Đồ án tốt nghiệp Cơ điện tử: Nghiên cứu thiết kế rô bốt Scara 3 bậc tự do

Đồ án tốt nghiệp cơ điện tử nghiên cứu thiết kế rô bốt SCARA 3 bậc tự do. Tổng hợp tính toán động học, thiết kế cơ khí và lập trình điều khiển chi tiết.

• Tác giả: Vũ Minh Đức
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Ngọc Duy
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế rô bốt Scara 3 bậc tự do
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu thiết kế rô bốt SCARA 3 bậc tự do cơ điện tử

Đồ án tốt nghiệp chuyên ngành cơ điện tử đề tài nghiên cứu thiết kế rô bốt SCARA 3 bậc tự do đóng vai trò nền tảng trong đào tạo kỹ sư công nghệ. Hệ thống SCARA sở hữu kết cấu động học cứng vững theo phương thẳng đứng và linh hoạt trên mặt phẳng ngang. Cấu trúc này mang lại ưu thế vượt trội trong các dây chuyền lắp ráp công nghiệp, phân loại sản phẩm và đóng gói tự động. Đồ án kết hợp toàn diện ba lĩnh vực cốt lõi gồm cơ khí chính xác, mạch điện tử điều khiển và thuật toán lập trình. Sinh viên thực hiện nhiệm vụ từ bước khảo sát lý thuyết đến chế tạo mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh. Quá trình triển khai đòi hỏi việc giải quyết chính xác bài toán động học thuận và động học nghịch. Công cụ mô phỏng 3D hiện đại hỗ trợ kiểm chứng quỹ đạo chuyển động trước khi gia công chế tạo. Kết quả nghiên cứu tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng cánh tay robot nội địa vào sản xuất thực tế.

1.1. Lịch sử phát triển và đặc trưng cấu trúc robot SCARA

Robot SCARA ra đời từ thập niên 1980 tại Nhật Bản nhằm tối ưu hóa công đoạn lắp ráp thiết bị điện tử. Cơ cấu gồm hai khớp quay song song tạo chuyển động trong mặt phẳng Oxy và một khớp trượt dọc trục Oz. Thiết kế này giúp cánh tay đạt gia tốc cao, độ cứng vững lớn và giảm thiểu sai số vị trí. Trong nền sản xuất hiện đại, robot SCARA chiếm tỷ trọng lớn nhờ chi phí hợp lý và hiệu suất cao. Nghiên cứu mô hình 3 bậc tự do giúp làm chủ công nghệ lõi trong tự động hóa công nghiệp.

1.2. Mục tiêu kỹ thuật của đề tài đồ án tốt nghiệp cơ điện tử

Mục tiêu trọng tâm của đề tài là hoàn thiện quy trình thiết kế, chế tạo và điều khiển mô hình tay máy SCARA 3 bậc tự do. Sinh viên vận dụng kiến thức liên ngành để xây dựng mô hình toán học giải tích, thiết kế hệ thống cơ khí chịu tải và tích hợp mạch điều khiển vi xử lý. Đề tài hướng tới việc kiểm soát chính xác quỹ đạo chuyển động đầu công tác với sai số tối thiểu. Đồng thời, công trình rèn luyện kỹ năng mô phỏng kỹ thuật số và phản biện khoa học chuyên sâu.

II. Phân tích mô hình toán rô bốt SCARA 3 bậc tự do cơ điện tử

Phân tích mô hình toán học là giai đoạn quyết định tính khả thi của đề tài nghiên cứu thiết kế rô bốt SCARA 3 bậc tự do. Bài toán động học thuận sử dụng hệ tọa độ Denavit-Hartenberg để xác định vị trí và hướng của khâu tác động cuối từ các góc quay khớp. Ngược lại, bài toán động học nghịch tính toán các biến khớp tương ứng với tọa độ vị trí mục tiêu trong không gian làm việc. Đây là thách thức toán học phức tạp do tính chất phi tuyến và hiện tượng đa nghiệm. Ngoài ra, việc xác định Jacobian và ma trận động lực học đóng vai trò then chốt trong việc phân tích lực quán tính, mô-men xoắn và ma sát tại từng khớp truyền động. Sự chính xác của mô hình toán học trực tiếp ảnh hưởng đến độ mượt mà khi cánh tay tăng tốc hoặc đổi hướng đột ngột. Nếu không tối ưu hóa các phương trình giải tích, hệ thống sẽ gặp hiện tượng rung lắc và sai lệch vị trí nghiêm trọng.

2.1. Thiết lập ma trận Denavit Hartenberg cho hệ thống 3 bậc tự do

Phương pháp Denavit-Hartenberg tiêu chuẩn hóa việc gắn hệ trục tọa độ lên từng khâu của robot SCARA. Bốn thông số cơ bản gồm chiều dài khâu, góc xoắn, độ lệch khâu và góc quay biến khớp. Thiết lập bảng thông số chính xác cho phép xây dựng ma trận chuyển đổi thuần nhất giữa các khâu liên tiếp. Kết quả nhân liên tiếp các ma trận cung cấp phương trình vị trí tổng quát của điểm tác động cuối. Đây là cơ sở toán học bắt buộc để phục vụ việc lập trình điều khiển chuyển động.

2.2. Khó khăn trong giải thuật động học nghịch và điều khiển thực tế

Giải bài toán động học nghịch thường xuất hiện nhiều cấu hình nghiệm khác nhau cho cùng một tọa độ mục tiêu. Hệ thống điều khiển cần thuật toán lựa chọn nghiệm tối ưu nhằm rút ngắn quãng đường di chuyển và tránh hiện tượng điểm kỳ dị. Điểm kỳ dị làm mất bậc tự do và gây quá tải mô-men tại các động cơ chấp hành. Hơn nữa, trễ truyền thông và nhiễu tín hiệu cảm biến trong môi trường thực nghiệm là rào cản kỹ thuật lớn đòi hỏi giải pháp lọc số hiệu quả.

III. Phương pháp thiết kế chế tạo rô bốt SCARA 3 bậc tự do toàn diện

Đề tài áp dụng quy trình thiết kế kỹ thuật đồng thời kết hợp mô phỏng số hóa để tối ưu hóa rô bốt SCARA 3 bậc tự do. Hệ thống cơ khí sử dụng phần mềm CAD 3D để mô hình hóa kết cấu chi tiết từ đế đỡ, các thanh liên kết đến cụm tay gắp. Vật liệu hợp kim nhôm và thép hợp kim nhẹ được ưu tiên nhằm giảm khối lượng tĩnh và quán tính chuyển động. Hệ thống dẫn động trang bị động cơ bước hoặc động cơ servo kết hợp bộ truyền đai răng để đảm bảo tỷ số truyền chính xác và triệt tiêu khe hở ăn khớp. Về mặt điều khiển, mô hình 3D được kết xuất sang môi trường Matlab Simulink và SimMechanics để kiểm chứng thuật toán. Bộ điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển hiệu năng cao kết hợp mạch công suất và cảm biến hồi tiếp góc quay. Thuật toán điều khiển PID hoặc trượt thích nghi được áp dụng nhằm duy trì ổn định sai số bám quỹ đạo.

3.1. Mô phỏng động học trên Matlab Simulink và SimMechanics

Phần mềm Matlab Simulink đóng vai trò cầu nối kiểm chứng mô hình lý thuyết trước khi chế tạo phần cứng. Dữ liệu hình học từ mô hình CAD 3D xuất trực tiếp sang khối SimMechanics để tái lập đầy đủ đặc tính vật lý thực tế. Các khối điều khiển tính toán quy luật chuyển động của biến khớp theo thời gian thực. Đồ thị vận tốc, gia tốc và vị trí cho phép đánh giá chất lượng động lực học. Quá trình mô phỏng giúp phát hiện sớm các va chạm không gian và tối ưu hóa thông số điều khiển.

3.2. Thiết kế mạch điện tử và lập trình thuật toán điều khiển quỹ đạo

Mạch điều khiển tích hợp vi xử lý trung tâm, mạch cách ly quang và khối công suất điều khiển động cơ. Các tín hiệu từ công tắc hành trình và cảm biến encoder được thu thập để định vị gốc chuẩn xác. Thuật toán nội suy đường thẳng và cung tròn đảm bảo quỹ đạo di chuyển của đầu kẹp mượt mà. Hệ thống lập trình cung cấp giao diện tương tác hỗ trợ cài đặt tọa độ điểm gắp đặt linh hoạt. Các cơ chế bảo vệ quá dòng và quá nhiệt bảo đảm an toàn vận hành liên tục.

IV. Đánh giá kết quả nghiên cứu thiết kế rô bốt SCARA 3 bậc tự do

Nghiên cứu thiết kế rô bốt SCARA 3 bậc tự do trong đồ án tốt nghiệp cơ điện tử đã đạt được các kết quả kỹ thuật ấn tượng. Mô hình thực nghiệm vận hành ổn định, đáp ứng tốt các yêu cầu về tốc độ, gia tốc và độ chính xác lặp lại. Sai số vị trí tại khâu chấp hành cuối duy trì trong phạm vi dung sai cho phép đối với các tác vụ gắp đặt cơ bản. Kết quả thử nghiệm trên mô hình thực tế trùng khớp với các thông số phân tích trong môi trường mô phỏng Matlab. Đề tài khẳng định tính đúng đắn của phương pháp thiết kế tích hợp cơ - điện - điều khiển. Trong tương lai, mô hình có thể phát triển thêm hệ thống thị giác máy tính nhằm nhận dạng và phân loại sản phẩm tự động. Công trình là tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên và kỹ sư cơ điện tử trong việc nghiên cứu chế tạo robot công nghiệp phục vụ dây chuyền sản xuất tự động.

4.1. Ứng dụng thực tế của robot SCARA trong công nghiệp tự động

Robot SCARA 3 bậc tự do ứng dụng rộng rãi trong các dây chuyền lắp ráp điện tử, đóng chai và đóng gói bao bì. Nhờ tốc độ thao tác nhanh và tính linh hoạt cao, hệ thống giải phóng sức lao động con người khỏi các công việc lặp lại. Thiết bị đáp ứng các tiêu chuẩn sản xuất hiện đại về năng suất và độ tin cậy. Khả năng tích hợp liền mạch vào băng chuyền giúp tối ưu hóa không gian làm việc và chi phí vận hành nhà máy.

4.2. Hướng phát triển và nâng cấp hệ thống robot trong tương lai

Hệ thống có thể nâng cấp thêm bậc tự do cổ tay nhằm gia tăng độ khéo léo trong không gian ba chiều phức tạp. Việc tích hợp trí tuệ nhân tạo và camera AI sẽ nâng cao khả năng định vị vật thể ngẫu nhiên trên băng tải. Đồng thời, nghiên cứu ứng dụng cảm biến lực cho phép thực hiện các thao tác lắp ráp tinh vi không gây hư hỏng linh kiện. Tối ưu hóa thuật toán điều khiển thông minh giúp giảm tiêu hao năng lượng đáng kể.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1. Lịch sử nghiên cứu 1.1 Sơ lược lịch sử quá trình phát triển của robot công nghiệp Thuật ngữ robot xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921. Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người.

Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người. Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot). Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất. Theo viện nghiên cứu Robot của Mỹ đề xuất định nghĩa: “Robot công nghiệp là tay máy vạn năng hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp Hình 1.1 Robot tay máy 12 Từ những năm 80, nhất là vào những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, giá thành giảm đi rõ rêt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc.

Nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại. Ngày nay chuyên ngành khoa học về robot ‘robotics’ đã trở thành 1 lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cáu trúc cơ bản động học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động.2 Robot Scara  Tình hình nghiên cứu và phát triển robot ở Việt Nam Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã có những bước tiến đáng kể trong 25 năm vừa qua. Các nghiên cứu về robot ở nước ta liên quan nhiều đến vấn đề về động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông tin cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển và phát triển trí thông minh. Đặc biệt, trong lĩnh vực điều khiển robot, ngoài các phương pháp điều khiển truyền thống như PID, phương pháp tính mô men, phương pháp điều khiển trượt thì các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen và các phương pháp điều khiển tự thích nghi cũng đã được đề cập nghiên cứu và áp dụng tại các tổ chức KH&CN.

Bên cạnh đó còn phải kể đến Công ty Cổ phần Robot TOSY, doanh nghiệp thiết kết và chết tạo robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trên trường quốc tế. Các nghiên cứu cơ bản về Robot của Việt Nam đã được công bố nhiều trên các Hội Nghị và tạp chí quốc tế. Việc phối hợp với các nước như Nhật, Mỹ, Singapore, Đức tổ chức các hội nghị quốc tế tại Việt nam liên quan đến robot như RESCCE’98, 13 RESCCE’00, RESCCE’02, ICMT2004, ICARCV 2008, ITOMM 2009 là một chuỗi hoạt động khoa học liên tục của cộng đồng Robotics Việt nam hòa nhập vào các hoạt động nghiên cứu khoa học với các nước khu vực và tiên tiến trên thế giới.3 Robot công nghiệp của hãng Tosy Robotics, Việt Nam Song song với chế tạo robot thì các công trình nghiên cứu khoa học về robot được công bố của các nhà khoa học Việt Nam rất đa dạng và theo sát được các hướng nghiên cứu của thế giới. Các nghiên cứu về động học và động lực học rô bốt được các khoa cơ khí, chế tạo máy ở các trường đại học và các viện nghiên cứu về cơ học, chế tạo máy, cơ khí quan tâm cả trong dân sự và quân sự.

Ngoài việc tìm các phương pháp giải các bài toán liên quan đến cơ học của các loại rô bốt nối tiếp, song song, di động, thì các chương trình mô phỏng kết cấu và chuyển động 3D được áp dụng và phát triển để minh họa cũng như phục vụ cho phân tích, thiết kế robot. Lĩnh vực điều khiển robot rất phong phú, từ các phương pháp điều khiển truyền thống như PID, phương pháp tính mô men, phương pháp điều khiển trượt đến các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen và các phương pháp điều khiển tự thích nghi, các phương pháp học cho robot, các hệ visual servoing…. Lĩnh vực robot di động với nhiều cảm biến dẫn đường và camera đang được nhiều đơn 14 vị trong nước quan tâm nghiên cứu. Các vấn đề xử lý ảnh tốc độ cao, phối hợp đa cảm biến, định vị và lập bản đồ không gian, thiết kế quỹ đạo chuyển động cho rô bốt di động đã có nhiều công bố trong các Hội nghị cơ điện tử toàn quốc năm 2004, 2006, 2008 và 2010.

Các nghiên cứu về thị giác robot được quan tâm cả ở robot công nghiệp và robot di động, nhất là lĩnh vực nhận dạng và điều khiển robot trên cơ sở thông tin hình ảnh. Các vấn đề về xử lý ngôn ngữ tự nhiên, nhận dạng và tổng hợp tiếng nói tiêng Việt bắt đầu được chú ý cho các loại robot dịch vụ.4 Xưởng hàn thân xe của hãng xe VinFast Với xu thế toàn cầu hóa, sự phân công lao động trong chuỗi cung sản phẩm và dịch vụ trên thế giới đã không còn giới hạn địa lý. Cơ hội cho mỗi cá nhân, tổ chức có thể tham gia vào các công việc trên thế giới là bình đẳng cho mọi người, mọi dân tộc và mọi quốc gia. Vì vậy, với bối cảnh robot sẽ là trung tâm của cuộc cách mạng công nghệ kế tiếp sau PC- Internet của thế giới trong vòng 20 năm nữa, Việt Nam không thể bỏ lỡ cơ hội này như với máy vi tính PC 30 năm trước.

Để đạt được điều này, chúng ta phải có những định hướng ngay từ bây giờ như:  Về đào tạo: Tập trung phát triển đông đảo nguồn nhân lực có kiến thức toàn diện từ sử dụng đến nghiên cứu phát triển các rô bốt và các ứng dụng liên quan.  Về nghiên cứu: Tập trung cho phát triển trí tuệ của rô bốt từ mức thấp với khả năng giải quyết một vài việc cụ thể đến mức cao với khả năng nhận thức, suy diễn và ra quyết định để rô bốt có thể thích ứng với môi trường tự nhiên và tham gia vào xã hội loài người. 15  Về sản xuất: Tập trung thiết kế và chế tạo các loại rô bốt dịch vụ Việt Nam có tính thực dụng cao, giá rẻ, đơn giản và chuyên dụng cho các công việc cụ thể. Tham gia vào chuỗi cung toàn cầu của các sản phẩm, hệ thống rô bốt từ các công việc tay chân như lắp ráp, gia công đến các công việc trí óc như thiết kế, nghiên cứu và đào tạo.

Chuẩn bị nguồn lực cho các nhu cầu của một xã hội có sự hiện hữu phổ biến của robot trong đời sống hàng ngày. Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam cần có chiến lược dài hạn cho phát triển các nghiên cứu về robot, phát huy vai trò đầu tàu về nghiên cứu cơ bản trong phát triển robot ở Việt Nam, một lĩnh vực trung tâm của cuộc cách mạng công nghệ lớn tiếp theo, có tầm ảnh hưởng đến toàn xã hội loài người trong thời gian 15-20 năm tới. Để có thể hội nhập và phát triển trong xu thế toàn cầu hóa hiện nay Việt Nam cần có một cộng đồng rộng lớn các chuyên gia tâm huyết, có môi trường học tập và nghiên cứu lành mạnh và một chính sách vĩ mô hỗ trợ tri thức phát triển thích nghi được với quá trình “phẳng” hóa thế giới hiện nay.  Các đặc diểm chung của robot:  Có thể tương tác với những vật thể trong môi trường làm việc  Có khả năng tự học, tự thích ứng với môi trường xung quanh.

 Có thể chuyển động linh hoạt trong môi trường làm việc.  Có khả năng điều khiển được các lệnh để có thể thay đổi tùy theo yêu cầu của người sử dụng.  Có khả năng đưa ra các lựa chọn dựa trên môi trường và được điều khiển một cách tự động theo những trình tự đã được lập trình trước.2 Giới thiệu chung về cánh tay robot  Lợi ích tuyệt vời khi sử dụng cánh tay robot công nghiệp trong sản xuất Cánh tay robot công nghiệp, tuy nhiên lại có thể di chuyển nhanh hơn nhiều so với cánh tay của con người. Một cánh tay robot công nghiệp làm tăng tốc độ của quá trình sản xuất và độ chính xác.

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.5 Robot tay máy 6 bậc tự do  Cánh tay robot thao tác nhanh và tiết kiệm thời gian hơn con người Mỗi cử động của robot, bao gồm quay, tịnh tiến, cầm nắm, nhấc, dịch chuyển, quay, lật có tải, tiến hành thao tác hàn, lắp ráp…của tay robot đều được con người kiểm soát. Nó được lập trình mô phỏng trong không gian ảo của phần mềm để lường trước những rủi ro về va chạm, quá tải hay bất hợp lý trong chuyển động. Vì vậy, mỗi chuyển động thực tế của robot trong quá trình làm việc sẽ đều là một chuyển động chính xác, trơn tru và không có động tác dư thừa. Bởi trong sản xuất, Cycle Time được tính tối ưu tới đơn vị hàng phần chục hoặc phần trăm giây.

Ngoài ra, chất lượng của sản phẩm có thể bắt đầu được cải thiện do con người cải thiện khả năng Robot. Ví dụ, cắt chính xác xuống các cạnh, tạo ra các mối hàn cứng hơn hoặc khoan các lỗ chính xác. Điều này liên tục được người lập trình điều chỉnh thiết lập tới khi đạt trạng thái hoàn hảo. Từ đó dê dàng cải tiến sản phẩm theo thời gian, đồng thời cải thiện tính toàn vẹn của thương hiệu.6 Robot tay máy hàn ứng dụng trong công nghiệp  Các chuyển động là chính xác và lặp lại hoàn toàn giống nhau Các chuyển động chính xác đem lại kết quả chính xác trên sản phẩm theo đúng yêu cầu kỹ thuật từ đó đảm bảo không có sản phẩm NG do những bất cẩn hoặc thao tác sai trong quá trình làm việc giống như con người.

Bởi con người chúng ta, trong quá trình làm việc, bộ não rất thường xuyên bị đánh mất sự tập trung do các yếu tố chủ quan và khách quan bên ngoài tác động vào.