Đồ án thiết kế hệ thống thiết bị tự động CK-CĐT với đề tài thiết kế robot song song delta

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: NHỮNG KIẾN THỨC CƠ SỞ VỀ ROBOT CƠNG NGHIỆP. 3
1.1

- Lịch sử phát triển robot cơng nghiệp......................................................3

1.2 - Định nghĩa và phân loại...........................................................................4
1.2.1 - Định nghĩa............................................................................................4
1.2.2 - Phân loại robot.....................................................................................6
1.3

- Ứng dụng của robot công nghiệp..........................................................11

1.4 - Giới thiệu dạng robot song song và Robot Delta.................................13
1.4.1 - Robot có cấu trúc song song..............................................................13
1.4.2 - So sánh Robot nối tiếp và robot song song........................................14
1.4.3 - Ứng dụng của robot song song...........................................................17
1.5

- Tổng quan về hệ thống thiết kế của nhóm............................................20

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH
ROBOT DELTA.....................................................................................................24
2.1 - Phân tích cấu trúc...................................................................................24
2.1.1 - Lựa chọn cấu trúc...............................................................................24
2.1.2 - Cơ cấu dẫn động.................................................................................25
2.1.3 - Hệ khớp dẫn động..............................................................................32
2.1.4 - Hệ hình bình hành..............................................................................35
2.1.5 - Giá động cơ........................................................................................36
2.1.6 - Gá cơ cấu chấp hành..........................................................................38
2.1.7 - Bàn tay kẹp.........................................................................................40

2.1.8 - Khung robot........................................................................................41
2.1.9 - Các hệ thống phụ trợ..........................................................................44
2.2

- Mơ hình tổng quan.................................................................................47

2.3 - Thiết kế hệ dẫn động cho robot.............................................................50
2.3.1 - Tính chọn động cơ..............................................................................51
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH CƠ HỌC VÀ MƠ HÌNH TỐN HỌC
CHO ROBOT SONG SONG DELTA..................................................................53
3.1 - Mơ hình động học robot song song Delta khơng gian.........................53
3.1.1 - Mơ hình động học robot song song Delta..........................................54
3.1.2 - Động học thuận Robot........................................................................59


3.1.3
3.2

- Động học ngược Robot......................................................................61

- Động lực học Robot Delta......................................................................65

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN....................................73
4.1

- Cấu trúc hệ thống điều khiển................................................................73

4.2 - Các thành phần chính trong hệ thống điều khiển...............................74
4.2.1 - Kit điều khiển Arduino Nano.............................................................74
4.2.2 - Driver A4988......................................................................................76

4.2.3 - Cảm biến hồng ngoại..........................................................................78
4.3 - Lập trình điều khiển...............................................................................80
4.3.1 - Phần mềm lập trình điều khiển...........................................................82
4.3.2 - Code điều khiển..................................................................................84
LỜI KẾT................................................................................................................85
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................87
PHỤ LỤC 1............................................................................................................88

DANH MỤC HÌNH V


Hình 1.1- Robot 3 bậc tự do [*]................................................................................6
Hình 1.2 - Robot song song [*].................................................................................7
Hình 1.3- Robot hàn chuỗi hở [*]..............................................................................8
Hình 1.4- Cấu tạo động cơ bước(Step Motor) [*].....................................................9
Hình 1.5 - Động cơ khí nén[*]................................................................................10
Hình 1.6 - Bộ truyền dây dai răng và bánh răng [*]................................................11
Hình 1.7- Biểu đồ phân bố robot cơng nghiệp trong các lĩnh vực [*].....................12
Hình 1.8- Hệ thống robot trong nhà máy VinFast [*].............................................13
Hình 1.9- Cấu trúc robot song song.........................................................................14
Hình 1.10- Robot Puma...........................................................................................15
Hình 1.11- Hai robot song song Delta 3RUS và 3PUS...........................................17
Hình 1.12- Cơ cấu song song Gough......................................................................17
Hình 1.13- Robot Delta dùng trong cơng nghiệp thực phẩm..................................18
Hình 1.14- Cơ cấu Robot song song Stewart..........................................................19
Hình 1.15- Sản phẩm của hãng École Nationale d‟E1quitation.............................19
Hình 1.16- Bộ mơ phỏng của Viện KAIST và Motek.............................................20
Hình 1.17- Các thành phần của hệ thống robot Delta.............................................20
Hình 2.1- Robot Delta 2 bậc tự do..........................................................................24
Hình 2.2- Robot Delta 3 bậc tự do..........................................................................24

Hình 2.3- Dẫn động trực tiếp từ động cơ.................................................................26
Hình 2.4- Dẫn động gián tiếp qua hệ bánh răng......................................................26
Hình 2.5- Bản vẽ khớp nối động cơ........................................................................28
Hình 2.6- Bản vẽ thanh truyền................................................................................29
Hình 2.7- Đồ thị phương trình đường cong mỏi......................................................31
Hình 2.8- Hệ khớp dẫn động...................................................................................33
Hình 2.9- Bản vẽ khớp nối cầu................................................................................35
Hình 2.10- Hệ hình bình hành.................................................................................35
Hình 2.11- Ống nhơm làm hệ hình bình hành.........................................................36
Hình 2.12- Giá động cơ...........................................................................................37
Hình 2.13- Bản vẽ động cơ bước.............................................................................37
Hình 2.14- Gá cơ cấu chấp hành.............................................................................38
Hình 2.15- Bản vẽ gá đỡ tay gắp.............................................................................39
Hình 2.16- Bàn tay kẹp............................................................................................40
Hình 2.17- Tay gắp Robot G4 Gripper....................................................................41
Hình 2.18- Bản vẽ tấm gá trên.................................................................................42


Hình 2.19- Bản vẽ nhơm định hình.........................................................................43
Hình 2.20- Nhơm định hình.....................................................................................43
Hình 2.21- Bản vẽ tấm gá dưới...............................................................................44
Hình 2.22- Bản vẽ băng tải......................................................................................46
Hình 2.23- Băng tải mini.........................................................................................46
Hình 2.24- Hình chiếu đứng của mơ hình...............................................................47
Hình 2.25- Hình chiếu khơng gian của mơ hình.....................................................48
Hình 2.26- Bản vẽ tổng...........................................................................................49
Hình 2.27- Động cơ NEMA17................................................................................51
Hình 2.28- Thơng số kích thước động cơ NEMA17...............................................52
Hình 3.1- Robot song song Delta3RUS..................................................................54
Hình 3.2-Mơ hình động học và hệ tọa độ Robot song song Delta3RUS.................55

Hình 3.3- Ký hiệu các tham số tính tốn.................................................................58
Hình 3.4- Hình chiếu lên mặt phẳng OXY..............................................................59
Hình 3.5- Kí hiệu tham số tính tốn........................................................................62
Hình 3.6- Hình chiếu lên mặt phẳng OXZ..............................................................63
Hình 3.7- Kí hiệu tọa độ tính tốn...........................................................................64
Hình 4.1- Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển.........................................................73
Hình 4.2- vi điều khiển Atemega328P....................................................................75
Hình 4.3- vi điều khiển Atemega328P Pinout.........................................................75
Hình 4.4- Driver A4988...........................................................................................76
Hình 4.5- Bảng chế độ hoạt động của A4988..........................................................77
Hình 4.6- Cảm biến hống ngoại..............................................................................78
Hình 4.7- Sơ đồ cấu tạo cảm biến hống ngoại........................................................78
Hình 4.8- Sơ đồ mạch nguyên lí của hệ thống điều khiển.......................................81
Hình 4.9- Sơ đồ thuật tốn điều khiển.....................................................................82
Hình 4.10- Giao diện lập trình trên phần mềm Arduino IDE..................................84


MỞ ĐẦU

Trong cuộc sống ngày nay, Robot mang tới cho cuộc sống con người một cuộc
sống mới, một cách trải nghiệm cuộc sống và đơi khi cịn là người bạn. Những
hãng Robot (RB) từ các nước nổi tiếng trên thế giới từ Đức, Nhật bản, Nga, Mỹ
ngày một khẳng định sự hiện diện của RB là phần không thiếu trong cuộc sống
hiện nay và tương lai của phía trước. Nó xuất hiện ở tất cả các lĩnh vực từ khoa học
vĩ mô cho tới vi mô và ngày một đa dạng.
Trong khuôn khổ môn học Đồ án thiết kế hệ thống CK-CĐT thiết bị tự động
với đề tài thiết kế robot song song Delta, chúng em tin tưởng rằng với những kết
quả có được từ việc tìm hiểu và tính toán trong bài tiểu luận này sẽ là bước đệm
quan trọng cho việc phát triển nhiều hơn nữa những ý tưởng trong tương lai về tính
tốn và thiết kế các loại Robot công nghiệp.

Với bố cục gồm:
1- Tổng quan về Robot
Phần này sẽ là cái nhìn sơ qua về Robot bao gồm lịch sử phát triển, phân loại và
ứng dụng hiện nay giúp chúng ta hình dung tính quan trọng cũng như sự hữu dụng
của nó tới cuộc sống.
2- Xây dựng mơ hình thực tế
Bao gồm các bước tính tốn xây dựng mơ hình cơ học để kiểm chứng tính đúng
đắn của quá trình thiết kế sẽ cung cấp các q trình cơ bản để có thể xác định cách
có thể một sản phẩm Robot được đưa vào ứng dụng trong cuộc sống.
3- Giải quyết bài toán động học và động lực học ngược
Bao gồm nêu lên yêu cầu và ý nghĩa của bài tốn ngược, qua đó đề xuất phương
pháp giải và các bước thực hiện
4- Xây dựng mô hình điều khiển thực tế cho robot song song Delta
1


Từ các tính tốn ở chương 2 và chương 3, nhóm sẽ đề xuất mơ hình thiết kế hệ
thống điều khiển cho robot song song Delta bằng một số phần mềm đồ họa mô
phỏng.
Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy Nguyễn Văn A, cảm ơn thầy vì những đóng góp
qua những bài giảng và những hướng dẫn trong quá trình trao đổi ở các buổi gặp
mặt. Những góp ý, sửa chữa của thầy sẽ phần nào giúp em tự tin hơn trong cách
thức tiếp cận với nền công nghiệp hiện nay bởi mặc dù đã có những sự chuẩn bị
của em hoặc cũng có thể kiến thức em mang đến trong bài báo cáo này con sai sót
và chưa đúng. Em rất mong có được sự bổ sung, sửa chữa đó.
Em chân thành cảm ơn và chúc thầy sức khoẻ!

2

CHƯƠNG 1:

NHỮNG KIẾN THỨC CƠ SỞ VỀ ROBOT CÔNG
NGHIỆP

TỔNG QUAN VÀ GIỚI THIỆU VỀ ROBOT SONG SONG

1.1 - Lịch sử phát triển robot công nghiệp
Ngay sau chiến tranh thế giới thứ 2, ở Hoa Kì đã xuất hiện những tay máy chấp
hành điều khiển từ xa trong các phịng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ. Vào những
năm 50 của thế kỉ 20, bên cạnh những tay máy chấp hành cơ khí đó, đã xuất hiện
các tay máy chấp hành thủy lực và điện tử.
Năm 1961, chiếc robot công nghiệp đầu tiên được đưa vào sử dụng ở nhà máy
Genaral Motor tại Trenton, New Jersey, Hoa Kì. Năm 1967, Nhật Bản mới nhập
khẩu chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ cơng ty AMF của Hoa Kì. Đến năm 1990,
có hơn 40 công ty Nhật Bản đưa ra thị trường nhiều loại robot nổi tiếng.
Từ những năm 70, việc nghiên cứu và 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. Một lĩnh vực nhiều phịng thí nghiệm quan tâm là robot tự hành. Các nghiên
cứu robot tự hành bắt chước hoạt động chân người, chân động vật. Các loại robot
này chưa có ứng dụng nhiều trong công nghiệp, tuy nhiên các loại xe robot
(robotcar) lại nhanh chóng được đưa vào ứng dụng trong các hệ thống sản xuất linh
hoạt.
Từ những năm 80, nhất là những năm 90, do áp dụng rộng rãi các ứng dụng kĩ
thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng,
giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ vậy robot
cơng nghiệp đã có chỗ đứng trong các dây chuyền sản xuất tự động.

3

1.2 - Định nghĩa và phân loại
1.2.1- Định nghĩa
Có nhiều định nghĩa robot cùng tồn tại, chúng ta hãy cùng tham khảo một số
định nghĩa như sau:
Định nghĩa theo từ điển New World College
“Robot là một kết cấu cơ khí có hình dạng bất kì, được xây dựng để thực hiện
những công việc bằng tay của con người”.
Các định nghĩa sau này bao gồm các cánh tay cơ khí, các máy móc điều khiển số,
các máy móc di chuyển theo kiểu bước đi và mơ phỏng hình dáng con người. Các
robot công nghiệp ngày này chỉ thực hiện một phần công việc của con người.
Các robot ban đầu thường được gọi là các tay máy (Manipulator).
Định nghĩa theo hiệp hội robot cơng nghiệp Nhật Bản
Định nghĩa này mang tính khái quát nhất của tất cả các định nghĩa được sử dụng.
Nó bao gồm tất cá các thiết bị tay máy và có thể xem khi định nghĩa một robot sau
này.
“Robot là một máy, cơ cấu thường gồm một số bộ phận phân đoạn được nối với
phân đoạn khác bằng khớp quay hay khớp trượt nhằm mục đích để gắp hay di
chuyển các đối tượng, thường có một số bậc tự do. Nó có thể điều khiển bởi một
nguồn kích hoạt, một hệ thống điện tử có thể lập trình được hay một hệ thống logic
nào đó”.
Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp)
“Robot là một cơ cấu chuyển đội tự động có thể chương trình hóa, lặp lại các
chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên sườn các trục tọa độ, có khả
4


năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất (chi tiết, dụng cụ gá
lắp.v.v.) theo những hành trình thay đổi đã chương trình hóa nhằm thực hiện các
nhiệm vụ công nghệ khác nhau.”

Định nghĩa theo hiệp hội robot cơng nghiệp Hoa Kì
“Robot là một tay máy có nhiều chức năng có thể lập trình, được thiết kế để di
chuyển vật liệu, các phần tử, linh kiện, các dụng cụ và thiết bị đặc biệt thông qua
việc thay đổi các chương trình hoạt động đã được lập để thực hiện các nhiệm vụ
khác nhau.”
Định nghĩa theo hiệp hội robot Anh
“Robot cơng nghiệp là một thiết bị có thể được lập trình lại, được thiết kế để
thực hiện hai nhiệm vụ cầm nắm và vận chuyển các phần tử, linh kiện, các dụng cụ
hoặc các công cụ chế tạo đặc biệt thơng qua việc thay đổi các chương trình hoạt
động đã được thiết lập để thực hiện các tác vụ gia công khác nhau.”
Định nghĩa GOST (Nga)
“Robot là một máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển
chương trình hóa, thực hiện một chu trình cơng nghệ một cách chủ động với sự
điều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự con người.”
Như vậy, qua các định nghĩa trên, ta có thể hiểu đơn giản robot công nghiệp là
một loại thiết bị được thiết kế và chế tạo để phục vụ một số hoạt động trong q
trình sản xuất, thơng qua các chương trình được thiết lập sẵn, và có thể thay đổi tùy
vào mục đích sử dụng.

5


1.2.2- Phân loại robot
Việc phân nhóm, phân loại robot có thể dựa trên những yếu tố kĩ thuật khác nhau.
Dưới đây là một số cách phân loại chủ yếu:
a- Phân loại theo số bậc tự do
Định nghĩa
Bậc tự do của cơ cấu là số thông số độc lập cần cho trước để xác định hồn tồn
vị trí của các khâu trong cơ cấu khi cơ cấu hoạt động. Điều đó có nghĩa mỗi thơng
số độc lập sẽ là một quy luật cho trước để xác định quy luật chuyển động của cơ

cấu. Khâu có quy luật chuyển động cho trước được gọi là khâu dẫn, khâu dẫn được
nối với giá bằng một khớp loại 5 vì khớp loại 5 chỉ có một thơng số xác định.

Hình 1.1- Robot 3 bậc tự do [*]
Trong H1.1 là mơ hình robot 3 bậc tự do gồm 1 bậc tự do tịnh tiến và 2 bậc tự
do quay.
Cơng thức tính số bậc tự do của cơ cấu
Đối với robot là dạng chuỗi động hở như robot sacra đang xét thì số bậc tự do có
thể tính theo cơng thức sau:

6


W= 6n –

(2.1)

Trong đó: n là số khâu động
là số khớp loại i (i=1,2,..,5: số bậc tự do bị hạn chế)
Áp dụng vào robot scara: Có 4 khâu động, 3 khớp quay loại 5 và 1 khớp trượt
loại 5.
W= 6*4 – (4*5) = 4 (bậc tự do)
Một robot sẽ linh hoạt hơn khi di chuyển và hoạt động trong một không gian bị hạn
chế. Mặt khác, trong một số ứng dụng đặc biệt như trong việc lắp ráp trong một
mặt phẳng thì chỉ cần bốn bậc tự do.
Phân loại theo cấu trúc động học
Một robot được gọi là robot tuần tự hay robot chuỗi hở nếu cấu trúc động học
của chúng có dạng một chuỗi động học hở, gọi là robot song song nếu cấu trúc
động học của chúng có dạng một chuỗi đóng và gọi là robot hỗn hợp nếu nó bao
gồm hai loại chuỗi hở và chuỗi đóng.

Hình 1.2 - Robot song song [*]

7


Nhìn nhận một cách tổng quát thì robot song song có nhiều ưu điểm vì chúng có
độ cứng vững cao hơn, khả năng tải cao hơn, nhưng không gian làm việc nhỏ hơn
và cấu trúc phức tạp hơn. Tuy nhiên trong các đơn vị cơng nghiệp lắp ráp, hàn xì,
đúc,.v.v. thường sử dụng các robot chuỗi động hở vì khả năng vận hành linh hoạt
và thiết kế đơn giản.

Hình 1.3- Robot hàn chuỗi hở [*]
Như trong hình mơ tả về robot hàn chuỗi hở, nó có thể tùy ý thao tác các hoạt
động trong một không gian làm việc rộng và điều chỉnh được hướng và vị trí của
mũi hàn.
c- Phân loại theo nguồn động lực sử dụng
Nguồn năng lượng điện (động cơ điện)
Thường sử dụng các động cơ điện một chiều, các động cơ bước (H1.4) hay động
cơ Servo.
Các loại động cơ này có đặc điểm là hoạt động chính xác, tin cậy, đạt cơng suất cao
và có tính tuyến tính cao dễ điều khiển. Hệ này cũng đảm bảo kết cấu gọn, truyền
dẫn năng lượng trực tiếp. Ngoài ra nó cịn đảm bảo an tồn vệ sinh mơi trường.

8


Hình 1.4- Cấu tạo động cơ bước(Step Motor) [*]

Nhằm nâng cao chất lượng là hiệu quả sử dụng đối với hệ này cần tuân theo những

nguyên tắc cơ bản sau:
- Sử dụng các công nghệ mới, các loại vật liệu mới ít chịu ảnh hưởng bở từ trường
Trái Đất.
- Tiếp tục nâng cao công suất và hiệu suất công tác.
- Xử lý tốt các cụm ghép nối trong mạch nguồn, mạch điều khiển và hiệu chỉnh
nâng cao hơn nữa độ tin cậy.
Nguồn năng lượng thủy, khí (động cơ thủy lực, khí nén)
Động cơ thủy lực có thể đạt đến cơng suất cao, đáp ứng những yêu cầu làm việc
nặng. Tuy nhiên, hệ thống thủy lực thường cồng kềnh, yêu cầu dòng dầu, chất
lượng dầu cao, hơn nữa vận tốc phải có độ phi tuyến lớn, khó đảm bảo độ chính
xác cao khi điều khiển.

9


Hình 1.5 - Động cơ khí nén[*]

Hệ khí nén làm việc với cơng suất trung bình và nhỏ có kết cấu đơn giản. Đòi hỏi
phải gắn liền với trung tâm khí nén, kém chính xác. Thích hợp cho các loại robot
hoạt động theo chương trình định sẵn với các thao tác đơn giản kiểu nâng lên hạ
xuống.
d- Phân loại theo hệ thống truyền động
Hệ truyền động gián tiếp
Các cơ cấu chấp hành được nối với nguồn động lực thông qua các bộ truyền động
cơ khí thường gặp như hệ bánh răng thường, hệ bánh răng hành tinh, hệ bánh răng
song, dây đai răng (H1.6)bộ truyền xích haylà bộ truyền vít me đai ốc bi.v.v.
Nhược điểm của hệ này là tạo mòn khe hở động học dẫn đến phi tuyến và hiệu ứng
trễ ngày càng cao hơn. Mặt khác hiệu suất sẽ giảm do tiêu hao công suất trên bộ
truyền.

10


Hình 1.6 - Bộ truyền dây dai răng và bánh răng [*]
Do quá trình hoạt động với cường độ làm việc liên tục và ảnh hưởng của lực ma
sát gây nên những hư hỏng liên quan đến bộ truyền trung gian như mẻ răng, mòn
răng, dãn đai,.v.v. làm ảnh hưởng tới hiệu suất và chất lượng hoạt động của các
robot công nghiệp.
Hệ truyền động trực tiếp
Các cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp với nguồn động lực, do đó kết cấu sẽ
gọn nhẹ và hạn chế, loại bỏ được những nhược điểm khi truyền động gián tiếp.
Mặt khác khó khăn đặt ra là phải thiết kế chế tạo các động cơ có số vịng quay
thích hợp cho phép điều khiển vô cấp trên một dải rộng.

1.3 - Ứng dụng của robot công nghiệp
Đơn vị: 1000 chiếc

11


Hình 1.7- Biểu đồ phân bố robot cơng nghiệp trong các lĩnh vực [*]
Qua biểu đồ số liệu trên, ta nhận thấy robot công nghiệp được sử dụng nhiều
nhất trong ngành công nghiệp ô tô 98 000 chiếc (2015) và tăng lên 126 000 chiếc
(2017), ngoài ra ngành điện, điện tử cũng là ngành sử dụng nhiều robot công
nghiệp với mức tăng 33% từ 65 000 (2015) lên 121 000 (2017).
Mục tiêu ứng dụng của robot cơng nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây
chuyền công nghệ, giảm giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng và khả năng
cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Điều đó xuất phát
từ những ưu điểm cơ bản của robot:
- Robot cơng nghiệp có thể thực hiện được một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc

hơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc. Vì thế
robot cơng nghiệp góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản
phẩm. Hơn thế robot có thể nhanh chóng thay đổi cơng việc để thích nghi với sự
thay đổi về mẫu mã và kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh.
- Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dung robot là giảm được đáng kể chi
phí cho người lao động.

12


- Việc áp dụng robot làm tăng năng suất dây chuyền cơng nghệ. Sở dĩ như vậy vì
nếu tăng nhịp độ khẩn trương của dây chuyền sản xuất, nếu không thay thế con
người bằng robot thì người thợ sẽ khơng đuổi kịp hoặc nhanh chóng mệt mỏi.

Hình 1.8- Hệ thống robot trong nhà máy VinFast [*]

- Robot có thể cải thiện được điều kiện lao động. Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà
chúng ta cần lưu tâm. Vì trong thực tế có rất nhiều nơi người lao động phải làm
việc có mơi trường có hại cho sức khỏe hoặc dễ xảy ra tai nạn lao động.

1.4 - Giới thiệu dạng robot song song và Robot Delta
1.4.1- Robot có cấu trúc song song
Do được ứng dụng rộng rãi nên robot được phát triển rất đa dạng và phong phú.
Khái niệm robot có cấu trúc song song được Gough và Whitehall đưa ra vào năm
1962 [43] và sự chú ý ứng dụng của nó được khởi động bởi Stewart vào năm 1965.
Ơng là người cho ra đời một phịng tập lái máy bay dựa trên cơ cấu song song.
Ngày nay, robot song song đã có những sự phát triển vượt bậc và có khả năng đạt
được 6 bậc tự do.
13

Robot có cấu trúc song song thường gồm có bàn máy động được nối với giá cố
định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là chân. Thường số chân
bằng số bậc tự do, được điều khiển bởi nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc
ngay trên chân. Do đó, robot song song đơi khi được gọi là robot có bệ.

Hình 1.9- Cấu trúc robot song song
1.4.2- So sánh Robot nối tiếp và robot song song
Thiết kế robot truyền thống dựa trên chuỗi nối tiếp các khâu cứng được liên kết bởi
các khớp quay hoặc khớp trượt. Một đầu của chuỗi này là cố định được gọi là bệ
hoặc đế cố định, và đầu kia của chuỗi được trang bị một bàn kẹp được gọi là khâu
thao tác. Loại robotchuỗi này, được mô phỏng theo cánh tay của con người, có lợi
thế là khơng gian làm việc lớn nhưng khả năng chịu tải tương đối kém. Các cấu
trúc chuỗi như vậy có xu hướng lớn và đắt tiền do yêu cầu về độ cứng liên kết và
truyền tải lực giữa các khâu. Chúng có thể được phân loại thêm như các thao tác
không gian và phẳng. Robot Puma là loại thao tác khơng gian điển hình (Hình
1.10). Do cấu trúc nối tiếp, tải trọng của loại tay máy này bị giới hạn bởi mô men
xoắn dẫn động của các động cơ trong chuỗi động. Các động cơ và các khâu của các
khớp kế tiếp trở thành tải trọng của các khớp trước đó. Như vậy, tải trọng của các
tay máy có thể chịu được là thấp và ảnh hưởng của quán tính rất lớn. Kết quả là,
tốc độ và khả năng tăng tốc của khâu thao tác có thể đạt được là tương đối thấp.
Khi ta nhìn vào các thông số kỹ thuật của một số robot chuỗi sẽ thấy rằng nó rất
14


lớn và nặng nhưng chỉ có khả năng gắp những vật nhẹ. Hơn nữa, các sai số về
truyền động được tích lũy từng khâu và cộng dồn đến khâu thao tác.

Hình 1.10- Robot Puma

Robot song song có độ cứng vững cao và khả năng chịu tải từ các thiết bịtruyền
động hoạt động song song để hỗ trợ tải. Độ chính xác vị trí của robot song song
cao vì các sai số được bù trung bình từ sai số của từng chân do cấu trúc song song
mà khơng bị tích lũy như robot chuỗi. Trong khi các chuỗi động học tạo ra các ràng
buộc và giới hạn về không gian làm việc, các thiết kế điển hình có đặc tính qn
tính thấp. Các lĩnh vực ứng dụng robot song song bao gồm: Máy CNC, máy chính
xác cao, máy móc tự động hóa trong bán dẫn và cơng nghiệp lắp ráp điện tử tốc độ
và gia tốc cao. Để so sánh giữa robot chuỗi với robot song ta có bảng sau:

15


STT

Tính năng

Robot nối tiếp

Robot song song

1

Độ chính xác

Thấp hơn

Cao hơn

2

Khơng gian làm việc

Lớn hơn

Nhỏ hơn

3

Độ cứng vững

Thấp hơn

Cao hơn

4

Tỉ số tải/khối lượng

Thấp hơn

Cao hơn

5

Tải trọng quán tính

Lớn hơn

Nhỏ hơn

6

Tốc độ làm việc

Thấp hơn

Cao hơn

7

Độ phức tạp thiết kế/điều khiển

Đơn giản

Phức tạp

8

Mật độ điểm suy biến (kỳ dị)

Ít hơn

Nhiều hơn

Loại robot song song được nghiên cứu nhiều nhất là bệ Stewart và các biến
thểcủa nó. Dạng đơn giản nhất của bệ Stewart là một bát giác với hình tam giác
trên đỉnh và bệ bên dưới được kết nối bởi sáu chân. Sự sắp xếp này tạo cho bệ ổn
định với sáu bậc tự do. Bệ Stewart hiện nay thường được sử dụng cho các chuyến
bay giả lập và ghế ngồi giải trí, những nơi có u cầu gia tốc được kiểm sốt
nhưng có tải trọng lớn và khơng gian thao tác nhỏ. Điều này rất khó thực hiện với

robot chuỗi 6 bậc tự do (DOF), chỉ cần tưởng tượng là thiết bị truyền động cơ sở
lớn đến mức nào để có thể đỡ các thiết bị truyền động khác, các liên kết trong
chuỗi và tải trọng. Loại bệ đầu tiên được sử dụng bởi Gough năm 1949 để thử
nghiệm lốp xe và sau đó Stewart ứng dụng trong mơ hình bay giả lập. Kể từ đó,
nhiều biến thể đã được đề xuất bởi các tác giả khác nhau và chúng được gọi là
“Stewart Platforms”.

16


Hai robot song song Delta 3RUS và 3PUS

Hình 1.11- Hai robot song song Delta 3RUS và 3PUS

1.4.3- Ứng dụng của robot song song
a- Ứng dụng trong công nghiệp

17


Hình 1.12- Cơ cấu song song Gough

Vào năm 1949, Eric Gough đã đưa ra nguyên lý cơ bản và phát triển thiết bị tên
là: “Universal Tyre-Testing machine” (hay còn gọi là Universal Rig) dùng để kiểm
tra lốp xe cho hãng Dunlop (Hình 1.12). Thiết bị này chính thức đi vào vận hành
năm 1955. Tấm dịch chuyển của thiết bị này có hình lục giác, mỗi góc nối với các
khâu dẫn động tịnh tiến bằng các khớp cầu. Đầu còn lại của các khâu tác động
được nối với bệ bằng các khớp Cardan. Các khâu có chiều dài thay đổi do cơ cấu
dẫn động tịnh tiến. Thiết bị này vẫn sử dụng đến năm 2000. Hiện nay, thiết bị này
đang được trưng bày tại viện bảo tàng khoa học Anh.

18


Hình 1.13- Robot Delta dùng trong cơng nghiệp thực phẩm

Một loại robot khác được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp là robot Delta
(H1.13). Robot song song Delta được sáng chế bởi Reymond Clavel vào đầu thập
niên 1980 với ý tưởng là dùng các hình bình hành để chế tạo robot song song có 3
bậc tự do chuyển động tịnh tiến và một bậc chuyển động quay. Robot Delta đã
nhận được 36 bằng phát minh, trong đó có những bằng sáng chế quan trọng như
của WIPO (WO 87/03528 cấp này 18/06/1987), bằng sáng chế Hoa Kỳ (US 4, 976,
582 cấp ngày 11/12/1990) và bằng sáng chế châu Âu (EP 0 250 470 cấp ngày
17/07/1991). Robot Delta được dùng trong dây chuyền đóng gói thực phẩm, làm
thiết bị nâng gắp…
b- Ứng dụng trong mô phỏng
Vào năm 1965, Stewart đã đề xuất sử dụng cơ cấu song song để làm thiết bị mơ
phỏng bay (Hình 1.14). Hãng École Nationale d‟E1quitation (Pháp) đã phát triển
một thiết bị được đặt tên là Persival dùng để huấn luyện các nài ngựa (Hình 1.15).
Sản phẩm này đã được thương mại hóa.
19


Hình 1.14- Cơ cấu Robot song song Stewart

Hình 1.15- Sản phẩm của hãng École Nationale d‟E1quitation

Viện KAIST (Hàn Quốc) đã phát triển thiết bị mơ phỏng xe đạp (Hình 1.16).
Motek đã chế tạo Caren dùng để huấn luyện thể thao và phục hồi chức năng cho
người bệnh và khuyết tật.

20


Hình 1.16- Bộ mơ phỏng của Viện KAIST và Motek
1.5 - Tổng quan về hệ thống thiết kế của nhóm

Hình 1.17- Các thành phần của hệ thống robot Delta
Hệ thống robot Delta được xây dựng từ các thành phần chính như: các khâu
robot, hệ thống dẫn động, dụng cụ thao tác……Mối liên hệ giữa các thành phần
của robot được thể hiện như hình 1.17. Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối
của robot, dụng cụ thao tác của robot ở đây ta dùng dạng tay kẹp được sử dụng để
kẹp nhả vật thể trên băng tải hoặc ở các khu vực khác do người điều khiển quy
21