Đồ án Tốt nghiệp: Nghiên cứu và Cải tiến Cánh tay Robot 4 Bậc Tự do - Đại học Bách Khoa Hà Nội

Thuyết minh Datan 20202 cung cấp cái nhìn chi tiết về các khía cạnh kỹ thuật, quy trình và kết quả của dự án. Nội dung bao gồm phân tích dữ liệu và ứng dụng

• Tác giả: Nguyễn Văn Tuấn
• Người hướng dẫn: PGS. Trương Hoành Sơn
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy
• Đề tài: Nghiên cứu và cải tiến cánh tay robot 4 bậc tự do
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Nghiên cứu và cải tiến cánh tay robot 4 bậc tự do

Cánh tay robot 4 bậc tự do là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực công nghệ chế tạo máy. Nghiên cứu và cải tiến cánh tay robot này mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn, từ việc nâng cao hiệu quả sản xuất đến cải thiện trải nghiệm người dùng. Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn toàn diện về chủ đề này, từ tổng quan đến các phương pháp cải tiến và kết quả nghiên cứu.

1.1. Tổng quan về cánh tay robot 4 bậc tự do

Cánh tay robot 4 bậc tự do là một hệ thống cơ khí phức tạp, cho phép di chuyển trong không gian 3 chiều với 4 mức độ tự do. Nó bao gồm các khớp nối và các bộ phận cơ khí, cho phép thực hiện các thao tác chính xác và linh hoạt. Cánh tay robot này được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, từ sản xuất đến y tế và nghiên cứu khoa học.

1.2. Thách thức và vấn đề cần giải quyết

Mặc dù cánh tay robot 4 bậc tự do có nhiều lợi ích, nhưng nó cũng gặp phải một số thách thức. Một trong những vấn đề chính là việc cải thiện độ chính xác và độ linh hoạt của cánh tay. Ngoài ra, việc thiết kế và chế tạo các bộ phận cải tiến cũng đòi hỏi kỹ thuật cao và sự chính xác tuyệt đối. Do đó, nghiên cứu và cải tiến cánh tay robot này là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất và ứng dụng thực tế.

1.3. Phương pháp cải tiến cánh tay robot

Để cải tiến cánh tay robot 4 bậc tự do, các nhà nghiên cứu đã áp dụng nhiều phương pháp khác nhau. Một trong những phương pháp chính là tối ưu hóa thiết kế cơ khí. Bằng cách phân tích và tính toán kết cấu cơ khí, các nhà nghiên cứu có thể cải thiện độ bền và độ chính xác của cánh tay robot. Ngoài ra, việc thiết kế quy trình công nghệ chế tạo các bộ phận cải tiến cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình cải tiến.

1.4. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu và cải tiến cánh tay robot 4 bậc tự do đã mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn. Các ứng dụng này bao gồm sản xuất tự động hóa, robot hỗ trợ trong y tế, và thậm chí là trong lĩnh vực nghệ thuật. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự cải tiến đáng kể về độ chính xác, độ linh hoạt, và khả năng thực hiện các nhiệm vụ phức tạp. Cánh tay robot cải tiến này đã được chứng minh là có hiệu quả cao và có thể áp dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

II. Động học và điều khiển cánh tay robot

Động học và điều khiển cánh tay robot là một phần quan trọng trong quá trình nghiên cứu và cải tiến. Bằng cách hiểu rõ về động học của cánh tay robot, các nhà nghiên cứu có thể phát triển các thuật toán điều khiển chính xác và hiệu quả. Trong phần này, chúng ta sẽ khám phá các phương pháp động học và điều khiển cánh tay robot 4 bậc tự do.

2.1. Động học cánh tay robot

Động học cánh tay robot là việc nghiên cứu các chuyển động và vị trí của cánh tay robot. Nó bao gồm việc xác định các phương trình mô tả chuyển động của cánh tay, cũng như tính toán các tham số cần thiết để điều khiển cánh tay. Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã áp dụng quy tắc Denavit-Hartenberg để lập phương trình động học robot công nghiệp.

2.2. Động học ngược và điều khiển

Động học ngược là một phương pháp quan trọng trong điều khiển cánh tay robot. Nó cho phép tính toán các giá trị của biến khớp khi cần di chuyển cánh tay robot đến vị trí và hướng xác định. Bằng cách giải phương trình động học ngược, các nhà nghiên cứu có thể xác định các giá trị khớp cần thiết để điều khiển cánh tay robot một cách chính xác. Động học ngược là cơ sở cho việc điều khiển robot và đảm bảo hiệu suất tối ưu.

2.3. Các phương pháp điều khiển

Để điều khiển cánh tay robot 4 bậc tự do, các nhà nghiên cứu đã áp dụng nhiều phương pháp khác nhau. Một trong những phương pháp phổ biến là sử dụng ma trận mô tả robot, cho phép xác định vị trí và hướng của cánh tay robot. Ngoài ra, các thuật toán điều khiển tiên tiến cũng được sử dụng để đảm bảo sự chính xác và hiệu quả trong điều khiển cánh tay robot. Các phương pháp này cho phép cánh tay robot thực hiện các nhiệm vụ phức tạp một cách chính xác và ổn định.

III. Chế tạo và lắp ráp cánh tay robot

Chế tạo và lắp ráp cánh tay robot là một quá trình phức tạp, đòi hỏi kỹ thuật cao và sự chính xác tuyệt đối. Trong phần này, chúng ta sẽ khám phá các bước chế tạo và lắp ráp cánh tay robot 4 bậc tự do, từ thiết kế chi tiết đến lắp ráp các bộ phận.

3.1. Thiết kế và chế tạo các bộ phận

Thiết kế và chế tạo các bộ phận cánh tay robot là một bước quan trọng trong quá trình cải tiến. Các nhà nghiên cứu đã áp dụng các kỹ thuật chế tạo tiên tiến, bao gồm phay CNC, tiện, và khoan. Bằng cách sử dụng các máy móc chuyên dụng và vật liệu chất lượng cao, các bộ phận cánh tay robot được chế tạo với độ chính xác cao và độ bền tốt. Thiết kế chi tiết và kỹ thuật chế tạo tiên tiến đảm bảo hiệu suất tối ưu của cánh tay robot.

3.2. Lắp ráp cánh tay robot

Lắp ráp cánh tay robot là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự chính xác và kỹ thuật cao. Các nhà nghiên cứu đã áp dụng các kỹ thuật lắp ráp chuyên nghiệp, đảm bảo sự khớp nối chính xác giữa các bộ phận. Bằng cách sử dụng các công cụ và thiết bị chuyên dụng, cánh tay robot được lắp ráp một cách cẩn thận và chính xác. Quá trình lắp ráp này đảm bảo sự vận hành trơn tru và hiệu quả của cánh tay robot.

3.3. Kiểm tra và hiệu chỉnh

Sau khi lắp ráp, cánh tay robot cần được kiểm tra và hiệu chỉnh để đảm bảo hiệu suất tối ưu. Các nhà nghiên cứu đã thực hiện các bài kiểm tra và hiệu chỉnh kỹ lưỡng, bao gồm kiểm tra độ chính xác, độ linh hoạt, và khả năng thực hiện các nhiệm vụ. Bằng cách điều chỉnh các tham số và thiết lập lại cánh tay robot, các nhà nghiên cứu có thể đảm bảo hiệu suất tối ưu và độ tin cậy cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1. Lịch sử hình thành: Thuật ngữ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rosum’s Universal Robot” của Karel Capek. Theo tiếng Czech thì Robot là người làm tạp dịch. Trong tác phẩm này nhân vật Rosum và con trai ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người.

Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực. Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Mỹ đã xuất hiện những tay máy chép hình điều khiển từ xa, trong các phòng thí nghiệm phóng xạ. Năm 1959, Devol và Engelber đã chế tạo Robot công nghiệp đầu tiên tại công ty Unimation. Tiếp theo Mỹ, các nước khác cũng bắt đầu sản xuất Robot Công Nghiệp: Anh – (1967), Thụy Điển – (1968), CHLB Đức – (1971), Pháp – (1972), Ý – (1973),… Năm 1967, Nhật Bản mới nhập chiếc Robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF (American Machine and Foundry Company) của Mỹ.

Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc. Năm 1967, tại trường đại học tổng hợp Stanford, người ta đã tạo ra loại Robot lắp ráp tự động điều khiển bằng vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác. Năm 1976, hãng General Motor đã chế tạo thành công cánh tay robot được sử dụng trên tàu Viking của cơ quan hàng không vũ trụ NASA nhằm lấy mẫu đất trên sao hỏa. Ngày nay, chuyên ngành khoa học nghiên cứu về Robot “Robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động v.

Xu hướng phát triển: Robot đã có những tiến bộ đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua. Robot đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm các công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại. Có thể kể đến một số loại robot được quan tâm nhiều thời gian qua là: Tay máy robot (Robot Manipulators), Robot di động (Mobile Robots), Robot phỏng sinh học 1 (Bio Inspired Robots) và Robot cá nhân (Personal Robots). Robot di động được nghiên cứu nhiều như xe tự hành trên mặt đất AGV (Autonomous Guided Vehicles), Robot tự hành dưới nước AUV (Autonomous Underwater Vehicles), Máy bay không người lái UAV (Unmanned Arial Vehicles).

Ngày nay, ngoài ứng dụng sơ khai ban đầu của robot trong chế tạo máy thì các ứng dụng khác như trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng và gia đình đang có nhu cầu gia tăng là động lực cho các robot địa hình và robot dịch vụ phát triển. Tình hình nghiên cứu phát triển robot ở Việt Nam : 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, liên quan nhiều đến các 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 cho robot. Lĩnh vực điều khiển robot rất phong phú từ các phương pháp điều khiển truyền thống như PID, phương pháp tính momen, 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 dạy học cho robot … 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 tiếng Việt bắt đầu được chú ý cho các loại robot dịch vụ.

Mặc dù có nhiều loại robot đã được Nhà nước hỗ trợ cho nghiên cứu chế tạo qua các đề tài nghiên cứu các cấp suốt 25 năm qua nhưng hầu như các robot đó ít được ứng dụng vào thực tiễn sản xuất. Nhiều nhóm nghiên cứu phát triển robot được hình thành ở các trường đại học, viện nghiên cứu ở 3 miền đất nước nhưng chủ yếu phục vụ cho nghiên cứu và đào tạo. Ứng dụng mạnh mẽ của robot trong sản xuất chỉ có hiệu quả khi dây chuyền sản xuất có nhu cầu tự động hóa hóa cao trong khi đó nền sản xuất của Việt Nam đang ở giai đoạn công nghiệp hóa sử dụng lao động thủ công với giá nhân công rẻ. Mặc dù vậy các nghiên cứu phát triển robot ở Việt Nam vẫn phát triển mạnh đáp ứng nhu cầu đào tạo nguồn nhân lực công nghệ cao đang rất thiếu cho quá trình phát triển của đất nước.

Nội dung nghiên cứu: Với đề tài được giao “Nghiên cứu và cải tiến cánh tay robot 4 bậc tự do” nhóm xác định các vấn đề giải quyết như sau: a) Về Cơ khí: - Thiết kế, tối ưu hoá mô hình cơ khí của cánh tay máy (tính chọn động cơ các khâu, tính toán lại trường công tác, lựa chọn vật liệu phù hợp, sử dụng hộp giảm tốc trục vít tăng momen xoắn cho khâu 2). Từ đó lập QTCN gia công các chi tiết điển hình. - Nâng cao độ chính xác và lực kẹp phôi cho khâu 4 (bàn tay máy) bằng tay kẹp song song giúp cho cánh tay máy có thể kẹp phôi và di chuyển phôi đến vị trí được xác định một cách chính xác. b) Mạch điều khiển: - Mạch điều khiển được thiết kế hoạt động ổn định, hạn chế được tối đa ảnh hưởng của các yếu tố nhiễu.

- Thiết kế giao diện điều khiển trực quan. c) Phương pháp điều khiển: - Xây dựng mô hình toán học cho robot. Từ đó chọn lựa chọn, thiết kế giải thuật điều khiển để đảm bảo cánh tay robot bám quỹ đạo mong muốn và hoạt động ổn định dưới tác động của các yếu tó nhiễu. Phương pháp nghiên cứu đề tài: 1.

Lý thuyết: - Giải quyết các bài toán động học ngược, động học thuận của robot. - Giải quyết các bài toán động lực học tay máy. - Giải quyết bài toán nội suy theo đường thẳng và theo đường cong. - Nghiên cứu thuật toán điều khiển robot.

Thực nghiệm: Ứng dụng những kiến thức chuyên ngành nhóm đã tiếp tục nghiên cứu dựa trên mô hình tay máy sẵn có để khắc phục những lỗi và tối ưu hoá khả năng làm việc của cánh tay robot: - Thiết kế hệ thống đồng thời song song cả phần cơ khí, điện tử, lập trình. - Chế tạo các chi tiết máy phần dựa theo phần tính toán cải tiến tay máy. Phạm vi nghiên cứu đề tài: Đây là đề tài có nhiều ứng dụng trong thực tế, vì vậy sẽ có nhiều phương pháp cũng như là hướng giải quyết và phát triển khác nhau. Nhóm quyết định cải tiến mô hình để tối ưu hoá kết cấu cơ khí, tăng độ chính xác dựa trên quy đạo chuyển động được xác định trước.

3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 2. Một số định nghĩa về robot 2. Định nghĩa về robot công nghiệp (IR – Industrial Robot): + Robot công nghiệp: là một máy tự động linh hoạt có khả năng thay thế từng bộ phận hoặc toàn phần các chức năng cơ bắp, trí tuệ của con người với những khả năng và những mức thích nghi khác nhau. + Robot có mối liên hệ chặt chẽ với móc, công dụng trong một hệ thống tự động tổng hợp cho phép thích ứng nhanh và đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi:  Thủ pháp cầm nắm di chuyển tối ưu.

 Trình độ tay nghề khôn khéo và linh hoạt  Kết cấu tuân theo nguyên tắc modun hoá  Lập trình dễ dàng và độ tin cậy cao 2. Bậc tự do của robot (DOF: Degree Of Freedom): Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến). Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do. Nhìn chung cơ hệ của robot thường là một cơ cấu hở.

Do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức : 𝑤 = 6𝑛 − ∑5𝑖=1 𝑖𝑝𝑖 (2.1) Ở đây: n là số khâu động; pi là số khớp loại i (i = 1,2, ….,5: số bậc tự do bị hạn chế). Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến (khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động. Đối với cơ cấu hở, số bậc tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động. Hệ toạ độ (Coordinate Frame): Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các khớp (joints), tạo thành một chuỗi động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên.

Hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn). Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng. Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo quy tắc bàn tay phải. Hệ tọa độ khớp robot 2.

Trường công tác của robot (Workspace or Range of motion): Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của robot là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp, ví dụ một khớp có thể quay 1 góc nhỏ hơn360°. Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác của một robot (Hình Hình 2. Trường công tác của robot 2.

Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp 2. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp: a) Cấu tạo chung: Một Robot công nghiệp được cấu thành bởi các thành phần sau: + Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay (End Effecr) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng. + Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy.

Thường sử dụng các loại động cơ: điện, thủy lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng. 5 + Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác. Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường.