics
and
dynamics mathematical of the robot arm will be solved first. Then design a 6
degree-of-
freedom robot model on Siemens' NX software, simulate on
SOLIDWORKS, create a control system on MATLAB and finally build a 4-degree-of-freedom robotic arm model in real-life. Keywords: Robot arm design, robot arm, robot 6 degrees of freedom. 1Lớp Cơ khí 07- K13, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 2Lớp Cơ khí 06 - K13, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 3Lớp Kỹ thuật Điện 01- K13, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 4Trung tâm Việt - Nhật, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: ChungNX@haui.edu.vn,ngxchung@gmail.com 1. GIỚI THIỆU Cánh tay robot với những hiệu quả về kinh tế và xã hội, góp phần tăng năng suất lao động, cải tiến chất lượng sản phẩm, tiết kiệm nguyên vật liệu, sớm hoàn vốn đầu tư, cũng như chuyển đổi cơ cấu sản xuất trong sản xuất công nghiệp từ cơ cấu “con người và máy móc” sang cơ cấu “con người - robot - máy móc”, giúp cho con người thoát khỏi những công việc nguy hiểm, nặng nhọc, ngăn ngừa được tai nạn lao động. Việc sử dụng cánh tay robot trong sản xuất ở các nước công nghiệp đã cho thấy rõ được sự hiệu quả này. Tuy vậy, việc nghiên cứu thiết kế cánh tay robot trong nước vẫn chưa thực sự phát triển mạnh so với các nước khác do có nhiều vấn đề liên quan như: chuyển động của các khâu khớp, cơ cấu làm việc cuối cùng, điều khiển cánh tay theo đúng vị trí mong muốn.... 2. THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT 6 BẬC TỰ DO 2.1. Bài toán động học thuận Bài toán động học thuận là quá trình tính toán vị trí và hướng của cơ cấu chấp hành cuối hay tay gắp khi biết tất cả các giá trị biến khớp. Để tính toán vị trí và hướng từ tập hợp các giá trị biến khớp thì các tham số của bảng Denavit-Hartenberg (D-H) cần được biết. Bảng 1. Bảng thông số D-H Khâu
1
θ
0
0 0 2
θ
−
90
0 0 3
θ
0
a
d
4
θ
−
90
a
d
5
θ
90
0 0 6
θ
−
90
0 0 Trong đó: Độ dài pháp tuyến chung: an Góc giữa với các trục vuông góc với an: α θ là các góc xoay của các khớp thứ i của robot di là khoảng cách của dời theo trục z đến zi+1 Ma trận đặc trưng có dạng như sau: An =
cos
θ
−
sin
θ
cos
α
sin
θ
sin
α
acos
θ
sin
θ
cos
θ
cos
α
−
cos
θ
sin
α
asin
θ
0
sin
α
cos
α
d
0
0
0
1
(1) Ma trận chuyển vị từ hệ trục thứ 1 đến hệ trục thứ 6 là: T6 = A1.A2.A3.A4.A5.A6 =
r

r

r

Px
r

r

r

Py
r

r

r

Pz
0
0
0
1
(2) Trong đó: r=c[c(ccc−ss)−ssc]+s(scc+cs) r=s[c(ccc−ss)−ssc]−c(scc+cs)
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 12.2022
106
KHOA H
ỌC
r=−s(ccc−ss)−csc r=c[c(−ccs−sc)+sss] +s(cc−scs) r=s[c(−ccs−sc)+sss] −c(cc−scs) r=−s(−ccs−sc)+css r=−c(ccc+sc)−sss]
r=−s(ccc+sc)+css)
r=scs−cc
Px=c[ac+ac−ds]−ds
Py=s[ac+ac−ds]+dc
Pz=−as−as−dc Các ma trận thành phần từ A1 đến A6 như sau: A1=C−S0 0
SC0 0
0 0 1 0
0 0 0 1,A2=C−S0 0
0 0 1 0
−S−C0 0
0 0 0 1, A3=C−S0 a
SC0 0
0 0 1 d
0 0 0 1,A4=C−S0 a
0 0 1 d
−S−C0 0
0 0 0 1, A5=C−S0 0
0 0 −1 0
SC0 0
0 0 0 1,A6=C−S0 0
0 0 1 0
−S−C0 0
0 0 0 1 2.2. Bài toán động học nghịch Ngược lại với bài toán động học thuận, bài toán động học nghịch là dựa vào vị trí cuối cùng của cánh tay robot rồi tìm ra các biến góc. Hình 1. Sơ đồ giải bài toán động học nghịch Giải theo sơ đồ trên ta được kết quả các góc như sau:
θ
=
atan
2
p
,
p
−
Atan
2
d
,
±
p
+
p
−
d
θ= atan2(−a−ac)p
−cp+sp(d−as),(as
−d)p
−(a+ac)cp+sp − θ
θ
=
atan
2
(
a
,
d
)
−
Atan
2
K
,
±
a
+
d
−
K
(3) (4) (5)
θ
=
atan
2
(
−
r

s
+
r

c
,
−
r

c
c

−
r

s
c

+
r

s

)
θ=atan 21−T(3,3),T(3,3)
θ
=
atan
2
(
T
(
3
,
2
)
,
−
T
(
3
,
1
)
)
(6)
(7) (8) 2.3. Không gian làm việc Sau khi đã có đầy đủ giới hạn các góc xoay của từng khớp việc tính toán không gian làm việc dựa vào việc thực hiện các phép quay từ phương trình động học thuận. Hình 2. Không gian làm việc 3D Hình 3. Không gian làm việc 2D 2.4. Thiết kế mô hình robot 6 bậc tự do Cơ cấu gắp Hình 4. Tay gắp Có thể sử dụng tay gắp hay giác hút khối lượng từ 1,5 - 2,5kg. Sử dụng gắp linh kiện điện tử hay lắp ráp mạch. Tải trọng tối đa: 0,5 - 0,9kg.
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 12.2022 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
107
Khâu 6 Hình 5. Khâu 6 Khối lượng: 8,7kg. Khoảng cách từ tâm quay đến trọng tâm: 20,03mm. Momen tối thiểu để khâu có thể quay quanh Z. M = P.d = 8,7.10.20,03.10-3 = 1,74 (N.m) Động cơ: HF-KP23B. Giảm tốc : CSF-14-30-2UH-SP_A_8_M3 Khâu 5 Hình 6. Khâu 5 Khối lượng: 13,9kg Khoảng cách từ tâm quay đến trọng tâm: 240,12427795mm Momen tối thiểu để khâu có thể quay quanh X: M = P.d = 13,9.10.240,124.10-3 = 33,37 (N.m) Động cơ: HF-KP23 Sử dụng giảm tốc: Trục vít bánh vít SR31/50 Khâu 4 Hình 7. Khâu 4 Khối lượng: 18,4kg. Khoảng cách từ tâm quay đến trọng tâm: 205,26232406mm. Momen tối thiểu để khâu có thể quay quanh Z. M = P.d = 18,4.10.205,26.10-3 = 37,76 (N.m). Động cơ: HF-KP23B. Sử dụng giảm tốc mã: CSF-25-50-2UH-SP_B2_14_5_M4. Khâu 3 Hình 8. Khâu 3 Khối lượng: 24,2kg. Khoảng cách từ tâm quay đến trọng tâm: 514,87217454mm. Momen tối thiểu để khâu có thể quay quanh Z M = P.d = 24,2.10.514,87.10-3 = 124,6 (N.m) Động cơ: HF-KP23B Sử dụng giảm tốc mã: CSF-25-50-2UH-SP_B2_14_5_M4. Khâu 2 Hình 9. Khâu 2 Khối lượng: 33,1kg. Khoảng cách từ tâm quay đến trọng tâm: 320,87385829mm. Momen tối thiểu để khâu có thể quay quanh Z M = P.d = 33,1.10.320,87.10-3 = 106,2 (N.m) Động cơ: HF-KP43B. Sử dụng giảm tốc mã: CSF-32-50-2UH-SP_C_14_M5. Khâu 1 Hình 10. Khâu 1 Khối lượng: 44,21kg Khối lượng chân đế: 32kg Động cơ: HF-KP43B Sử dụng giảm tốc mã: CSF-40-160-2UH-SP_C_14_M5
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 12.2022
108
KHOA H
ỌC
3. ĐIỀU KHIỂN ROBOT 6 BẬC TỰ DO 3.1. Xây dựng sơ đồ khối simulink Bao gồm 3 vùng làm việc chính: tín hiệu đầu vào, hệ thống xử lý robot và tín hiệu đầu ra. Hình 11. Sơ đồ khối trên Simulink Tín hiệu đầu vào: Giúp cho người dùng có thể điều chỉnh tham số mong muốn để robot có thể vận hành theo ý của mình. Hệ thống xử lý robot: Xử lý các tín hiệu đầu vào mà người dùng đã khai báo để có thể vận hành robot. Tín hiệu đầu ra: Hiển thị ra các giá trị lên màn hình giúp người dùng có thể xem được robot đã làm được những gì đồng thời có thể xem được sai số mà robot thực tế làm được so với tính toán lý thuyết. Hình 12. Sơ đồ các khối thành phần Xây dựng giao diện điều khiển Hình 13. Giao diện điều khiển chính Để thuận tiện trong quá trình sử dụng và hiệu chỉnh Simulink, nhóm nghiên cứu đã tạo nên một giao diện đồ họa để trao đổi thông tin giữa người dùng và matlab, sử dụng GUI để thiết kế giao diện. Nhóm tiến hành thiết kế 3 giao diện chính gồm: Giao diện điều khiển thủ công, giao diện điều khiển tự động và giao diện điều khiển theo thuật toán RRT. Để lựa chọn vào giao điện điều khiển chi tiết thì trước tiên ta cần phải vào giao diện điều khiển chính rồi tiến hành lựa chọn các giao diện mà ta muốn sử dụng. 3.2. Tối ưu hóa thời gian chuyển động của robot Đặt vấn đề: Ở đây cần đưa ra bài toán cụ thể để tối ưu, các giữ liệu mà bài toán cần có. Cụ thể: không gian làm việc xmax = 150; ymax =150; zmax =100, trên không gian làm việc này robot có thể hoạt động ở mọi vị trí. Vị trí ban đầu có tọa độ 0x0x0, vị trí đích có tọa độ 110x110x50. Vật cản có vị trí 50x90x10 có độ dài dx = 50,dy = 50,dz = 60. Động cơ sử dụng trong robot là HF-KN23B. Nguyên lý hoạt động: Chọn ngẫu nhiên một điểm trên bản đồ với điều kiện không được nằm trong vùng vật cản. Kẻ một đường thẳng từ điểm đã tạo từ bước một đến nút cha với điều kiện đường thẳng không được đi qua vật cản. Tạo ra nút con bằng các lấy 1 điểm thuộc đường thẳng ở bước 2 cách nút cha một khoảng cho trước. Lắp đi lặp lại 3 bước đầu cho đến khi xác định điểm đích. Sau khi tìm ra được điểm đích thì thuật toán sẽ nội suy ngược lại từ điểm đích ngược lại điểm đầu theo đường dẫn đã được tìm thấy. Điều kiện tiên quyết: Bản đồ của môi trường được phân chia thành vùng có chướng ngại vật và vùng không có chướng ngại vật. Vị trí bắt đầu của robot phải nằm trong môi trường của nó. Vùng mục tiêu của robot phải nằm trong môi trường của nó. Số nút được tạo ngẫu nhiên thực hiện bởi RRT. Khoảng cách tối đa đối với hai nút cha và con có thể nhận cần thích hợp. Chỉ tiêu tối ưu: Tối ưu về thời gian di chuyển. Các hàm giới hạn: Giới hạn về động cơ, giới hạn về khoảng cách nút, giới hạn về số nút cần tạo, giới hạn về bán kính đường tròn. Kết quả: Hàm hồi quy thời gian Thời gian = 67 - 0,126.B - 0,83.C + 0,000104.B2 + 0,001543.B.C Hình 14. Đồ thị mức ảnh hưởng của các phần tử Hình 15. Mức độ ảnh hưởng của các phần tử
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 12.2022 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
109
Hình 16. Kết quả tối ưu hóa 4. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT 4 BẬC TỰ DO 4.1. Sơ đồ thiết kế Sơ đồ thiết kế là một phần quan trọng mỗi khi bắt đầu thiết kế. Dựa vào đó người thiết kế có thể đưa ra các phương án phù hợp với yêu cầu. Không chỉ vậy, dựa vào sơ đồ việc sửa chữa khi gặp lỗi cũng rất dễ dàng. Hình 17. Sơ đồ thiết kế Sơ đồ được thiết kế ở dạng 4 khâu. Thông qua các bộ truyền đai - hộp giảm tốc. 4.2. Xác định sơ bộ các khâu Khâu 3 - 4 Hình 18. Khâu 3-4 Vật liệu chế tạo: thép C45 Gồm một động cơ và thanh 4 Cân nặng tổng của cả khâu là: 1,4 + 1,78 = 3,18kg Momen tải là 0,4995N.m Do động cơ 3 đi qua bộ truyền đai, khớp nối và ổ nên: Momen tải thực tế là 530N.mm < 1900N.mm Động cơ đạt yêu cầu mà không cần sử dụng hộp giảm tốc. Sử dụng bộ truyền đai tỷ số 1:1 Khâu 2-3 Hình 19. Khâu 2-3 Momen tải là 12780N.mm Để đảm bảo an toàn thì momen cần đạt là 19170N.mm Do động cơ 2 đi qua bánh răng,khớp nối và ổ nên Momen tải thực tế là 20393N.mm > 1900N.mm Động cơ đạt yêu cầu nếu tỉ số truyền của hệ đạt 1/10. Lựa chọ hộp giảm tốc với tỉ số truyền là 1/10 Khâu 1-2 Vật liệu chế tạo: Thép C45 Gồm 3 động cơ, hộp giảm tốc, khối lượng tất cả thanh 3, 4 và một số các chi tiết khác Cân nặng tổng của cả khâu là: 3,7+3.1,4+1,3= 9,2 kg Momen tải là 3644 N.mm Để đảm bảo an toàn thì momen cần đạt là 5466 N.mm Do động cơ 1 đi qua hộp giảm tốc, khớp nối nên Momen tải thực tế là 6142N.mm > 1900N.mm Động cơ đạt yêu cầu nếu tỉ số truyền của hệ đạt ¼. Lựa chọn hộp giảm tốc với tỉ số truyền là ¼. 4.3. Xác định các bộ truyền Qua quá trình tính toán thiết kế, nhóm lựa chọn các bộ truyền sau để sử dụng cho robot 4 khâu trên như bảng 2 - 5. Bảng 2. Thông số bộ truyền đai Mô đun M = 1,5 Bề rộng đai B = 9 mm Khoảng cách trục a = 150 mm Lực căng ban đầu F
t
= 21,27 (N) Lực tác dụng lên trục F
r
= 25,524 (N) Bảng 3. Thông số ổ lăn Kí hiệu 1000902 d 15 (mm) D 28 (mm) B 7 (mm) r 0,5 (mm) C 2,53 (kN) C
0
1,51 (kN)