Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong lĩnh vực kỹ thuật cơ điện tử và tự động hóa công nghiệp, việc nghiên cứu, thiết kế các cơ cấu cánh tay robot chuyên dụng phục vụ các công đoạn gia công tự động như hàn, khắc chữ, cắt gọt đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác và năng suất. Đồ án môn học "Hệ thống Cơ điện tử" của tác giả Vũ Đình Đô (sinh viên lớp 63CĐT3, Nhóm 7, MSV: 2151204008), dưới sự hướng dẫn của GVHD Triệu Thị Minh Thu tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy Lợi (tháng 01/2025), tập trung giải quyết bài toán phân tích, tính toán động học, động lực học và thiết kế mô hình 3D cho cánh tay robot khắc chữ/hàn có cấu trúc RRT.
Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể trong văn bản bao gồm:
- Phân tích không gian làm việc và xác định số bậc tự do cần thiết của robot trong không gian 2D và 3D.
- Phân tích cấu trúc cơ học, so sánh các phương án bố trí và lựa chọn phương án thiết kế tối ưu cho cánh tay robot RRT.
- Giải quyết bài toán động học thuận theo phương pháp Denavit - Hartenberg cải tiến (D-H-C / Craig), xây dựng phương trình vị trí, vận tốc, gia tốc của điểm thao tác $E$, khảo sát đồ thị chuyển động.
- Thiết lập và giải bài toán động học ngược dựa trên ma trận Jacobian để xác định quy luật chuyển động của các tọa độ suy rộng theo quỹ đạo điểm thao tác cho trước.
- Thiết kế chi tiết 3D, mô hình hóa các khâu, lắp ráp cụm và toàn bộ hệ thống robot trên phần mềm SolidWorks, xuất bản vẽ 2D và mô phỏng phân rã.
- Thiết lập bảng tham số động lực học, ma trận mô-men quán tính và tọa độ khối tâm các khâu.
- Phân tích, lựa chọn hệ thống dẫn động và cơ cấu truyền động cho từng khâu của robot.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Cánh tay robot 3 khâu cấu trúc RRT (2 khớp quay Revolute, 1 khớp tịnh tiến Translation, gắn đầu mũi hàn/khắc ở khâu cuối).
- Phạm vi không gian: Kích thước không gian làm việc của robot đạt $550 \times 600 \times 700\text{ mm}$.
- Thời gian và địa điểm thực hiện: Tháng 01 năm 2025, tại Trường Đại học Thủy Lợi, Hà Nội.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán
Tác giả vận dụng các cơ sở lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật robot và cơ học máy:
- Lý thuyết bậc tự do: Áp dụng công thức tính bậc tự do cho cơ cấu phẳng ($W = 3n - 2P_5 - P_4 - R_t - R_d + W_t$) và cơ cấu không gian ($W = 6n - \sum_{i=1}^5 i \cdot P_i - R_t - R_d + W_t$).
- Phương pháp Denavit - Hartenberg cải tiến (D-H Craig / D-H-C): Sử dụng 4 tham số biến đổi Craig gồm góc xoay khâu $\alpha_{i-1}$, chiều dài khâu $a_{i-1}$, góc khớp $\theta_i$, và khoảng dịch chuyển khớp $d_i$ để thiết lập ma trận biến đổi thuần nhất địa phương $^iT_{i-1}$ và ma trận toàn cục $^0T_3$.
- Lý thuyết vi phân động học: Thiết lập ma trận Jacobian $J(q)$ biểu diễn mối quan hệ giữa vận tốc không gian thao tác $\dot{X}$ và vận tốc suy rộng $\dot{q}$ thông qua hệ thức $\dot{X} = J(q)\dot{q}$, từ đó tính toán vận tốc suy rộng $\dot{q} = J^{-1}(q)\dot{X}$ và gia tốc suy rộng $\ddot{q} = J^{-1}(q)[\ddot{X} - \dot{J}(q)\dot{q}]$.
- Lý thuyết động lực học vật rắn: Xác định tọa độ khối tâm $C_i(x_C, y_C, z_C)$ và tensor mô-men quán tính khối $I_i$ ($I_{xx}, I_{yy}, I_{zz}, I_{xy}, I_{yz}, I_{zx}$) đối với hệ trục tọa độ gắn trên từng khâu.
Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai:
- Phương pháp phân tích - tổng hợp và so sánh phương án: Khảo sát 4 phương án cấu trúc RRT (Robot SCARA, robot tay cực, robot dạng tay đòn, robot đa khớp) để đánh giá ưu - nhược điểm về độ phức tạp điều khiển, tính linh hoạt và khả năng gia công.
- Phương pháp giải tích động học: Thiết lập hệ trục tọa độ theo quy tắc bàn tay phải, suy dẫn ma trận biến đổi tọa độ và giải tích đạo hàm ma trận.
- Phương pháp thiết kế mô hình hóa 3D (CAD): Sử dụng phần mềm Dassault Systèmes SolidWorks để dựng hình tham số các chi tiết, lắp ráp cụm mô hình, kiểm tra xung đột hình học và xuất bản vẽ kỹ thuật.
Nguồn dữ liệu sử dụng:
- Các phương trình giải tích quỹ đạo đặt trước cho điểm thao tác $E$.
- Hệ thống thông số kỹ thuật kích thước hình học tiêu chuẩn và phi tiêu chuẩn của các chi tiết cơ khí (ổ bi, bu lông M4/M5/M10/M12, thanh trượt $\Phi 5$, đai ốc vít me, động cơ bước/servo).
Thiết kế kỹ thuật và mô hình hóa 3D
Đồ án triển khai thiết kế chi tiết hệ thống cơ khí trên nền tảng phần mềm SolidWorks với danh mục chi tiết tiêu chuẩn và phi tiêu chuẩn được bóc tách theo từng khâu:
Bảng tổng hợp chi tiết khâu 1
| STT |
Tên chi tiết |
Thông số kích thước |
Phân loại |
| 1 |
Tấm đáy |
$D = 210\text{ mm}, d = 3\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
| 2 |
Khung cố định khâu 1 |
$L \times b \times h = 150 \times 120 \times 10\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
| 3 |
Bu lông M5 |
$L = 25\text{ mm}, D = 5\text{ mm}$ |
Tiêu chuẩn |
| 4 |
Tấm đỡ bên phải |
$L = 270\text{ mm}, D = 120\text{ mm}, d_1 = 27\text{ mm}, d_2 = 15\text{ mm}, d_3 = 12\text{ mm}, d_4 = 6\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
| 5 |
Tấm đỡ bên trái |
$L = 270\text{ mm}, D = 120\text{ mm}, d_1 = 27\text{ mm}, d_2 = 15\text{ mm}, d_3 = 6\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
| 6 |
Bánh đai lớn |
$d_{\text{trong}} = 22\text{ mm}, d_{\text{ngoài}} = 50\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
| 7 |
Bánh đai nhỏ |
$d_{\text{trong}} = 12\text{ mm}, d_{\text{ngoài}} = 25\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
| 8 |
Trục |
$d_1 = 20\text{ mm}, d_2 = 22\text{ mm}, d_3 = 32\text{ mm}, L = 166\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
| 9 |
Gối đỡ trục |
$D = 22\text{ mm}$ |
Tiêu chuẩn |
| 10 |
Bạc bọc trục |
$d_{\text{trong}} = 20\text{ mm}, d_{\text{ngoài}} = 25\text{ mm}, W = 16\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
| 11 |
Then bánh đai lớn |
$L = 13\text{ mm}, R = 3\text{ mm}, T = 4.5\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
| 12 |
Bu lông M10 |
$L = 150\text{ mm}, \Phi 10\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
| 13 |
Đai ốc M10 |
$\Phi 10\text{ mm}$ |
Tiêu chuẩn |
| 14 |
Bạc bọc bu lông |
$d_{\text{trong}} = 10\text{ mm}, d_{\text{ngoài}} = 20\text{ mm}, L = 110\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
| 15 |
Dây đai |
$d_1 = 25\text{ mm}, d_2 = 50\text{ mm}, L = 160\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
| 16 |
Động cơ khâu 1 |
$L \times b \times h = 40 \times 40 \times 45\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
Bảng tổng hợp chi tiết khâu 2
| STT |
Tên chi tiết |
Thông số kích thước |
Phân loại |
| 1 |
Khung khâu 2 |
$L = 350\text{ mm}, D = 100\text{ mm}, d_1 = 20\text{ mm}, d_2 = 12\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
| 2 |
Đai ốc M12 |
$\Phi 12\text{ mm}$ |
Tiêu chuẩn |
| 3 |
Bạc bọc bu lông |
$d_{\text{trong}} = 13.5\text{ mm}, d_{\text{ngoài}} = 23\text{ mm}, L = 88\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
| 4 |
Bu lông M12 |
$L = 120\text{ mm}, \Phi 12\text{ mm}$ |
Tiêu chuẩn |
| 5 |
Ốc vít M4 |
$L = 16\text{ mm}, \Phi 4\text{ mm}$ |
Tiêu chuẩn |
| 6 |
Tấm cố định khâu 2 với khâu 3 |
$L = 108\text{ mm}, d_1 = 90\text{ mm}, d_2 = 60\text{ mm}, D = 5\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
| 7 |
Then |
$L = 6\text{ mm}, R = 2\text{ mm}, T = 3\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
Bảng tổng hợp chi tiết khâu 3
| STT |
Tên chi tiết |
Thông số kích thước |
Phân loại |
| 1 |
Mũi hàn |
$d_1 = 13\text{ mm}, d_2 = 11\text{ mm}, d_3 = 9\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
| 2 |
Ốc vít M4 |
$L = 16\text{ mm}, \Phi 4\text{ mm}$ |
Tiêu chuẩn |
| 3 |
Thanh trượt |
$L = 315\text{ mm}, \Phi 5\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
| 4 |
Thanh nối với mũi hàn |
$L = 238\text{ mm}, \Phi 15\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
| 5 |
Tấm nối trục vít me với mũi hàn |
$L = 88\text{ mm}, b = 55\text{ mm}, d_1 = 8\text{ mm}, d_2 = 5\text{ mm}, d_3 = 3\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
| 6 |
Đầu khung |
$L = 90\text{ mm}, b = 108\text{ mm}, d_1 = 10\text{ mm}, d_2 = 5\text{ mm}, d_3 = 3\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
| 7 |
Động cơ khâu 3 |
$L \times b \times h = 42 \times 42 \times 54.5\text{ mm}$ |
Tiêu chuẩn |
| 8 |
Ốc vít |
$L = 16\text{ mm}, \Phi 2.5\text{ mm}$ |
Tiêu chuẩn |
| 9 |
Đai ốc M12 |
$\Phi 2.5\text{ mm}$ |
Tiêu chuẩn |
| 10 |
Nối trục vít với động cơ |
$L = 25\text{ mm}, \Phi 19\text{ mm}$ |
Tiêu chuẩn |
| 11 |
Bu lông M5 |
$L = 50\text{ mm}, \Phi 5\text{ mm}$ |
Tiêu chuẩn |
| 12 |
Đai ốc M5 |
$\Phi 5\text{ mm}$ |
Tiêu chuẩn |
| 13 |
Vít me |
$L = 20\text{ mm}, d_1 = 8\text{ mm}, d_2 = 35\text{ mm}, d_{\text{lỗ}} = 3\text{ mm}$ |
Tiêu chuẩn |
| 14 |
Trục vít |
$L = 280\text{ mm}, \Phi 8\text{ mm}$ |
Tiêu chuẩn |
| 15 |
Khung khâu 3 |
$L = 310\text{ mm}, B = 108\text{ mm}, d_1 = 6\text{ mm}, d_2 = 4\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
| 16 |
Gối đỡ trục vít |
$L = 70\text{ mm}, b = 48\text{ mm}, d_1 = 32\text{ mm}, d_2 = 8\text{ mm}$ |
Tiêu chuẩn |
| 17 |
Đế khung |
$L = 108\text{ mm}, B = 90\text{ mm}, d_1 = 15\text{ mm}, d_2 = 5\text{ mm}$ |
Phi tiêu chuẩn |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Phân tích lựa chọn cấu trúc Robot
Chương 1 trình bày tổng quan về không gian làm việc của robot (hình trụ, hình cầu, hình hộp chữ nhật) và phương pháp xác định bậc tự do cho cơ cấu 2D và 3D. Tác giả tiến hành phân tích cấu trúc robot RRT gồm 4 khâu (3 khâu động, 1 khâu cố định), 2 khớp quay và 1 khớp tịnh tiến mang mũi hàn/khắc.
Bốn phương án thiết kế được phân tích cụ thể:
- Phương án 1 (Robot SCARA): Cấu trúc RRT, khớp 1 và 2 dùng ổ bi quay ngang, khớp 3 dùng ổ trượt tịnh tiến lên xuống đầu hàn.
- Phương án 2 (Robot tay cực): Khớp 1 quay ngang, khớp 2 quay dọc, khớp 3 tịnh tiến lên xuống.
- Phương án 3 (Robot dạng tay đòn): Khớp 1 quay ngang, khớp 2 quay dọc, khớp 3 tịnh tiến.
- Phương án 4 (Robot đa khớp): Khớp 1 quay ngang, khớp 2 quay dọc, khớp 3 tịnh tiến với không gian làm việc $550 \times 600 \times 700\text{ mm}$.
Tác giả quyết định lựa chọn Phương án 4 do ưu điểm điều khiển các khớp dễ dàng, độc lập, kích thước nhỏ gọn, làm việc chính xác trong không gian tuyến tính nhờ khớp tịnh tiến $d_3$, đáp ứng tiêu chí tiết kiệm kinh tế dù có nhược điểm tải trọng hạn chế và góc bao phủ bị giới hạn so với robot nhiều bậc tự do.
Chương 2: Bài toán động học Robot
Chương 2 giải quyết bài toán động học thuận và ngược. Các hệ tọa độ $O_0, O_1, O_2, O_3$ được gán lên từng khâu theo phương pháp D-H-C.
Bảng tham số Craig được thiết lập như sau:
| Khâu $i$ |
$\alpha_{i-1}$ |
$a_{i-1}$ |
$\theta_i$ |
$d_i$ |
| 1 |
$0^\circ$ |
$0$ |
$q_1$ |
$l_1$ |
| 2 |
$90^\circ$ |
$0$ |
$q_2$ |
$0$ |
| 3 |
$90^\circ$ |
$l_2$ |
$0$ |
$q_3$ |
Từ bảng tham số, tác giả tính toán các ma trận Craig địa phương $^0T_1, ^1T_2, ^2T_3$ và ma trận chuyển đổi thuần nhất toàn cục $^0T_3$:
$$^0T_3 = \begin{bmatrix} c_1 c_2 & -s_1 & c_1 s_2 & l_2 c_1 c_2 + q_3 c_1 s_2 \ s_1 c_2 & c_1 & s_1 s_2 & l_2 s_1 c_2 + q_3 s_1 s_2 \ s_2 & 0 & -c_2 & l_2 s_2 - q_3 c_2 + l_1 \ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}$$
Tọa độ vị trí của điểm thao tác $E$ trong hệ tọa độ cố định $O_0$:
- $x_E = l_2 \cos q_1 \cos q_2 + q_3 \cos q_1 \sin q_2$
- $y_E = l_2 \sin q_1 \cos q_2 + q_3 \sin q_1 \sin q_2$
- $z_E = l_2 \sin q_2 - q_3 \cos q_2 + l_1$
Tác giả thiết lập biểu thức giải tích vận tốc $\dot{r}_E^{(0)}$ và gia tốc $\ddot{r}_E^{(0)}$. Khi chọn quy luật chuyển động khâu $q_1 = 0.8\sin(0.1t)$ và $l_1 = 0.2\text{ m}$, đồ thị quỹ đạo, vận tốc và gia tốc của điểm $E$ được mô phỏng.
Trong bài toán động học ngược, với quỹ đạo chuyển động đặt trước của điểm $E$:
- $x_E(t) = 300 - \frac{3}{20}t$
- $y_E(t) = 100 + 15t + \frac{151}{20000}t^2$
- $z_E(t) = 0$
Tác giả thành lập hệ phương trình vi phân thông qua ma trận Jacobian $J(q)$:
$$\dot{q}(t) = J^{-1}(q) \dot{X}(t)$$
$$\ddot{q}(t) = J^{-1}(q) [\ddot{X}(t) - \dot{J}(q)\dot{q}(t)]$$
Từ đó xuất ra các đồ thị tọa độ suy rộng $q_1, q_2, q_3$, vận tốc suy rộng $\dot{q}_1, \dot{q}_2, \dot{q}_3$ và gia tốc suy rộng $\ddot{q}_1, \ddot{q}_2, \ddot{q}_3$.
Chương 3: Thiết kế Robot 3D
Chương 3 giới thiệu phần mềm SolidWorks (Dassault Systèmes) và các nhóm tính năng dựng hình tham số 3D, xuất bản vẽ 2D, tính năng Tab và Slot trong kết cấu kim loại hàn, SolidWorks PDM/Manage, SolidWorks CAM và SolidWorks Simulation.
Nội dung trọng tâm là bảng thiết kế chi tiết kỹ thuật cho 3 khâu của robot:
- Khâu 1: Hệ thống tấm đỡ, khung cố định, cơ cấu trục, gối đỡ trục $D=22\text{ mm}$, bộ truyền đai (bánh đai lớn $D=50\text{ mm}$, bánh đai nhỏ $D=25\text{ mm}$, then, dây đai $L=160\text{ mm}$) và động cơ $40 \times 40 \times 45\text{ mm}$.
- Khâu 2: Khung liên kết $L=350\text{ mm}, D=100\text{ mm}$, tấm cố định khâu 2 với khâu 3, hệ bu lông/đai ốc M12, then $L=6\text{ mm}$.
- Khâu 3: Khung trượt $L=310\text{ mm}$, bộ truyền vít me - đai ốc ($L=20\text{ mm}, d_1=8\text{ mm}, d_2=35\text{ mm}$), trục vít ($L=280\text{ mm}, \Phi 8\text{ mm}$), thanh trượt dẫn hướng $L=315\text{ mm}$, động cơ dẫn động $42 \times 42 \times 54.5\text{ mm}$, khớp nối mềm và đầu kẹp mũi hàn ($d_1=13, d_2=11, d_3=9\text{ mm}$).
- Xây dựng mô hình lắp ráp 3D hoàn chỉnh, bản vẽ phân rã cụm khâu 1, khâu 2 và bản vẽ 2D tổng thể.
Chương 4: Bài toán động lực học
Chương 4 thiết lập bài toán động lực học cho hệ robot 3 bậc tự do. Tác giả xây dựng bảng tham số động lực học gồm khối lượng các khâu ($m_1, m_2, m_3$), tọa độ khối tâm các khâu $C_1(0, 0, z_1), C_2(0, 0, z_2), C_3(0, 0, z_3)$ và ma trận mô-men quán tính đối xứng qua các trục chính $I_{1C}, I_{2C}, I_{3C}$ với các thành phần quán tính $I_{xx}, I_{yy}, I_{zz}$ (các mô-men quán tính ly tâm $I_{xy} = I_{yz} = I_{zx} = 0$).
Ma trận tọa độ khối tâm và mô-men quán tính của từng khâu trong hệ tọa độ địa phương được xác định làm cơ sở thiết lập phương trình vi phân chuyển động của hệ robot.
Chương 5: Thiết kế hệ thống dẫn động
Chương 5 phân tích và lựa chọn phương án dẫn động cho từng khâu của cánh tay robot:
- Khâu 1: Sử dụng động cơ kết hợp với bộ truyền đai nhằm giảm chấn, bảo đảm khoảng cách tâm trục và tạo chuyển động quay quanh trục $z_0$.
- Khâu 2: Bố trí động cơ dẫn động quay trực tiếp hoặc gián tiếp qua cơ cấu giảm tốc liên kết với khung khâu 2.
- Khâu 3: Sử dụng động cơ bước kết hợp nối trục đàn hồi và bộ truyền trục vít - đai ốc (vít me) cùng thanh trượt dẫn hướng để tạo chuyển động tịnh tiến tịnh tiến chính xác theo phương đứng cho đầu mũi hàn.
Kết quả và đóng góp
Văn bản đồ án đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:
- Xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán động học: Thiết lập thành công ma trận biến đổi thuần nhất $^0T_3$ và hệ phương trình vi tích phân động học thuận, động học ngược thông qua ma trận Jacobian cho robot cấu trúc RRT 3 bậc tự do.
- Xác định chính xác thông số làm việc: Không gian thao tác đạt $550 \times 600 \times 700\text{ mm}$, đáp ứng phạm vi gia công khắc/hàn.
- Hoàn thành thiết kế mô hình 3D và bóc tách cơ khí: Thiết kế chi tiết 3 khâu cơ học với đầy đủ kích thước hình học cho hơn 40 chi tiết tiêu chuẩn (bu lông M4/M5/M10/M12, đai ốc, vít me, gối đỡ) và phi tiêu chuẩn (tấm đáy $D=210\text{ mm}$, khung khâu 2 $L=350\text{ mm}$, khung khâu 3 $L=310\text{ mm}$, tấm đỡ, bánh đai).
- Mô hình hóa động lực học ban đầu: Xác định bảng tham số khối lượng, khối tâm và tensor mô-men quán tính chính của từng khâu phục vụ tính toán tải trọng động cơ.
Đóng góp kỹ thuật của đề tài:
- Kết hợp đồng bộ giữa mô hình giải tích động học D-H-C với quy trình thiết kế CAD tham số trên SolidWorks, tạo tiền đề dữ liệu cho khâu chế tạo và lắp ráp thực nghiệm cơ cấu robot RRT.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài (theo phân tích của tác giả trong văn bản):
- Cơ cấu RRT chỉ có 2 khớp quay nên khả năng bao phủ không gian 3D bị giới hạn, giảm độ linh hoạt khi phải di chuyển trong các không gian làm việc hẹp hoặc phức tạp.
- Khả năng chịu tải trọng của cơ cấu còn hạn chế, không phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp nặng hoặc đòi hỏi lực tác động lớn ở khâu thao tác cuối.
- Thuyết minh dừng lại ở mức tính toán động học, mô hình hóa động lực học và thiết kế CAD 3D; chưa tích hợp mạch điều khiển phần cứng thực tế và cảm biến phản hồi vị trí khép kín (encoder).
Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:
- Tối ưu hóa kết cấu cơ khí để tăng khả năng chịu tải và độ cứng vững cho các khâu.
- Bổ sung khớp xoay hoặc tăng bậc tự do cho khâu chấp hành cuối để mở rộng không gian định hướng của mũi hàn/khắc.
- Hoàn thiện mạch điều khiển vi điều khiển/driver động cơ và thuật toán điều khiển quỹ đạo thực tế.
Giá trị tham khảo
Đồ án môn học này là tài liệu tham khảo cho:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Robot và Tự động hóa: Tham khảo phương pháp lập bảng tham số D-H-C (Craig), cách dẫn giải ma trận biến đổi thuần nhất và lập trình giải bài toán động học ngược bằng ma trận Jacobian.
- Người làm đồ án thiết kế cánh tay robot: Tham khảo danh mục bóc tách kích thước, lựa chọn chi tiết tiêu chuẩn (vít me, gối đỡ, đai ốc, bu lông) và quy trình lắp ráp, phân rã mô hình 3D trên SolidWorks.
Câu hỏi thường gặp
1. Robot trong đồ án sử dụng cấu trúc động học nào và gồm bao nhiêu khâu, khớp?
Robot có cấu trúc RRT, gồm 4 khâu (3 khâu động, 1 khâu giá cố định), trong đó có 2 khớp quay (Revolute) định vị phương hướng, 1 khớp tịnh tiến (Translation) điều chỉnh cao độ làm việc và 1 mũi hàn/khắc gắn ở khâu chấp hành cuối.
2. Kích thước không gian làm việc của robot được xác định là bao nhiêu?
Không gian làm việc của cánh tay robot theo thiết kế là $550 \times 600 \times 700\text{ mm}$.
3. Tác giả áp dụng phương pháp nào để giải bài toán động học thuận và ngược cho robot?
Tác giả áp dụng phương pháp Denavit - Hartenberg cải tiến (D-H Craig / D-H-C) để lập bảng tham số, tính các ma trận biến đổi thuần nhất địa phương và toàn cục cho bài toán thuận; sử dụng ma trận nghịch đảo Jacobian $J^{-1}(q)$ và đạo hàm $\dot{J}(q)$ để giải bài toán động học ngược cho tọa độ, vận tốc và gia tốc suy rộng.
4. Phương trình vị trí của điểm thao tác $E$ trong hệ tọa độ cố định $O_0$ có dạng như thế nào?
Tọa độ điểm $E$ được xác định bởi:
- $x_E = l_2 \cos q_1 \cos q_2 + q_3 \cos q_1 \sin q_2$
- $y_E = l_2 \sin q_1 \cos q_2 + q_3 \sin q_1 \sin q_2$
- $z_E = l_2 \sin q_2 - q_3 \cos q_2 + l_1$
5. Cơ cấu dẫn động và biến đổi chuyển động ở khâu 1 và khâu 3 được thiết kế như thế nào?
Khâu 1 sử dụng động cơ kết hợp bộ truyền đai (bánh đai lớn đường kính $50\text{ mm}$, bánh nhỏ $25\text{ mm}$, dây đai $L=160\text{ mm}$) để truyền động quay cho trục chính; khâu 3 sử dụng động cơ gắn với khớp nối mềm, trục vít ($\Phi 8\text{ mm}, L=280\text{ mm}$), đai ốc vít me ($L=20\text{ mm}$) và thanh trượt dẫn hướng ($\Phi 5\text{ mm}, L=315\text{ mm}$) để tạo chuyển động tịnh tiến cho mũi hàn.
Kết luận
Đồ án môn học "Hệ thống Cơ điện tử" của sinh viên Vũ Đình Đô đã giải quyết bài toán phân tích cấu trúc, tính toán động học thuận - ngược theo phương pháp D-H-C và thiết lập bài toán động lực học cho cánh tay robot khắc chữ/hàn cấu trúc RRT 3 bậc tự do. Tác giả đã hoàn thành thiết kế mô hình 3D tham số chi tiết trên phần mềm SolidWorks với danh mục thông số hình học rõ ràng cho từng khâu, phục vụ không gian làm việc $550 \times 600 \times 700\text{ mm}$. Kết quả của đồ án cung cấp cơ sở lý thuyết giải tích và hồ sơ thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho việc nghiên cứu, chế tạo cơ cấu robot cơ điện tử chuyên dụng.
