Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đề tài "Tính toán thiết kế robot RRR gắp vật" được thực hiện trong khuôn khổ đồ án môn học Hệ thống Cơ điện tử tại Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy lợi (tháng 1 năm 2024). Nghiên cứu được đặt trong bối cảnh tự động hóa và trí tuệ nhân tạo đang trở thành xu thế tất yếu của nền sản xuất công nghiệp hiện đại, nhằm nâng cao năng suất, hạ giá thành và cải thiện điều kiện an toàn lao động tại các môi trường nguy hiểm, độc hại hoặc các công đoạn lặp đi lặp lại dễ gây mệt mỏi cho con người.
Theo văn bản giao nhiệm vụ, mục tiêu trọng tâm của đồ án là tính toán, thiết kế một hệ thống cánh tay robot công nghiệp đáp ứng các thông số kỹ thuật và nhiệm vụ cụ thể sau:
-
Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi:
- Không gian làm việc định mức: $500\text{ mm} \times 500\text{ mm} \times 500\text{ mm}$.
- Dạng cấu trúc hình học: Robot chuỗi hở 3 bậc tự do kiểu RRR (ba khớp quay).
- Dạng quỹ đạo chuyển động kiểm nghiệm: Đường tròn trong không gian công tác.
- Khối lượng tải trọng gắp: $1\text{ kg}$.
-
Nhiệm vụ nghiên cứu thuyết minh (được đánh số theo văn bản):
- Nhiệm vụ 1: Phân tích lựa chọn cấu trúc robot (xác định số bậc tự do cần thiết, phân tích cấu trúc và phương án thiết kế).
- Nhiệm vụ 2: Giải quyết bài toán động học robot (lập bảng tham số động học D-H-C, giải bài toán động học thuận, giải bài toán động học ngược).
- Nhiệm vụ 3: Thiết kế robot (khảo sát phần mềm thiết kế 3D, thiết kế chi tiết các khâu, lắp ráp mô hình tổng thể và mô phỏng chuyển động).
- Nhiệm vụ 4: Tính toán bài toán động lực học robot (xác định tham số động lực học, thiết lập phương trình vi phân chuyển động, giải bài toán động lực học thuận và ngược).
- Nhiệm vụ 5: Thiết kế hệ thống dẫn động (lựa chọn động cơ dẫn động và phân tích lựa chọn hệ thống truyền động cho các khâu).
- Nhiệm vụ 6: Thiết kế hệ thống điều khiển (chọn luật điều khiển phù hợp và mô phỏng trên phần mềm MATLAB).
-
Nhiệm vụ bản vẽ kỹ thuật:
- Hoàn thành 03 bản vẽ kỹ thuật khổ A3 bao gồm: Bản vẽ lắp tổng thể mô hình robot, bản vẽ tách một khâu của robot và bản vẽ tách một chi tiết điển hình.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là cơ cấu tay máy 3 bậc tự do liên kết chuỗi hở, sử dụng động cơ điện kết hợp bộ truyền đai răng và cơ cấu chấp hành kẹp thủy lực. Phạm vi không gian được giới hạn trong thể tích thao tác $500\text{ mm} \times 500\text{ mm} \times 500\text{ mm}$, với quỹ đạo chuyển động thực nghiệm là đường cong tròn nằm ngang có bán kính $90\text{ mm}$.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu vận dụng các hệ thống lý thuyết cơ học tay máy, hình học giải tích và công cụ thiết kế kỹ thuật tiêu chuẩn:
- Khái niệm và định nghĩa: Áp dụng định nghĩa robot công nghiệp theo Từ điển New World College và định nghĩa của Hiệp hội Robot công nghiệp Hoa Kỳ (Robotic Industries Association - RIA), xác định cánh tay robot là cơ cấu chấp hành vạn năng có thể lập trình chuyển động đa trục.
- Công thức xác định bậc tự do: Đối với chuỗi động học hở, số bậc tự do $W$ được tính theo công thức Somov - Kutzbach - Grübler:
$$W = 6n - \sum_{i=1}^5 i p_i$$
Trong đó $n$ là số khâu động, $p_i$ là số khớp động loại $i$. Với mô hình thiết kế gồm 3 khâu động ($n = 3$) và 3 khớp quay bản lề loại 5 ($p_5 = 3$), hệ thống xác định có $W = 6 \times 3 - (5 \times 3) = 3$ bậc tự do.
- Phương pháp tham số động học Denavit - Hartenberg - Craig (D-H-Craig): Xây dựng hệ tọa độ cục bộ $R_0, R_1, R_2, R_3$ gắn trên từng trục khớp theo quy tắc bàn tay phải; thiết lập ma trận biến đổi thuần nhất địa phương $K_i$ và ma trận chuyển vị toàn thể $C_2 = K_1 K_2$, $C_3 = K_1 K_2 K_3$.
- Phương pháp vi phân ma trận Jacobian: Sử dụng đạo hàm riêng của hàm vị trí để thiết lập ma trận Jacobian vị trí $J_q$, từ đó giải phương trình vận tốc suy rộng $\dot{q} = J_q^{-1} \dot{x}(t)$ và gia tốc suy rộng $\ddot{q} = J_q^{-1} (\ddot{x}(t) - \dot{J}_q \dot{q})$ trong bài toán động học ngược.
- Phương pháp thiết kế và mô phỏng số: Kết hợp thiết kế hình học tham số 3D bằng phần mềm SolidWorks (tính năng Part, Assembly, Sheet Metal Tab & Slot, Motion Simulation) và lập trình giải tích thuật toán động học bằng phần mềm MATLAB để vẽ đáp ứng chuyển động của các biến khớp.
- Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thống kê sản lượng ứng dụng robot công nghiệp quốc tế giai đoạn 2015 - 2017 (trong ngành ô tô và điện tử); hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật của các chi tiết cơ khí tiêu chuẩn (bu lông, đai ốc ren hệ mét M6, M10, then bằng, ổ lăn đũa côn và ổ bi đỡ).
Thiết kế kỹ thuật và mô hình hóa hệ thống
Mô hình cơ điện tử của robot RRR được cấu thành từ 4 cụm kết cấu cơ khí chính được thiết kế trên môi trường CAD SolidWorks:
- Cụm khâu đế (Joint 1): Bao gồm kết cấu vỏ hộp định vị (tấm đế hộp, mặt lưng, hai cạnh bên, nắp hộp, vách ngăn và góc ke gia cường chữ L). Truyền động từ động cơ đặt trong hộp đế lên trục xoay thẳng đứng của khâu 1 thông qua bộ truyền đai răng (gồm puly nhỏ gắn trục động cơ qua then, puly lớn gắn trên trục đế qua then và nối trục chữ T), sử dụng ổ đũa côn đỡ chặn để chịu tải trọng dọc trục và mô-men uốn, liên kết toàn bộ bằng hệ thống bu lông và đai ốc M6.
- Cụm khâu 1 (Joint 2): Bao gồm thân khâu 1 dạng thanh chịu lực, động cơ dẫn động khâu 2, bộ truyền đai răng khâu 1 (cặp puly lớn - nhỏ và dây đai), then định vị, trục khâu 1 và hệ liên kết bu lông, đai ốc tiêu chuẩn M10. Khâu này thực hiện chuyển động quay quanh trục nằm ngang vuông góc với trục đế.
- Cụm khâu 2 (Joint 3): Gồm tấm đỡ trên và tấm đỡ dưới liên kết khung, ổ bi đỡ, bạc dẫn hướng, động cơ khâu 2, bộ truyền puly - đai khâu 2, nắp ổ trên và trục khâu 2, thực hiện chuyển động quay song song với trục khớp 2 để điều chỉnh tầm với của tay máy.
- Cụm khâu 3 và cơ cấu thao tác cuối (End-Effector): Gồm thân khâu 3.1, nắp thanh trên và nắp thanh dưới dẫn hướng, giá đỡ xilanh và cụm đầu kẹp vật thể dẫn động thủy lực/khí nén nhằm kẹp giữ chi tiết tải trọng 1 kg.
Tác giả phân tích và lựa chọn bộ truyền đai răng cho các khớp dẫn động dựa trên các đặc tính kỹ thuật cơ học:
| Tiêu chí đánh giá |
Ưu điểm ghi nhận |
Nhược điểm và hạn chế |
| Đặc tính động học và tải trọng |
Tính đàn hồi cao, giảm chấn động va đập; vận hành êm ái, triệt tiêu tiếng ồn |
Khả năng chịu tải cực hạn và vận tốc thấp hơn bộ truyền bánh răng kim loại ăn khớp trực tiếp |
| Bảo dưỡng và khối lượng |
Trọng lượng nhẹ; không đòi hỏi hệ thống bôi trơn định kỳ; chi phí bảo dưỡng thấp |
Dây đai bị dão/dãn dài cơ học sau thời gian làm việc chịu tải, gây suy giảm độ chính xác định vị |
| Không gian lắp đặt |
Kết cấu lắp ráp đơn giản, dễ thay thế phụ tùng |
Kích thước bao của bộ truyền lớn hơn bánh răng khi truyền cùng mức mô-men xoắn |
Nội dung chính theo từng chương
Chương I: Những kiến thức cơ sở
Chương I trình bày tổng quan lịch sử phát triển của robot công nghiệp từ những tay máy chép hình điều khiển từ xa trong phòng thí nghiệm phóng xạ sau Thế chiến II, đến việc lắp đặt robot công nghiệp đầu tiên trên thế giới tại nhà máy General Motors (Trenton, New Jersey, Hoa Kỳ) vào năm 1961. Năm 1967, Nhật Bản nhập khẩu robot đầu tiên từ công ty AMF (Hoa Kỳ), mở đường cho giai đoạn phát triển bùng nổ với hơn 40 công ty robot Nhật Bản vào năm 1990. Thập niên 1970 ghi nhận bước tiến về cảm biến môi trường và robot tự hành (robotcar), trước khi công nghệ vi xử lý phát triển mạnh mẽ vào thập niên 1980 - 1990 giúp robot công nghiệp thương mại hóa sâu rộng.
Về số liệu ứng dụng, văn bản trích dẫn biểu đồ phân bố robot công nghiệp trong giai đoạn 2015 - 2017:
| Ngành công nghiệp |
Năm 2015 (chiếc) |
Năm 2017 (chiếc) |
Mức tăng trưởng ghi nhận |
| Công nghiệp ô tô |
98.000 |
126.000 |
Tăng 28.000 chiếc |
| Ngành điện - điện tử |
65.000 |
121.000 |
Tăng 33% (tăng từ 65.000 lên 121.000 chiếc) |
Văn bản điểm qua tình hình nghiên cứu robot tại Việt Nam trong 25 năm qua với các đơn vị tiêu biểu: Trung tâm Tự động hoá (Đại học Bách Khoa Hà Nội), Viện Điện tử - Tin học - Tự động hoá (Bộ Công Thương), Đại học Bách khoa TP.HCM, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin (Viện Hàn lâm KHCNVN) và Công ty Cổ phần Robot TOSY.
Chương II: Phân tích và lựa chọn cấu trúc robot
Chương II phân tích các cấu trúc hình học cơ bản của robot công nghiệp: robot tọa độ Đề-các (khối chữ nhật), robot tọa độ trụ (không gian hình trụ rỗng), robot tọa độ cầu, robot SCARA, robot có khớp nối (Articulated) và robot song song kiểu nhện (Delta). Sau khi so sánh 6 phương án bố trí động học, tác giả lựa chọn cấu trúc chuỗi hở 3 bậc tự do RRR (phương án có 3 khớp quay liên tiếp) do ưu điểm tiết kiệm diện tích khâu đế, kết cấu đơn giản, linh hoạt và thuận tiện cho việc điều khiển độc lập từng khớp khi thao tác trên mặt phẳng đứng.
Thiết lập hệ tọa độ theo phương pháp Denavit - Hartenberg - Craig với các thông số hình học: chiều dài khâu đế $l_1 = 235\text{ mm}$, chiều dài khâu 2 là $l_2$, chiều dài khâu 3 là $l_3$. Bảng tham số D-H-Craig thu được:
| Khâu ($i$) |
Góc xoắn $\alpha_{i-1}$ |
Độ dịch khâu $a_{i-1}$ |
Khoảng cách trục $d_i$ |
Biến khớp $\theta_i$ |
| 1 |
$0$ |
$0$ |
$l_1$ |
$q_1$ |
| 2 |
$\pi/2$ |
$0$ |
$0$ |
$q_2$ |
| 3 |
$0$ |
$l_2$ |
$0$ |
$q_3$ |
Hệ phương trình tọa độ vị trí điểm thao tác cuối $E$ trong hệ tọa độ gốc $R_0$:
$$\begin{cases}
x_E = l_3 \cos(q_2 + q_3)\cos(q_1) + l_2 \cos(q_1)\cos(q_2) \
y_E = l_3 \cos(q_2 + q_3)\sin(q_1) + l_2 \sin(q_1)\cos(q_2) \
z_E = l_1 + l_3 \sin(q_2 + q_3) + l_2 \sin(q_2)
\end{cases}$$
Để kiểm chứng động học thuận, tác giả đặt quy luật chuyển động biến khớp theo thời gian $t$:
$$q_1(t) = 0,8\sin(0,1t); \quad q_2(t) = 0,6\sin(0,1t); \quad q_3(t) = 0,5\cos(0,05t)$$
Từ đó dẫn xuất giải tích biểu thức vận tốc tuyến tính ($v_{Ex}, v_{Ey}, v_{Ez}$), gia tốc tuyến tính ($a_{Ex}, a_{Ey}, a_{Ez}$), ma trận cosin chỉ hướng $A_1, A_2, A_3$, ma trận vận tốc góc $\tilde{\omega}_i = \dot{A}_i A_i^T$ và vector vận tốc góc của từng khâu ($\omega_1, \omega_2, \omega_3$), đồng thời xuất các đồ thị mô phỏng tương ứng trên MATLAB.
Đối với bài toán động học ngược, điểm thao tác $E$ được yêu cầu di chuyển theo quỹ đạo tròn trong mặt phẳng $Oxy$:
$$\begin{cases}
x_E(t) = 250 + 90\cos(t / 750) \
y_E(t) = 250 + 90\sin(t / 750) \
z_E(t) = 0
\end{cases}$$
Tác giả thiết lập ma trận Jacobian $J_q = \left[\frac{\partial f_i}{\partial q_j}\right]_{3 \times 3}$ với các phần tử tường minh, biểu diễn vector vận tốc góc khớp $\dot{q} = J_q^{-1} \dot{x}(t)$ và vector gia tốc góc khớp $\ddot{q} = J_q^{-1}(\ddot{x}(t) - \dot{J}_q \dot{q})$, từ đó giải ra quy luật chuyển động và xuất các đồ thị tọa độ suy rộng, vận tốc suy rộng, gia tốc suy rộng của từng khớp (Hình 2.10 đến Hình 2.16).
Chương III: Thiết kế 3D robot
Chương III khảo sát ba phần mềm thiết kế cơ khí 3D: AutoCAD (Autodesk, 1982), CATIA (Dassault Systèmes, phát triển từ dự án máy bay Mirage cuối thập niên 1970 với 3 phân hệ CAD/CAM/CAE) và SOLIDWORKS (Dassault Systèmes, từ năm 1997, phục vụ hơn 2 triệu kỹ sư trên thế giới). Tác giả lựa chọn SolidWorks nhờ tính trực quan của mô hình hóa tham số, công cụ tạo mối ghép Tab and Slot cho kim loại hàn và mô-đun mô phỏng động học Simulation.
Nội dung trọng tâm của chương là thiết kế chi tiết và bóc tách bảng kê vật liệu (BOM) cho từng cụm khâu:
- Khâu đế (Bảng 3.1): Gồm 15 chi tiết; trong đó 6 chi tiết tiêu chuẩn (động cơ đế, then đế 1, bu lông M6, đai ốc M6, ổ đũa côn) và 9 chi tiết gia công phi tiêu chuẩn (tấm đế hộp, mặt lưng, cạnh bên, nắp hộp, ngăn khâu đế, góc ke chữ L, puly nhỏ, trục đế, puly lớn, nối trục chữ T).
- Khâu 1 (Bảng 3.2): Gồm 9 chi tiết; trong đó 3 chi tiết tiêu chuẩn (đai ốc M10, bu lông M10, đai khâu 1) và 6 chi tiết phi tiêu chuẩn (thân khâu 1, động cơ khâu 1, then, puly lớn khâu 1, puly nhỏ khâu 1, trục khâu 1).
- Khâu 2 (Bảng 3.3/3.1 trong văn bản): Gồm 11 chi tiết; trong đó 3 chi tiết tiêu chuẩn (ổ bi, then, động cơ khâu 2) và 8 chi tiết phi tiêu chuẩn (tấm đỡ dưới, tấm đỡ trên, đai khâu 2, puly lớn, puly nhỏ, nắp ổ trên, trục khâu 2, bạc).
- Khâu 3 (Bảng 3.4/3.1 trong văn bản): Gồm 5 chi tiết; trong đó 2 chi tiết tiêu chuẩn (nắp thanh dưới, nắp thanh trên) và 3 chi tiết phi tiêu chuẩn (khâu 3.1, đầu kẹp thủy lực, giá đỡ xilanh).
Nội dung các chương tiếp theo theo đề cương thiết kế
Theo mục lục và nhiệm vụ đồ án được giao, các nội dung tiếp theo gồm có:
- Chương IV: Tính toán động lực học robot: Xác định các tham số khối lượng, khối tâm, ma trận mô-men quán tính của các khâu; thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của cánh tay robot theo phương pháp Lagrange loại 2 hoặc Newton - Euler; giải bài toán động lực học thuận và ngược.
- Chương V: Thiết kế hệ thống dẫn động: Tính toán mô-men tải trọng tĩnh và động quy đổi về trục động cơ; lựa chọn công suất động cơ dẫn động cho khớp 1, khớp 2 và khớp 3; kiểm tra tỷ số truyền của các bộ truyền đai răng.
- Chương VI, Kết luận và Phụ lục: Lựa chọn thuật toán điều khiển chuyển động; chạy chương trình mô phỏng điều khiển trên MATLAB; tổng hợp kết luận, hướng phát triển và phụ lục mã nguồn MATLAB cho bài toán động học thuận và ngược.
(Lưu ý học thuật: Phần văn bản toàn văn được cung cấp kết thúc tại trang 42 thuộc Chương III; các nội dung thuộc Chương IV, V và Kết luận nêu trên được ghi nhận theo cấu trúc mục lục và đề cương nhiệm vụ của tác giả).
Kết quả và đóng góp
Đồ án ghi nhận các kết quả kỹ thuật và tính toán định lượng cụ thể sau:
- Mô hình hóa toán học hoàn chỉnh: Xây dựng hệ phương trình động học thuận và động học vi phân tường minh cho robot 3 bậc tự do RRR dựa trên bộ tham số D-H-Craig; giải quyết bài toán động học ngược chính xác cho quỹ đạo tròn bán kính $R = 90\text{ mm}$ tại độ cao $z_E = 0$ bằng phương pháp ma trận nghịch đảo Jacobian.
- Xác lập dữ liệu mô phỏng số: Thiết lập thuật toán và xuất hệ thống đồ thị quỹ đạo không gian, vận tốc góc, gia tốc góc của các khâu $q_1, q_2, q_3$ trên phần mềm MATLAB, chứng minh tính khả thi về mặt động học khi bám quỹ đạo cho trước.
- Hiện thực hóa kết cấu cơ khí 3D: Thiết kế mô hình lắp ráp hoàn chỉnh 4 khâu của robot trên SolidWorks; hoàn thành bảng danh mục 40 chi tiết cấu thành (phân loại rõ ràng giữa các cụm chi tiết phi tiêu chuẩn cần gia công cơ khí chính xác và các phụ tùng tiêu chuẩn như bu lông, đai ốc M6/M10, then, ổ đũa côn, ổ bi đỡ).
- Giải pháp kết cấu dẫn động: Đề xuất và ứng dụng bộ truyền đai răng đồng bộ tại các khớp bản lề nhằm giảm khối lượng bản thân của cánh tay, hạn chế rung động và tiếng ồn trong quá trình làm việc, kết hợp cụm đầu kẹp dẫn động bằng xilanh đáp ứng yêu cầu gắp vật tải trọng 1 kg.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Dựa trên nội dung toàn văn của tài liệu, các điểm hạn chế và hướng mở của đề tài được xác định như sau:
- Hạn chế của tài liệu báo cáo:
- Văn bản thuyết minh cung cấp chưa đầy đủ các chương phía sau (Chương IV về động lực học, Chương V về tính chọn động cơ và phần phụ lục code MATLAB mới chỉ có tên trong mục lục, chưa có nội dung chi tiết trong văn bản).
- Tồn tại một số điểm chưa nhất quán về mặt thuật ngữ trong thuyết minh của tác giả (tiêu đề nhiệm vụ là "Robot RRR gắp vật", nhưng trong Lời cam đoan và Lời nói đầu lại ghi "Cánh tay robot Scara", "Scara RRT"; kích thước không gian làm việc ở trang 13 có lỗi đánh máy ghi "5000x500x500" thay vì "500x500x500", và dòng chọn $l_1 = 235\text{ (mm)} = 0.1$).
- Mô hình động học thuần túy coi các khâu và bộ truyền là vật rắn tuyệt đối, chưa tính đến độ biến dạng đàn hồi của dây đai răng và khe hở cơ khí trong các ổ đỡ khi chịu tải trọng làm việc thực tế.
- Hướng nghiên cứu tiếp theo (theo định hướng nhiệm vụ):
- Hoàn thiện tính toán động lực học để xác định chính xác mô-men xoắn cản trên các trục khớp, làm cơ sở lựa chọn dải công suất động cơ dẫn động (động cơ bước hoặc động cơ servo).
- Thiết kế và mô phỏng mạch vòng điều khiển vị trí (PID hoặc điều khiển phản hồi trạng thái) trên nền tảng MATLAB/Simulink.
- Chế tạo mô hình vật lý thực nghiệm, lập trình điều khiển nhúng trên vi điều khiển/PLC và đo kiểm độ chính xác lặp lại của điểm thao tác cuối khi mang tải 1 kg.
Giá trị tham khảo
Báo cáo đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho các nhóm đối tượng:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Robot và Cơ khí Chế tạo máy: Cung cấp tài liệu mẫu về cấu trúc trình bày một đồ án thiết kế tay máy công nghiệp hoàn chỉnh, từ khâu khảo sát tổng quan, phân tích động học bằng phương pháp D-H-Craig, đến phương pháp giải bài toán động học ngược bằng ma trận Jacobian.
- Người làm đề tài thiết kế cơ khí và mô hình hóa CAD: Cung cấp phương pháp phân tách kết cấu cơ khí theo từng khâu, cách tổ chức bảng kê chi tiết (BOM) phân định ranh giới giữa chi tiết gia công (phi tiêu chuẩn) và linh kiện mua ngoài (tiêu chuẩn), cũng như cách thức tích hợp bộ truyền đai răng vào cánh tay robot nhiều bậc tự do.
- Nội dung đáng tham khảo nhất: Quy trình xây dựng hệ tọa độ D-H-Craig, các ma trận biến đổi thuần nhất và chuỗi phương trình vi phân động học ngược cho robot 3 bậc tự do RRR (Chương II), kết hợp cùng giải pháp bố trí kết cấu khâu đế và cụm truyền động puly - đai trên SolidWorks (Chương III).
Câu hỏi thường gặp
1. Đề tài đặt ra các yêu cầu kỹ thuật ban đầu nào cho cánh tay robot?
Robot được thiết kế theo cấu trúc chuỗi hở 3 bậc tự do (RRR), hoạt động trong không gian làm việc $500\text{ mm} \times 500\text{ mm} \times 500\text{ mm}$, tải trọng gắp vật định mức là $1\text{ kg}$ và điểm thao tác cuối phải di chuyển bám theo một quỹ đạo đường tròn định trước.
2. Tác giả sử dụng phương pháp nào để giải bài toán động học của robot?
Tác giả áp dụng phương pháp Denavit - Hartenberg cải tiến theo Craig (D-H-Craig) để đặt hệ tọa độ và lập bảng tham số động học cho 3 khâu. Đối với bài toán động học ngược, tác giả thiết lập ma trận Jacobian $J_q$ kích thước $3 \times 3$ và ma trận đạo hàm $\dot{J}_q$ để xác định các vector vận tốc góc suy rộng $\dot{q}$ và gia tốc góc suy rộng $\ddot{q}$ từ quỹ đạo vị trí của điểm thao tác cuối $E$.
3. Quỹ đạo chuyển động tròn của điểm thao tác $E$ được mô tả bằng phương trình nào?
Trong bài toán động học ngược, quỹ đạo chuyển động tròn của điểm thao tác $E$ được xác định theo thời gian $t$ bằng hệ phương trình: $x_E(t) = 250 + 90\cos(t / 750)\text{ mm}$, $y_E(t) = 250 + 90\sin(t / 750)\text{ mm}$ và $z_E(t) = 0\text{ mm}$.
4. Tại sao tác giả lại lựa chọn bộ truyền đai răng cho khâu đế thay vì bộ truyền bánh răng ăn khớp trực tiếp?
Tác giả lựa chọn bộ truyền đai răng vì cơ cấu này có tính đàn hồi giúp giảm chấn động va đập, vận hành êm ái không gây tiếng ồn, không đòi hỏi bôi trơn thường xuyên, chi phí bảo dưỡng thấp và khối lượng nhẹ hơn đáng kể so với bộ truyền bánh răng kim loại, dù có nhược điểm là khả năng chịu tải kém hơn và đai có thể bị dão sau thời gian sử dụng.
5. Mô hình 3D trên SolidWorks của robot bao gồm những cụm khâu nào và số lượng chi tiết ra sao?
Mô hình 3D được chia thành 4 cụm kết cấu: Khâu đế (15 chi tiết), Khâu 1 (9 chi tiết), Khâu 2 (11 chi tiết) và Khâu 3 tích hợp đầu kẹp thủy lực (5 chi tiết), tạo thành một hệ thống gồm 40 chi tiết cơ khí được phân định rõ ràng giữa chi tiết tiêu chuẩn và chi tiết gia công phi tiêu chuẩn.
Kết luận
Báo cáo đồ án "Tính toán thiết kế robot RRR gắp vật" của sinh viên Phùng Mạnh Hùng (Trường Đại học Thủy lợi) đã giải quyết trọn vẹn hai nội dung cốt lõi của kỹ thuật cơ điện tử là xây dựng cơ sở toán học động học và thiết kế kết cấu cơ khí 3D. Tác giả đã hoàn thiện việc lập mô hình tham số D-H-Craig, giải bài toán động học thuận - ngược bằng phương pháp Jacobian và mô phỏng đáp ứng trên MATLAB đối với quỹ đạo tròn yêu cầu. Đồng thời, toàn bộ hệ thống cơ khí 4 khâu với 40 chi tiết đã được mô hình hóa chi tiết trên phần mềm SolidWorks, bám sát các ràng buộc về không gian công tác $500\text{ mm} \times 500\text{ mm} \times 500\text{ mm}$ và tải trọng gắp 1 kg. Đây là tài liệu học thuật có cấu trúc bài bản, thể hiện quy trình thiết kế kỹ thuật điển hình từ lý thuyết giải tích đến mô hình hóa CAD cho sinh viên chuyên ngành Cơ điện tử và Kỹ thuật Robot.
