Đồ án Robot Công Nghiệp: Xây Dựng Mô Hình, Động Học và Mô Phỏng Robot Scara

Đồ án robot công nghiệp: Tìm hiểu về thiết kế, chế tạo và ứng dụng robot trong sản xuất. Khám phá các giải pháp tự động hóa hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Công Tướng
• Người hướng dẫn: Lê Thị Thu Thủy
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Đồ án Robot Công Nghiệp: Mô Hình, Động Học & Mô Phỏng
• Loại tài liệu: Đồ án môn học

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung về Robot
• 1.2. Giới thiệu về Robot Scara
• 2. Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC ROBOT
• 2.1. Cơ sở xây dựng mô hình động học robot công nghiệp
• 2.2. Quy tắc Denavit – Hartenberg (D-H)
• 2.3. Bài toán động học thuận
• 2.4. Bài toán động học ngược
• 2.5. Xây dựng mô hình động học thuận cho robot Scara
• 2.6. Đặt bài toán
• 2.7. Bảng thông số D-H
• 2.8. Xác định vị trí và hướng tay kẹp
• 2.9. Hệ phương trình động học thuận của robot Scara
• 2.10. Xây dựng mô hình động học ngược cho robot Scara
• 2.11. Đặt bài toán
• 2.12. Sử dụng phương pháp số GRG Nonlinear
• 2.13. Giải phương trình bằng excel
• 3. Chương 3: MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG ROBOT
• 3.1. Mô phỏng từng Module
• 3.2. Lắp ghép chi tiết hoàn thiện robot
• 4. Chương 4: TỔNG KẾT

Tóm tắt

I. Bí quyết thành công Đồ án Robot Công Nghiệp Tổng quan Mục tiêu

Sự phát triển vượt bậc của công nghiệp 4.0 robot đã biến robot công nghiệp thành xương sống của nhiều ngành sản xuất hiện đại. Trong bối cảnh đó, việc thực hiện một đồ án Robot Công Nghiệp: Mô Hình, Động Học & Mô Phỏng không chỉ là yêu cầu học thuật mà còn là cơ hội để kỹ sư tương lai làm chủ kỹ thuật robot tiên tiến. Nền công nghiệp thế giới đang chứng kiến sự chuyển mình mạnh mẽ, với các hệ thống robot, máy móc dây chuyền sản xuất được hiện đại hóa và chuyên môn hóa để đáp ứng nhu cầu sản xuất đa dạng. Các vấn đề liên quan đến tự động hóa công nghiệp và điều khiển tự động đang được ưu tiên hàng đầu, đòi hỏi khả năng xử lý, độ hoàn hảo và độ chính xác ngày càng cao.

Việc nghiên cứu và ứng dụng robot công nghiệp giúp giải phóng sức lao động, nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm, đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe của xã hội. Một đồ án Robot Công Nghiệp là bước khởi đầu quan trọng, giúp sinh viên làm quen với việc thiết kế robot – một kỹ năng cơ bản của người kỹ sư. Đây không chỉ là một bài tập mà là cơ hội thực hành mô hình hóa robot, giải quyết các bài toán về động học robot và thực hiện mô phỏng robot 3D. Bài viết này sẽ đi sâu vào các khía cạnh cốt lõi của việc xây dựng một đồ án robot công nghiệp hoàn chỉnh, từ tổng quan về các loại robot, các phương pháp mô hình hóa, đến cách giải quyết các bài toán động học thuận robot và động học nghịch robot, cuối cùng là mô phỏng chuyển động robot trên các phần mềm mô phỏng robot chuyên dụng. Mục tiêu là cung cấp một cái nhìn tổng thể và chi tiết về các bước thực hiện, giúp người học nắm vững kiến thức và ứng dụng vào thực tiễn.

1.1. Khám phá Ứng dụng Lịch sử phát triển của Robot Công Nghiệp

Khái niệm về robot lần đầu xuất hiện vào năm 1922 qua tác phẩm của nhà soạn kịch Karen Kapek, thể hiện ước mơ về một cỗ máy tự động. Ý tưởng này đã thúc đẩy con người không ngừng thiết kế robot và chế tạo chúng. Đến năm 1948, tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Goertz đã tạo ra tay máy đôi (Master-Slave Manipulator), đánh dấu bước ngoặt quan trọng. Năm 1954, Goertz tiếp tục cải tiến với tay máy đôi sử dụng động cơ servo và khả năng nhận biết lực tác động lên khâu cuối (theo tài liệu gốc, trang 9).

Ngày nay, robot được định nghĩa là một loại máy thực hiện công việc tự động dưới sự điều khiển của máy tính hoặc vi mạch điện tử được lập trình. Robot công nghiệp chiếm khoảng 80% tổng số robot được sử dụng, với ứng dụng robot công nghiệp đa dạng trong y tế, giáo dục, dịch vụ, vũ trụ, và đặc biệt là sản xuất tự động. Về mặt kỹ thuật, robot công nghiệp hiện đại có nguồn gốc từ cơ cấu điều khiển từ xa và máy công cụ điều khiển số NC. Những cỗ máy này được thiết kế với dáng vấp và chức năng tương tự tay người để thực hiện các thao tác sản xuất phức tạp (Hình 1, Hình 2). Sự phát triển này mở ra kỷ nguyên mới cho tự động hóa công nghiệp, nơi robot không chỉ thay thế sức người mà còn nâng cao đáng kể năng suất và hiệu quả.

1.2. Tổng quan về Robot SCARA Ưu điểm Cấu trúc cơ bản

Robot SCARA (Selectively Compliant Articulated Robot Arm) là một loại robot công nghiệp phổ biến, được lựa chọn nhờ khả năng dễ dàng khớp nối cánh tay. Với ba bậc tự do, robot SCARA có cấu trúc gọn gàng và không gian làm việc robot linh hoạt. Các trục thứ nhất và thứ hai là khớp quay, trong khi trục thứ ba là khớp trượt hoặc tịnh tiến, với tay kẹp robot được gắn ở cuối trục Z (Hình 3, trang 11).

Robot SCARA có bộ truyền động robot đơn giản, dễ dàng điều khiển, cho phép bán kính hoạt động từ 100mm đến 1.200mm và khả năng tải từ 1kg đến 200kg. Ưu điểm nổi bật của robot SCARA là tốc độ cao, tính lặp lại chính xác trong các tác vụ lắp ráp hàng loạt, đặc biệt là các ứng dụng Gắp đặt robot (Pick and Place) (Hình 4, trang 11). Robot này có lực xử lý cao theo chiều dọc (>300N), thích hợp cho việc phân loại và di chuyển sản phẩm.

Tuy nhiên, một hạn chế của robot SCARA là chỉ có thể làm việc trên một mặt phẳng nằm ngang. Mặc dù vậy, với cấu trúc đơn giản, khả năng hoạt động linh hoạt và tốc độ cao, robot SCARA vẫn là lựa chọn ưu tiên trong nhiều ứng dụng robot công nghiệp đòi hỏi các công việc đơn giản nhưng cần độ chính xác và hiệu suất cao. Việc nghiên cứu sâu hơn về hoạt động và cơ cấu robot này là cần thiết để tối ưu hóa ứng dụng robot công nghiệp trong thực tiễn.

II. Xây dựng Mô Hình Động Học Robot Công Nghiệp Bước đi then chốt

Trong lĩnh vực robot công nghiệp, việc xây dựng mô hình động học robot là nền tảng cốt lõi trước khi tiến hành thiết kế robot hay chế tạo bất kỳ hệ thống robot nào. Động học robot là môn khoa học nghiên cứu về chuyển động của robot, bao gồm vị trí, vận tốc và gia tốc, mà không xét đến các nguyên nhân gây ra chuyển động như lực hoặc mô men. Điều này có nghĩa là, động học chỉ tập trung vào hình học của cơ cấu robot và sự thay đổi theo thời gian của chuyển động của nó.

Mối quan hệ giữa sự thay đổi của các khâu robot và hướng, vị trí của khâu chấp hành cuối cùng là trọng tâm của nghiên cứu động học robot. Nghiên cứu này thường được chia thành hai vấn đề chính: phân tích động học và tổng hợp động học. Tuy nhiên, hai vấn đề này luôn có mối liên hệ mật thiết. Nội dung chính của động học robot là tìm ra quan hệ chuyển động của các khâu, bao gồm hai bài toán quan trọng: bài toán động học thuận và bài toán động học nghịch (theo tài liệu gốc, trang 15).

Khi lập trình robot công nghiệp, các kỹ sư thường đặt ra yêu cầu về vị trí, hướng, vận tốc và gia tốc của điểm tác động cuối hoặc bất kỳ khâu nào trong không gian công tác robot. Để đạt được những yêu cầu này, cần phải xác định tất cả các bộ thông số chấp nhận được về sự thay đổi của các khâu hoạt động và các đạo hàm tương ứng của chúng. Đây chính là bài toán động học thuận – từ các thông số khớp tìm ra vị trí tay kẹp. Ngược lại, bài toán động học nghịch đòi hỏi từ yêu cầu về vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối, tìm ra các thông số tương ứng của các khâu trước đó. Việc giải quyết thành công các bài toán động học là cơ sở vững chắc để phát triển và triển khai robot công nghiệp vào thực tiễn sản xuất.

2.1. Nền tảng Động học Robot Bí quyết xây dựng Mô hình chuẩn xác

Để xây dựng mô hình động học robot một cách chuẩn xác, việc hiểu rõ các nguyên tắc cơ bản là điều cần thiết. Động học robot tập trung vào việc mô tả vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối cùng trong hệ thống robot dựa trên các giá trị của biến khớp mà không cần xem xét đến các lực tác động. Điều này đòi hỏi một cách tiếp cận hình học và đại số để biểu diễn các khớp và các khâu của robot.

Nền tảng của mô hình hóa robot bao gồm việc định nghĩa các hệ tọa độ cho từng khâu và khớp, sau đó sử dụng các phép biến đổi hình học để liên kết chúng. Việc này giúp kỹ sư có thể phân tích chuyển động và kiểm soát robot một cách hiệu quả. Một trong những thách thức là đảm bảo rằng mô hình hóa robot phản ánh chính xác cơ cấu robot thực tế, từ đó cung cấp dữ liệu đầu vào đáng tin cậy cho các bài toán động học thuận robot và động học nghịch robot. Quá trình này không chỉ bao gồm việc xác định các tham số hình học mà còn liên quan đến việc lựa chọn phương pháp biểu diễn tối ưu để đơn giản hóa các phép tính phức tạp, đảm bảo tính ứng dụng cao trong các đồ án Robot Công Nghiệp.

2.2. Phương pháp Denavit Hartenberg DH trong Mô hình hóa Robot

Trong đồ án Robot Công Nghiệp, Quy tắc Denavit-Hartenberg (D-H) là một phương pháp tiêu chuẩn để mô hình hóa robot và thiết lập mô hình động học robot. Phương pháp này cung cấp một khuôn khổ có hệ thống để gán các hệ tọa độ cho từng khâu của robot, đơn giản hóa việc tính toán các phép biến đổi hình học giữa các khâu liên tiếp (Hình 5, trang 9).

Theo quy tắc D-H, vị trí của hệ tọa độ Oixiyizi so với hệ Oi-1xi-1yi-1zi-1 được xác định bởi bốn thông số: ai (khoảng cách giữa hai khớp liên tiếp theo phương xi), di (khoảng cách giữa hai khớp liên tiếp theo phương zi-1), i (góc quay quanh trục xi giữa zi-1 và zi), và i (góc quay quanh trục zi-1 giữa xi-1 và xi) (theo tài liệu gốc, trang 16). Các thông số này được tổ chức trong một ma trận Denavit-Hartenberg (DH), cho phép chuyển đổi từ hệ tọa độ này sang hệ tọa độ khác.

Đối với khớp quay, i là biến khớp, còn di, ai, i là tham số thiết kế. Với khớp tịnh tiến, di là biến khớp, còn i, ai, i là tham số cố định. Việc sử dụng ma trận DH giúp xác định ma trận biến hình tổng hợp A i i-1 (q i), biểu diễn hướng và vị trí của tay kẹp robot so với hệ trục tọa độ gốc. Điều này là nền tảng để giải quyết bài toán động học thuận và bài toán động học nghịch của robot công nghiệp, đặc biệt là trong các trường hợp cánh tay robot có cấu trúc phức tạp như Robot SCARA.

III. Cách giải Bài toán Động Học Robot Thuận Ngược cho Scara

Trong một đồ án Robot Công Nghiệp, việc giải quyết các bài toán động học robot là yếu tố cốt lõi để đảm bảo khả năng điều khiển robot chính xác. Đặc biệt với robot SCARA, một cánh tay robot phổ biến, việc nắm vững động học thuận robot và động học nghịch robot là vô cùng quan trọng. Mục đích chính của việc giải các phương trình động học robot công nghiệp là để điều khiển tay máy của robot công nghiệp di chuyển đến vị trí làm việc mong muốn và có một hướng xác định. Điều này đòi hỏi tính toán chính xác giá trị các biến khớp đã quay hoặc tịnh tiến một lượng cụ thể (theo tài liệu gốc, trang 18).

Bài toán động học thuận robot giúp xác định vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối cùng (tay kẹp) khi biết các giá trị của biến khớp (q1, q2, q3...). Ngược lại, bài toán động học nghịch robot yêu cầu xác định các giá trị biến khớp cần thiết để đưa tay kẹp robot đến một vị trí và hướng cụ thể trong không gian công tác robot. Đây là bài toán phức tạp hơn vì nó thường liên quan đến việc giải một hệ phương trình phi tuyến tính, có thể có nhiều nghiệm hoặc không có nghiệm.

Việc giải quyết bài toán động học ngược là cơ sở cho việc lập trình robot công nghiệp và điều khiển robot theo quỹ đạo mong muốn. Có hai phương pháp chính để giải quyết bài toán này: phương pháp giải tích và phương pháp số. Phương pháp giải tích sử dụng các phép toán học để tìm nghiệm chính xác, trong khi phương pháp số như GRG Nonlinear tìm kiếm giá trị gần đúng nhất với sai số cho phép. Cả hai đều đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quỹ đạo robot và đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống robot.

3.1. Động học thuận Robot SCARA Phương pháp xác định vị trí chính xác

Trong đồ án Robot Công Nghiệp với Robot SCARA, bài toán động học thuận là bước đầu tiên để hiểu cách cánh tay robot di chuyển. Bài toán này đặt ra yêu cầu: biết giá trị các biến khớp (θ1, θ2, d3), cần phải xác định vị trí và hướng của tay kẹp robot, tức là xác định ma trận tọa độ thực T E. (theo tài liệu gốc, trang 19).

Quá trình này bắt đầu bằng việc đặt các hệ trục tọa độ theo Quy tắc Denavit-Hartenberg (D-H) cho từng khâu của Robot SCARA (Hình 8, trang 20). Sau đó, từ bảng thông số D-H (Bảng 1, trang 21), các ma trận D-H chuyển đổi giữa các hệ tọa độ liên tiếp được xây dựng. Để xác định vị trí và hướng của tay kẹp, các ma trận chuyển đổi này sẽ được nhân liên tiếp để thu được ma trận T E cuối cùng, biểu diễn vị trí của khâu chấp hành cuối cùng so với hệ tọa độ gốc (theo tài liệu gốc, trang 21-22).

Việc sử dụng các phần mềm mô phỏng robot như MATLAB Simulink robot hoặc các công cụ tính toán ma trận giúp thực hiện các phép nhân ma trận phức tạp này một cách hiệu quả. Kết quả là một hệ phương trình động học thuận của robot SCARA, cung cấp các thành phần tọa độ (Px, Py, Pz) và hướng của tay kẹp dựa trên các biến khớp đã cho (theo tài liệu gốc, trang 23-24). Việc giải quyết chính xác bài toán này là nền tảng để tiến hành giải bài toán động học nghịch robot.

3.2. Động học nghịch Robot Phương pháp số GRG Nonlinear hiệu quả

Bài toán động học nghịch robot là một thách thức lớn trong đồ án Robot Công Nghiệp, đặc biệt khi cần xác định giá trị các biến khớp (θ1, θ2, d3) từ một ma trận tọa độ thực TE đã biết của tay kẹp robot (theo tài liệu gốc, trang 24). Để giải quyết bài toán này cho Robot SCARA, phương pháp số GRG Nonlinear được xem là một giải pháp hiệu quả và thực tế.

GRG Nonlinear là một thuật toán tối ưu hóa tích hợp sẵn trên phần mềm Excel của Microsoft, giúp tìm giá trị gần đúng nhất của biến khớp với một sai số cho phép. Bài toán được chuyển đổi thành việc tìm giá trị nhỏ nhất của một hàm mục tiêu L, trong đó L là tổng bình phương các sai lệch giữa tọa độ thực tế và tọa độ tính toán từ các biến khớp (theo tài liệu gốc, trang 19, 24-25). Quá trình giải bao gồm các bước: khai báo độ dài các khâu, tọa độ lý thuyết, tọa độ thực, và khởi tạo giá trị biến (Hình 12, trang 26). Sau đó, tính toán các phần tử của hàm L và tổng L.

Quan trọng hơn, cần khai báo điều kiện biên cho các biến khớp dựa trên không gian làm việc của robot (Hình 15, Hình 16, trang 28). Việc này đảm bảo các nghiệm tìm được là hợp lệ và nằm trong giới hạn vật lý của cơ cấu robot. Bằng cách sử dụng chức năng Solver trong Excel với phương pháp GRG Nonlinear, các giá trị biến khớp tối ưu sẽ được tìm thấy (Hình 17, Hình 18, trang 29-30). Mặc dù là phương pháp gần đúng, GRG Nonlinear vẫn mang lại độ chính xác cao và tiện lợi, là công cụ đắc lực cho việc điều khiển robot và lập trình robot công nghiệp trong các đồ án Robot Công Nghiệp.

IV. Hướng dẫn Mô phỏng Robot Công Nghiệp 3D Từ Thiết kế đến Chuyển động

Việc mô phỏng Robot Công Nghiệp 3D là một giai đoạn không thể thiếu trong bất kỳ đồ án Robot Công Nghiệp nào, giúp kiểm tra tính khả thi của thiết kế robot và đánh giá hiệu suất của hệ thống robot trước khi chế tạo thực tế. Các phần mềm mô phỏng robot như SolidWorks cung cấp môi trường mạnh mẽ để mô hình hóa robot, thiết kế từng chi tiết robot, lắp ghép chúng và cuối cùng là mô phỏng chuyển động robot một cách trực quan. SolidWorks, từ hãng Dassault System, là một công cụ thiết kế 3D chuyên nghiệp, đáp ứng đa dạng nhu cầu của kỹ thuật robot và các ngành công nghiệp khác (theo tài liệu gốc, trang 35).

Phần mềm này nổi bật với khả năng hỗ trợ việc khảo sát quỹ đạo robot và quan sát chuyển động của robot một cách dễ dàng. SolidWorks không chỉ giới hạn ở việc thiết kế robot mà còn tích hợp các module phân tích và mô phỏng tiên tiến. Chức năng CAE (Computer-Aided Engineering) cho phép phân tích nội lực, tạo biểu đồ nội lực trong cơ cấu robot, cung cấp cái nhìn sâu sắc về độ bền và ổn định. Chức năng CAM (Computer-Aided Manufacturing) hỗ trợ mô phỏng máy công cụ và gia công chi tiết (theo tài liệu gốc, trang 35).

Đặc biệt, module Animation trong SolidWorks đóng vai trò quan trọng trong việc mô phỏng chuyển động của các cơ cấu robot trong không gian làm việc robot. Việc sử dụng các phần mềm mô phỏng robot như SolidWorks giúp sinh viên và kỹ sư tối ưu hóa thiết kế, phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn và cải thiện hiệu suất của robot công nghiệp. Đây là một bước quan trọng để biến các ý tưởng trong đồ án Robot Công Nghiệp thành hiện thực, đảm bảo sự chính xác và hiệu quả trong quá trình vận hành.

4.1. Thiết kế chi tiết Lắp ghép mô hình robot trên SolidWorks

Trong quá trình thực hiện đồ án Robot Công Nghiệp, việc thiết kế chi tiết và lắp ghép mô hình robot trên phần mềm SolidWorks là một kỹ năng cơ bản. SolidWorks cung cấp một môi trường thân thiện để tạo ra các bản vẽ 3D chính xác cho từng bộ phận của robot công nghiệp. Quy trình bắt đầu bằng việc mở phần mềm và tạo một file Part mới. Kỹ sư sẽ chọn mặt phẳng làm việc (ví dụ: Top plane) và sử dụng các công cụ vẽ 2D để phác thảo hình chiếu bằng của chi tiết (Hình 24, Hình 25, trang 37-38).

Sau khi phác thảo, kích thước của chi tiết được điều chỉnh cho phù hợp với mô hình hóa robot (Hình 27, trang 39). Bước tiếp theo là tạo khối 3D từ bản vẽ 2D, xác định độ dày và hướng tạo khối (Hình 28, Hình 29, trang 40-41). Quá trình này được lặp lại cho tất cả các chi tiết robot như bệ máy, thanh nối, đầu máy và tay kẹp robot (Hình 33-36, trang 42-43). Sau khi hoàn thành thiết kế từng chi tiết và lưu file, giai đoạn tiếp theo là tạo một file Assembly để lắp ghép các chi tiết lại với nhau, tạo thành một mô hình robot SCARA hoàn chỉnh (Hình 37, Hình 38, trang 44). Quá trình lắp ghép đòi hỏi việc chọn các mặt cần ghép và sử dụng chức năng Mate của SolidWorks để liên kết các chi tiết theo đúng cơ cấu robot (Hình 40, Hình 41, trang 46-47). Việc này giúp đảm bảo rằng hệ thống robot được lắp ráp đúng cách và sẵn sàng cho giai đoạn mô phỏng chuyển động robot.

4.2. Mô phỏng chuyển động robot Tối ưu quỹ đạo Kiểm tra hiệu suất

Sau khi thiết kế chi tiết và lắp ghép mô hình robot trên SolidWorks, bước quan trọng tiếp theo trong đồ án Robot Công Nghiệp là mô phỏng chuyển động robot. SolidWorks cung cấp chức năng Animation cho phép kỹ sư kiểm tra hoạt động của robot công nghiệp và tối ưu hóa quỹ đạo robot. Để thực hiện mô phỏng robot 3D, người dùng chọn chế độ mô phỏng chuyển động và thiết lập các vị trí chuyển động (Key-Frame) cho cánh tay robot (Hình 43, Hình 44, trang 48-49).

Trong quá trình này, các giá trị biến khớp đã được tính toán từ bài toán động học nghịch robot sẽ được áp dụng để điều khiển mô hình robot di chuyển. Người dùng có thể thiết lập các thông số như vị trí theo thời gian và tốc độ quay cho từng khớp robot (Hình 46, trang 50). Khi nhấn Run, phần mềm sẽ hiển thị chuyển động của robot một cách trực quan (Hình 45, trang 49). Việc này cho phép kỹ sư quan sát không gian làm việc robot, kiểm tra xem robot có va chạm với môi trường hoặc các bộ phận khác hay không, và đánh giá tính chính xác của quỹ đạo robot.

Mô phỏng robot 3D giúp phát hiện sớm các lỗi thiết kế, tối ưu hóa các tham số điều khiển robot và đánh giá hiệu suất tổng thể của hệ thống robot. Đây là một công cụ mạnh mẽ để kiểm chứng lý thuyết đã tính toán và điều chỉnh thiết kế trước khi tiến hành chế tạo robot vật lý, tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời nâng cao chất lượng của đồ án Robot Công Nghiệp.

V. Đồ án Robot Công Nghiệp Kết quả Ứng dụng Xu hướng tương lai

Việc hoàn thành một đồ án Robot Công Nghiệp: Mô Hình, Động Học & Mô Phỏng không chỉ là minh chứng cho năng lực kỹ thuật mà còn mở ra nhiều cánh cửa cho ứng dụng robot công nghiệp trong thực tế. Các kết quả từ việc mô hình hóa robot, giải quyết bài toán động học robot và mô phỏng chuyển động robot cung cấp những dữ liệu quan trọng để đưa hệ thống robot từ bản vẽ ra đời sống. Cụ thể, qua việc áp dụng phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H), các tọa độ lý thuyết của Robot SCARA được xác định, cho phép xây dựng một mô hình động học chuẩn xác. Bài toán động học thuận giúp xác định ma trận chuyển vị của tâm tay kẹp, một yếu tố thiết yếu cho việc điều khiển robot.

Để giải quyết bài toán động học nghịch robot, phương pháp số GRG Nonlinear được ứng dụng, mặc dù mang tính gần đúng nhưng lại cung cấp kết quả với độ chính xác cao và tiện lợi khi triển khai trên Excel. Việc này giúp xác định các giá trị biến khớp cần thiết để robot đạt được vị trí và hướng mong muốn. Từ những thông số này, quá trình mô phỏng chuyển động robot trên phần mềm SolidWorks đã kiểm tra và xác nhận hoạt động của robot trong môi trường ảo, cho phép tinh chỉnh thiết kế robot và quỹ đạo robot trước khi đi vào sản xuất.

Trong tương lai, robot công nghiệp sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ, tích hợp sâu rộng các công nghệ như AI, IoT và Digital Twin. Xu hướng này sẽ thúc đẩy sự ra đời của các robot cộng tác (cobot), robot với khả năng Vision robot (Thị giác máy trong robot) tiên tiến hơn, và các giải pháp tự động hóa công nghiệp thông minh hơn. Các đồ án Robot Công Nghiệp trong tương lai sẽ cần tập trung vào việc giải quyết những thách thức mới như an toàn robot, khả năng tương tác giữa người và robot, và việc tối ưu hóa hiệu suất trong các môi trường sản xuất ngày càng phức tạp. Sự phát triển này hứa hẹn một tương lai nơi robot không chỉ là công cụ mà còn là đối tác đắc lực trong mọi lĩnh vực.

5.1. Phân tích kết quả động học và tiềm năng ứng dụng robot SCARA

Kết quả từ việc giải bài toán động học thuận robot và động học nghịch robot cho Robot SCARA mang lại những hiểu biết sâu sắc về hoạt động của cơ cấu robot. Cụ thể, ma trận chuyển vị của tâm tay kẹp cho phép xác định chính xác vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối cùng. Các giá trị biến khớp thu được từ phương pháp GRG Nonlinear (Bảng 2, trang 31) là cơ sở để điều khiển robot thực hiện các tác vụ với độ chính xác cao. Mặc dù phương pháp số GRG tìm kiếm các giá trị gần đúng, nhưng với mức sai số cho phép, nó vẫn là một giải pháp tính toán nhanh gọn và hiệu quả cho các đồ án Robot Công Nghiệp.

Robot SCARA với 3 bậc tự do và khả năng làm việc linh hoạt có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong tự động hóa công nghiệp. Đặc biệt, ưu điểm về tốc độ và tính lặp lại của nó rất phù hợp cho các tác vụ như Gắp đặt robot (Pick and Place), phân loại sản phẩm, và di chuyển, xếp đặt vật liệu trong các dây chuyền sản xuất (Hình 4, trang 7). Các kết quả khảo sát và thông số động học tìm được là tiền đề để triển khai mô phỏng robot 3D trên các phần mềm mô phỏng robot như SolidWorks, nhằm kiểm tra hoạt động và tiến hành thiết kế robot thực tế. Điều này chứng tỏ Robot SCARA là một giải pháp hiệu quả cho các công việc đơn giản nhưng đòi hỏi tốc độ cao và độ chính xác, như phân loại thuốc hay lắp ráp linh kiện điện tử.

5.2. Tương lai của Robot Công Nghiệp Thách thức Phát triển bền vững

Robot công nghiệp đang đứng trước kỷ nguyên phát triển mạnh mẽ, định hình lại bối cảnh tự động hóa công nghiệp. Trong tương lai, đồ án Robot Công Nghiệp sẽ không chỉ dừng lại ở mô hình hóa robot và động học mà còn tập trung vào việc tích hợp các công nghệ tiên tiến như Trí tuệ nhân tạo (AI), Internet of Things (IoT) và Digital Twin. Xu hướng này sẽ tạo ra các hệ thống robot thông minh hơn, có khả năng tự học, thích ứng và tương tác phức tạp với môi trường.

Sự ra đời của robot cộng tác (cobot) là một ví dụ điển hình cho sự phát triển này, cho phép robot làm việc an toàn và hiệu quả cùng con người trong không gian công tác robot chung. Đồng thời, việc tích hợp Vision robot (Thị giác máy trong robot) sẽ nâng cao khả năng nhận diện và xử lý vật thể, mở rộng ứng dụng robot công nghiệp vào các lĩnh vực đòi hỏi độ chính xác cao như kiểm tra chất lượng và lắp ráp vi mô. Thách thức lớn nhất trong tương lai sẽ là đảm bảo an toàn, tối ưu hóa hiệu suất năng lượng, và phát triển các robot có khả năng học hỏi từ kinh nghiệm để thực hiện các tác vụ chưa được lập trình trước.

Để đạt được phát triển bền vững, các đồ án Robot Công Nghiệp cần tập trung vào việc nghiên cứu động lực học robot chi tiết hơn, cải thiện các thuật toán điều khiển robot, và khám phá các vật liệu mới cho cơ cấu robot. Điều này sẽ giúp xây dựng một thế hệ robot mới, linh hoạt, hiệu quả và an toàn hơn, đóng góp vào sự tiến bộ của Công nghiệp 4.0 robot.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề [1.] Giới thiệu chung về Robot. Khái niệm robot ra đời đầu tiên vào năm gày 0/10/1922 tại NewYork, khi nhà soạn kịch người Tiệp Khắc Karen Kapek đã tưởng tượng ra một cỗ máy hoạt động một cách tự động. Và nóNó là niềểm mơ ước của con người lúc đóấy., Từ đó ý tưởng thiết kế, chế tạo Robot đã luôn thôi thúc con người. Đến năm 1948, tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Goertz đã chế tạo thành công tay máy đôi (Mmaster-Sslave Mmanipulator).

Đến năm 1954, Goertz đã chế tạo tay máy đôi sử dụng động cơ Sservo và có thể nhận biết được lực tác động lên khâu cuối. Ngày nay Rô bô hoặc c Rôbốt, Rô-bốt (tiếng Anh: Robot) được định nghĩa là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình. Robot được dùng trong nhiều công việc như y tế, giáo dục, dịch vụ, vũ trụ, … nhưng đa số được sử dụng trong các ngành công nghiệp (khoảng 80%). SV: Nguyễn Công Tướng 9 GVHD: Lê Thị Thu Thủy Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công nghiệp____________________________________________________ Hình 1: Robot Shakey thời kỳ đầu Về mặt kỹ thuật, Robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật: Cơ cấu điều khiển từ xa (trong chiến tranh thế giới thứ II) và các máy công cụ điều khiển số NC đáp ứng gia công các chi tiết máy bay (1949).

Robot công nghiệp (hay người máy công nghiệp) được đặt tên cho những dáng vấp và một vài chức năng như tay người để thực hiện một số thao tác sản xuất. Hình 2: Một số robot hiện đại ngày nay Robot công nghiệp ngày nay được tạo ra theo những dáng vấp và một vài chức năng như tay người để thực hiện một số thao tác SV: Nguyễn Công Tướng 10 GVHD: Lê Thị Thu Thủy Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công nghiệp____________________________________________________ sản xuất. Và Scara là một trong những robot công nghiệp đang được sử dụng rộng rãi.] Giới thiệu về Robot ScaraScara: Robot SCARA (Selectively Compliant Articulated Robot Arm) có nghĩa là có thể lựa chọn dễ dàng khớp nối cánh tay Robot.Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độ thay thế sức người. Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt.

Trong các robot được sử dụng trong công việc sản xuất thì SCARA Scara là robot được sử dụng tương đối rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Vì SCARAScara là robot chỉ có 3 bậc tự do và chuyển động của Robot Scara đơn giản, dễ dàng điều khiển nên nó được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp. nên thiết kế gọn và không gian làm việc cũng tương đối linh hoạt. Một robot SCARAScara có 3 trục và ba bậc tự do.

Tất cả các trục được thiết kế với chuỗi Kinematic, bắt đầu từ một nguồn gốc của trục đầu tiên, các trục tiếp theo được tính toán với vị trí, phương của trục trước đó. Trong một robot SCARAScara, các trục thứ nhất và thứ hai quay, trục thứ ba là khớp trượt hay tịnh tiến. Tay kẹp được gắn trên phần cuối của trục Z. SCARAScara có thể cho phép bán kính hành động từ 100 mm đến 1.200 mm, với dung tích tải từ 1 kg đến 200 kg: Hình 3: Sơ đồ và hình dáng thực của robot ScaraScara SV: Nguyễn Công Tướng 11 GVHD: Lê Thị Thu Thủy Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công nghiệp____________________________________________________ Loại robot này được phát triển đáp ứng với tốc độ cao và tính lặp lại trong lắp ráp hàng loạt, chẳng hạn như Pick-and-Place từ nơi này đến nơi khác.

Điểm mạnh nằm ở lực lượng xử lý cao dọc (đôi khi> 300N). Điểm tiêu cực là chúng ta chỉ có thể làm việc trên một mặt phẳng nằm ngang. Ví dụ ứng dụng của robot ScaraScara: Hình 4: Ứng dụng robot Scara phân loại thuốc Hình 5: Ứng dụng robot Scara phân loại thuốc [1.] Kết luận Do Robot ScaraScara chỉ có 3 bậc tự do, cơ cấu thiết kế không quá phức tạp nên việc nghiên cứu và chế tạo được ưu tiên đầu tiên trong các lựa chon phù hợp với công việc đòi hỏi các công việc đơn giản nhưng cần tốc độ cao vì ưu điểm của ScaraScara làm làm việc linh hoạt. Ứng dụng của robot ScaraScara khá rộng rãi.

Việc ứng dụng được sử dụng rất nhiều trong thực tế nhiều nhất là dùng để phân loại sản phẩm, di chuyển xếp đặt vị trí sản phẩm theo yêu cầu. Vì lý do đó nên chúng ta cần nghiên cứu sâu hơn về hoạt động của Scara và ứng dụng của nó trong công nghiệp. Ví dụ ứng dụng của robot Scara: SV: Nguyễn Công Tướng 12 GVHD: Lê Thị Thu Thủy Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công nghiệp____________________________________________________ Hình 6: Ứng dụng robot Scara phân loại thuốc Vì lý do đó nên chúng ta cần nghiên cứu sâu hơn về hoạt động của Scara và ứng dụng của nó trong công nghiệp. SV: Nguyễn Công Tướng 13 GVHD: Lê Thị Thu Thủy Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công nghiệp____________________________________________________ SV: Nguyễn Công Tướng 14 GVHD: Lê Thị Thu Thủy Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công nghiệp____________________________________________________ Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC ROBOT XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC ROBOT Động học robot nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động mà không quan tâm đến nguyên nhân gây ra chúng như lực mà mô men.

Khoa học động học nghiên cứu về vị trí, vận tốc, gia tốc. Do đó, động học chỉ liên quan đến hình học và thời gian thay đổi của chuyển dộng. Sự thay đổi của các khâu của robot liên quan đến hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối cùng bởi sự ràng buộc của các khớp. Những quan hệ động học đó là trọng tâm của việc nghiên cứu động học robot.

Việc nghiên cứu động học có hai vấn đề: Phân tích động học và tổng hợp động học. Tuy nhiên vấn đề phân tích động học và tổng hợp động học luôn liên quan đến nhau. Nội dung nghiên cứu động học của robot là việc tìm ra quan hệ chuyển động của các khâu gồm 2 bài toán là: Bài toán động học thuận và bài toán động học ngược. Trong việc lập trình cho robot điều cơ bản là đặt ra các yêu cầu về vị trí của điểm tác động cuối và hướng của khâu cuối, vân tốc và gia tốc của khâu bất kì trong không gian.

Vấn đề ở đâu là tìm tất cả các bộ thông số có thể chấp nhận được về sự thay đổi của các khâu hoạt động và các đạo hàm tương ứng của chúng xảy ra ở khâu chấp hành cuối cùng để đặt các yêu cầu về hướng và vị trí, đó chính là các thông số hoạt động (( bài toán động học thuận ) hay từ yêu cầu vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối tìm ra các thông số tương ứng của các khâu trước đó ( bài toán động học ngược ) Tổng hợp động học chính là quá trình ngược lại của việc phân tích động học. Trong trường hợp này, nhà thiết kế cần đặt ra được những robot hay máy mới, điều đó đòi hỏi những thay đổi nhất định về mặt động học. Cụ thể, khi có các thông số vị trí và hướng (cùng vận tốc và gia tốc ) của khâu chấp hành cuối cùng, chúng ta cần xác định các thay đổi tương ứng ở các khâu hoạt động và cấu trúc hình học của robot. SV: Nguyễn Công Tướng 15 GVHD: Lê Thị Thu Thủy Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công nghiệp____________________________________________________ 1.] Cơ sở xây dựng mô hình động học trên robot công nghiệp 1.] Quy tắc Denavit – Hartenberg (D-H) Xét hai khâu ii-11 và ii liên ki khâu tenberg khớp bản lề, trục quay của khớp có phương bất kì và hai khâu không nằm trong những mặt phẳng song song nhau.

Hình 7: Mối quan hệ giữa các khâu và hệ tọa độ - Sau khi được thiết lập, vị trí của hệ Oixiyizi so với hệ Oi-1xi-1yi-1zi-1 hoàn toàn được xác định nhờ 4 thông số: + ai : khoảng cách giữa 2 khớp liên tiếp theo phương xi. + di : khoảng cách giữa 2 khớp liên tiếp theo phương zi-1. + i : góc quay quanh trục xi giữa zi-1 và zi. + i : góc quay quanh trục zi-1 giữa xi-1 và xi - Nếu khớp i là khớp quay : i là biến khớp di , ai , i là tham số do thiết kế tạo ra.

- Nếu khớp i là khớp tịnh tiến : di là biến khớp i , ai , i : tham số phụ thuộc kết cấu. Ma trận chuyển đổi giữa hệ trục i và i -1. SV: Nguyễn Công Tướng 16 GVHD: Lê Thị Thu Thủy Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công nghiệp____________________________________________________ Để chuyển từ hệ Oi-1xi-1yi-1zi-1 sang hệ Oixiyizi là thực hiện liên tiếp 4 phép biến đổi toạ độ : Quay quanh zi-1một góc i : Rz-1,i Tịnh tiến dọc zi-1 một đoạn di : Tz-1, di Tịnh tiến dọc xi xi một đoạn ai: Tx, ai Quay quanh xi một góc i : Rx,i , Pi = Rz-1,i. R x ,i Ma trận biến hình tổng hợp của các phép quay trên A i : i-1 i-1 A i ( q i ) = R z - 1 ,i.

cos❑i i-1 sin ❑i cos❑i. sin ❑i Ai = 0 sin ❑i cos❑i di 0 0 0 1 Ma trận thể hiện hướng và vị trí của tay kẹp so với hệêi trục tọa độ gốc 0x0y0z0 là: SV: Nguyễn Công Tướng 17 GVHD: Lê Thị Thu Thủy Đồ án Robot công nghiệp Đồ án Robot công nghiệp____________________________________________________ [ ] nx sx ax px 0 0 1 2 4 n s ay py T E= A 6 = A 1. A 3 = y y nz sz az pz 0 0 0 1 1.] Bài toán động học thuận Cho các giá trị biến khớp q1, q2, q3, q4, q5, q6 tìm ma trận toạ độ thực Hệ phương trình động học thuận của robot: { s x = f 1 ( q1 , q2 , q3 , q 4 , q5 , q6 ) a y = f 2 ( q1 , q2 , q3 , q 4 , q5 , q6 ) a x = f 3 ( q1 , q2 , q3 , q 4 , q5 , q6 ) P x = f 4 ( q1 , q2 , q3 , q 4 , q5 , q6 ) P y = f 5 ( q1 , q2 , q3 , q 4 , q5 , q6 ) P z = f 6 ( q1 , q2 , q3 , q 4 , q5 , q6 ) 1.] Bài toán động học ngược Cho vị trí và hướng của tay kẹp tức là biết ma trân tọa độ thực T E.