BÁO cáo CHUYÊN đề đề tài THIẾT kế hệ THỐNG điều KHIỂN CHO ROBOT CÔNG NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO
ROBOT CÔNG NGHIỆP

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ
ĐỘNG HỐ
CHUN NGÀNH: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN
HỌC PHẦN: ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ CNC

Giảng viên hướng dẫn:
sinh viên thực hiện:
Mã sinh viên:
Lớp:

TRỊNH THỊ KHÁNH LY
ĐÀO DUY TRƯỜNG
18810000030
CLC-D13CNKTDK

HÀ NỘI, 10/2021



Mục lục


DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU


ĐỀ BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ

I. Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế hệ thống điều khiển cho robot công nghiệp
II. Số liệu cho trước:
•
•
•
•
•

Khâu 1:
Khâu 2:
Các góc quay , , (độ)
Khoảng trượt
Chiều dài cần cố định

Hình 1: Scara 4 bậc tự do
III. Nội dung
Giải bài toán động học thuận, động học ngược Robot công nghiệp
Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot
- Yêu cầu: thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp
- Quỹ đạo là đa thức bậc 3
3 Tìm hiểu cấu trúc phần cứng, hệ thống điều khiển máy CNC
1
2

LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển khoa học và kỹ thuật, nghành điều khiển học và tự động hóa
đã có những bước tiến quan trọng. Q trình đó góp phần không nhỏ vào việc tăng
năng suất lao động, giảm giá thành, tăng chát lượng và độ đồng đều về chất lượng,
đồng thời tạo điều kiện cải thiện môi trường làm việc của con người, đặc biệt trong
một số công việc có độ an tồn lao động thấp hoặc có tính độc hại cao. Ngày nay, các
khái niệm “Dây chuyền sản xuất tự động” hay “Robot” – “Người máy” - “Tay máy”
đã trở nên quen thuộc đối với mọi người. Thế nhưng cách đây không lâu, trong những
thập niên đầu thế kỷ 20 những khái niệm ấy chỉ mới là những ý tưởng sơ khai trong trí
tưởng tượng phong phú của con người.
Năm 1920 thuật ngữ “Robot” xuất hiện trong tác phẩm khoa học viễn tưởng của
nhà soạn kapek. Hiện nay ở nhiều nước robot phát triển hệ thống không chỉ theo
hướng phục vụ sản xuất cơng nghiệp mà cịn theo hướng phục vụ trong sinh hoạt và
giải trí trong gia đình. Khi thiết kế các loại robot này, các nhà thiết kế thêm các cảm
biến cảm nhận, các giải thuật điều khiển thích nghi và fuzzy logic với mục đích để
robot thực hiện được nhiều nhiệm vụ đa dạng và khác nhau.
Với mong muốn tìm hiểu và thiết kế một hệ thống robot công nghiệp cơ bản. Nên
dựa trên đề tài “THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT CƠNG
NGHIỆP” em sẽ giải bài tốn động học thuận, động học ngược cho robot công
nghiệp, thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot, tìm hiểu cấu trúc phần cứng, hệ
thống điều khiển máy CNC.
Tuy nhiên vì thời gian có hạn và kiến thức chun mơn cịn hạn chế nên trong q
trình thực hiện báo cáo khơng thể tránh những thiếu sót nhất định. Vì vậy, em rất
mong sự trợ giúp đỡ, ý kiến của thầy, cô và tất cả các bạn để báo cáo này được hoàn
thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà nội, Ngày …tháng 10 năm 2021
Sinh viên thực hiện
Trường

Đào duy trường


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ HỆ

THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC

1.1. Sơ lược phát triển của robot công nghiệp
Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là cơng việc
tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921.
Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần
giống với con người để phục vụ con người. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà
sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con
người.
Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company)
quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp”
(Industrial Robot). Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công
nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được
điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất.
Về mặt kỹ thuật, những robot cơng nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực
kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy
công cụ điều khiển số (NC-Numerically Controlled machine tool).
Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trong
chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ. Người thao tác
được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát
để có thể nhìn thấy được cơng việc bên trong. Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế
cho cánh tay của người thao tác; nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay
cầm ở bên ngoài (chủ). Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu
sáu bậc tự do để tạo ra vị trí và hướng tùy ý của tay cầm và bộ kẹp. Cơ cấu dùng để
điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm.

Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu
cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay. Những robot đầu tiên thực chất
là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình
của máy công cụ điều khiển số.
Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của người máy
công nghiệp. Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot
Versatran của công ty AMF, Mỹ. Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại
robot Unimate- 1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ oto.
Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh-1967, Thụy
Điển và Nhật-1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức- 1971; Pháp-1972; ở Ý1973…


Tính năng làm việc của robot ngày càng nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử
lý, Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt
động theo mơ hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí
kẹp nhờ các cảm biến. Năm 1974 Cơng ty Mỹ Cincinati đưa ra loại robot được điều
khiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool: Cơng cụ của tương lại).
Robot này có thể nâng được vật có khối lượng đến 40KG.
Có thể nói, robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều
khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo
phương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, cơng nghệ lập trình và các
phát triển của trí khơn nhân tạo, hệ chun gia…
Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không
ngừng phát triển. Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận
biết môi trường chung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin họcĐiện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đặc biệt, số lượng robot ngày
càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, robot cơng nghiệp đã có vị trí quan
trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.

1.2. Hệ tọa độ của robot công nghiệp (Coordinate frames):
Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua khớp (joints),

tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên. Hệ tọa độ
gắn với khâu cơ bản gọi là hệ tọa độ cơ bản (hay hệ tọa độ chuẩn). Các hệ tọa độ trung
gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ tọa độ suy rộng. Trong từng thời điểm hoạt
động, các tọa độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài hoặc
các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay (hình 1.1). Các tọa độ suy
rộng còn được gọi là biến khớp.

Hình 1.1: Các hệ toại độ suy rộng của robot
- Cấu trúc cơ bản của robot cơng nghiệp:
Các thành phần chính trong robot cơng nghiệp:


Một robot công nghiệp thường bao gồm các thành phần chính như: cánh tay robot,
nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điều khiển,
thiết bị dạy học, máy tính… các phần mềm lập trình cũng nên được coi là một thành
phần của hệ thống robot. Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot như hình 1.2.

Hình 1.2:Các thành phần chính của hệ thống robot.

1.3. Hệ thống điều khiển máy CNC
1.3.1. Cấu trúc phần cứng, hệ thống điều khiển máy CNC
(a)

Lịch sử phát triển.

Máy cơng cụ là loại máy cơ khí gia cơng khn hoặc linh kiện để cấu tạo nên các
máy móc khác, vì vậy có người cịn gọi máy cơng cụ là máy mẹ. có những máy cơng
cụ như máy tiện, máy phay, máy cắt răng, máy khoan lỗ, máy tiện doa lỗ, máy cắt,
máy bào… chiếc máy công cụ cnc đầu tiên được phát minh bởi phịng thí nghiệm MIT
servormechanism vào năm 1952, sau đó thì cùng với sự phát triển của khoa học công

nghệ, những chiếc máy công cụ cũng được phát triển lên rất nhiều cả về mặt cơ khí,
cũng như bộ điều khiển để phù hợp với yêu cầu công nghệ cũng như kinh tế. sự xuất
hiện của máy công cụ, mà đặc biệt là máy cnc đã nhanh chóng làm thay đổi nền sản
xuất cơng nghiệp với một tốc độ chóng mặt, với khả năng tăng năng xuất và chất
lượng đáng kinh ngạc. đây là bước ngoặt lớn trong nền công nghiệp nặng của cả thế
giới, giúp tiết kiệm một lượng lớn nhân lực trong quá trình gia cơng, tự động hố các
dây chuyền sản xuất.


Hình 1.3:Máy cnc
Để có được sự phát triển nhanh chóng của máy công cụ như vậy, cùng với khả năng
phát triển về mặt cơ khí, thì việc phát triển bộ điều khiển cho máy công cụ là đặc biệt
quan trọng vì nó quyết định trực tiếp đến khả năng gia công của máy. Bộ điều khiển
được sử dụng trong máy công cụ, cụ thể là máy CNC là bộ điều khiển số (Numerical
Control). Điều khiển số ra đời với mục đích điều khiển các q trình cơng nghệ gia
cơng cắt gọt trên các máy công cụ. Về thực chất, đây là một quá trình tự động điều
khiển các hoạt động của máy (như các máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyển
phôi liệu hoặc chi tiết gia công, các kho quản lý phôi và sản phẩm…) trên cơ sở các
dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập phân,
các chữ cái và một số ký tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của thiết bị hay
hệ thống.
Ban đầu, các máy công cụ được điểu khiển trực tiếp bằng tay. Khi đó, bộ điều khiển
của các máy cơng cụ rất đơn giản, hầu như là chưa có gì. Ở thời kỳ tiếp theo các máy
cơng cụ gia cơng chép hình ra đời, các q trình gia cơng cắt gọt được điều khiển theo
chương trình bằng các kỹ thuật chép hình theo mẫu, chép hình bằng các hệ thống thủy
lực, cam hoặc điều khiển bằng mạch logic… Ngày nay, với việc ứng dụng các thành
quả tiến bộ của Khoa học – Công nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển số và tin học,
đã cho phép các nhà chế tạo máy nghiên cứu đưa vào máy công cụ các hệ thống điều
khiển cho phép thực hiện các quá trình gia cơng một cách linh hoạt hơn, thích ứng với
nền sản xuất hiện đại và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn. Đặc biệt trong các hệ

thống CNC các bộ điều khiển cịn được tích hợp thêm với máy tính cơng nghiệp giúp
q trình mơ phỏng, vận hành, cũng như theo dõi hệ thống CNC trở nên dễ dàng, thân
thiện với người dùng.
(b)

Cấu trúc phần cứng.

Các bộ điều khiển trung tâm (Numerical Control Kernel) là một trong những đơn vị
của hệ thống CNC, các NCK là các đơn vị điều khiển các động cơ. NCK bao gồm một
chương trình dịch, bộ nội suy, bộ điều khiển tăng/giảm tốc và bộ điều khiển vị trí là
các thành phần chính và quan trọng không chỉ của hệ thống CNC mà cịn là một bộ
điều khiển vị trí điển hình, cần thiết để điều khiển động cơ. Có hai loại NCK chính là
NCK của điều khiển tăng/giảm tốc trước nội suy và sau nội suy.
- Chương trình dịch:
Chương trình dịch là một modul phần mềm, có thể dịch các chương trình vào lệnh
nội bộ để di chuyển các công cụ và thực hiện các chức năng phụ trợ trong một hệ
thống CNC.
Một phần chương trình được lập trình viên phát triển dựa trên biên dạng của các
phần, điều kiện cắt, và các công cụ được nhập vào CNC thông qua hệ thống giao diện


người dùng và bộ xử lý trung tâm, sau đó tạo ra các lệnh điều khiển cho các trình điều
khiển từ phần chương trình thơng qua các giai đoạn khác nhau; tính tốn qng đường
di chuyển bởi việc dịch chương trình, tạo dữ liệu riêng và vận tốc cho mỗi trục nhờ bộ
nội suy, làm mịn vận tốc bằng bộ điều khiển Acc/Dcc và tạo ra lệnh điều khiển vị trí.
Trong giai đoạn này, chương trình dịch có thể được coi như một nhiệm vụ đơn giản
cho chuyển đổi G/M code để các cấu trúc dữ liệu của hệ thống CNC dễ hiểu. Tuy
nhiên, việc thiết kế và thực hiện các thơng dịch và biên dịch của chương trình dịch là
một nhiệm vụ lớn và tồn diện, bởi vì quy tắc lập hay ngữ pháp lập trình được diễn tả
trong sổ tay lập trình và một khái niệm điều hành được hiển thị trong một cẩm nang

hoạt động cần được xem xét khi phát triển các trình thơng dịch. Vì vậy, chương trình
dịch là chỉ số đại diện cho thấy các khái niệm thiết kế và các khái niệm thiết kế và các
khía cạnh chức năng của CNC và là một phần của CNC, nó thường dành hơn 50%
tổng số thời gian để phát triển chương trình dịch.
Chương trình dịch đóng vai trị chuyển đổi một phần chương trình người dùng thay
đổi nội dung sang định dạng dữ liệu nội bộ để thực hiện. Để hiểu được cấu trúc và xử
lý bên trong của chương trình dịch, nó là cần thiết để hiểu được cấu trúc của chương
trình và các lệnh được sử dụng trong đó. Trong một hệ thống CNC, hệ tọa độ khác
nhau, chẳng hạn như hệ tọa độ máy, hệ tọa độ phôi và hệ tọa độ cơ sở, được hỗ trợ để
thuận tiện cho chỉnh sửa một chương trình và thiết lập máy.
Ngồi ra, di chuyển, đối xứng, và lấy tỷ lệ của hệ tọa độ được cung cấp và sử dụng
các chức năng này có thể dễ dàng chỉnh sửa các chương trình. Để kiểm sốt cơng cụ
chuyển động dọc theo một đường thẳng, vịng cung, đường xoắn ốc, hoặc một đường
cong spline, các chức năng nội suy như lệnh G01, G02, G03, hoặc lệnh F- để xác định
tốc độ cắt, và lệnh S- để xác định tốc độ trục chính được sử dụng. Để thực hiện các
chương trình mà hình dạng cơng cụ à lắp ghép là khơng khả quan, chức năng bù bán
kính và bù chiều dài dao được cung cấp. Hơn nữa các chức năng vĩ mô, cái gọi là


Hình 1.4:cấu trúc họat động của hệ thống cnc
“chức năng chu kỳ” được cung cấp để tiện chỉnh sửa một chương trình và đơn giản
hóa các chương trình. Gần đây, để thực hiện yêu cầu về gia công tốc độ cao và gia
cơng có độ chính xác cao, các chức năng tiên tiến khác nhau như các chức năng lookahead, chức năng điều khiển feedforward, và chức năng nội suy NURBS đã được áp
dụng.
Cuối cùng, chương trình dịch thực hiện các chức năng nói trên, bao gồm phân tích cú
pháp, thực hiện, phát triển, thực hiện vĩ mô và xử lý các lỗi. Các chương trình dịch
chuyển đổi các khỗi dữ liệu đọc từ bộ nhớ văn bản vào các dữ liệu cấu trúc bên trong.
Dựa trên các dữ liệu giải thích, vị trí của một block được tính tốn bằng cách thực
hiện các phép toán khác nhau như xoay phối hợp và công cụ bù và được lưu trữ trong
bộ nhớ.

(c)

Hệ thống điều khiển PID

Các thông tin của một khối chương trình cho sự di chuyển của các trục của một
máy công cụ đi tuần tự thông qua chương trình dịch, bộ nội suy và điều khiển
Acc/Dcc trước khi truyền tới bộ điều khiển vị trí. Bộ điều khiển vị trí có độ trễ thời
gian từ bộ nội suy và thực hiện kiểm sốt thơng tin đầu vào để giảm thiểu sai số vị trí.
Bộ điều khiển PID được sử dụng để làm việc này.
Mặc dù lý thuyết điều khiển hiện đại đã phát triển khác nhau, nhưng bộ điều khiển
PID đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp do kiến trúc đơn giản và dễ
thực hiện cả phần cứng hay phần mềm. Hơn nữa bộ điều khiển PID có thể dễ dàng
được thực hiện, ngay cả khi mơ hình tốn học chính xác của hệ thống là không rõ


ràng, có khả năng loại bỏ nhiễu tốt. Tuy nhiên, bộ điều khiển PID chỉ có thể được sử
dụng cho các hệ thống tuyến tính thời gian bất biến và nó là cần thiết để chỉnh tăng
một cách chính xác dựa trên các động lực của quá trình. Khi các trạng thái của quá
trình thay đổi do sự thay đổi của trọng lượng hệ thống, quá trình điểu chỉnh phải làm
lại. Ngồi ra, bộ điều khiển PID có hạn chế là nó chỉ có thể áp dụng cho hệ thống
SISO (Single Input Single Output).
Hệ thống CNC là hệ thống kiểm sốt nhiều hơn hai trục, tuy nhiên chúng ta có thể
sử dụng riêng mỗi bộ điều khiển PID cho mỗi trục bởi vì mỗi trục của máy CNC thực
sự kiểm soát độc lập dựa trên các dữ liệu nội suy nhỏ theo khoảng thời gian.
Bộ điều khiển PID tạo ra các đầu ra như là một đầu vào của quá trình, mà làm cho các
lỗi (sự sai khác giữa quá trình phản hồi đầu ra và đầu ra tính tốn) bằng khơng. Q
trình được thể hiện trong hình dưới.

Hình 1.5:Q trình của bộ điều khiển PID
Chất lượng của máy CNC được quy về việc thực hiện điều khiển động cơ, Các bộ

điều khiển vị trí khơng chỉ kiểm sốt chính xác vị trí của các trục mà cịn có thể kiểm
soát các sự cố khác nhau. Đầu tiên là điểm – điểm kiểm sốt nơi đến nhanh và chính
xác tại vị trí mong muốn, rât quan trọng phụ thuộc vào con đường trung gian. Thứ hai
là điều khiển theo vị trí, nó rất quan trọng để các trục chuyển động theo quỹ đạo chính
xác. Thứ ba là điều khiển contour để giám sát contour trong trường hợp hệ thống đa
trục. Ở vị trí điều khiển, thuật tốn khác nhau đã được sử dụng để đáp ứng các điều
kiện trên và bộ điều khiển PID là một trong số các bộ điều khiển điển hình.


CHƯƠNG 2: BÀI TỐN VỊ TRÍ CHO ROBOT
2.1. Bài tốn

Hình 2.6: Robot scara 4 bậc tự do
Số liệu hệ thống:
● Khâu 1: a1 = 750 (mm)
● Khâu 2: a2 = 600 (mm)
● Các góc quay (độ)
● Khoảng trượt d3 = 750 (mm)
● Chiều dài cần cố định d4 = 600 (mm)

2.2. Thiết lập hệ phương trình động học
2.2.1. Đặt hệ quy chiếu
Từ (hình 2.1) ta nhận thấy mơ hình gồm có 4 khâu động và 4 khớp động, từ
đó ta thực hiện đặt hệ quy chiếu theo phương pháp D-H (Denavit-Hartenberg).
 Hệ trục tọa độ theo quy tắc D-H:

Khâu 0: Tại đế ta chọn hệ tọa độ có trục dọc theo trục của khâu 0, được chon
như hình vẽ, chọn theo quy tắc bàn tay phải.
Khâu 1: Ta chọn hệ tọa độ có trục z 1 dọc theo trục của khớp nối khâu 1 với khâu
2, chọn song song theo khâu 1 có hướng về phía khâu 2, được xác định theo quy tắc

bàn tay phải, có gốc tọa độ đặt như hình vẽ.
Khâu 2: Ta chọn hệ tọa độ có trục z 2 trùng trục của khâu 3 có hướng xuống phía
dưới, chọn dọc theo trục của khâu 2 hướng về phía ra xa khâu 1, được xác định theo
quy tắc bàn tay phải.


Khâu 3: Ta chọn hệ tọa độ có trục cùng phương cùng chiều với trục , chọn song
song và cùng chiều với , được xác định theo quy tắc bàn tay phải, có gốc tọa độ đặt
như hình vẽ.
Khâu 4: Ta chọn hệ có trục cùng phương, cùng chiều với trục , chọn vng góc
với trục và , được xác định theo quy tắc bàn tay phải, có gốc tọa độ đặt như hình vẽ.
Hình 2.2 là các hệ quy chiếu động được đặt tại các khâu và bộ thông số động
học theo quy ước D-H được bảng 2.1.

Hình 2.7: Đặt hệ quy chiếu trên các khâu của Robot
Áp dụng nguyên tắc biến đổi tọa độ, em đã lập được bảng D-H như sau:


Bảng 2.1: Bảng D-H của robot
Khớp
1

0

2

180

3

0

4

0

0

0

0

Ma trận dạng tổng quát D-H của phép chuyển hệ tọa độ sang có dạng:

Như vậy ta có các ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất Denavit-Hartenberg từ hệ
Ri-1 về Ri lần lượt như sau:
0

A1

2

A3

1

A2
3

A4

Phép biến đổi biểu diễn tay robot so với thân robot ta có dạng như sau:
0

T4 = 0A11A22A33A4

(2.1)

2.2.2. Thiết lập hệ phương trình động học
Giả thiết K, lần lượt là vị trí và hướng của khâu thao tác so với khâu cơ sở.
Từ khâu cơ sở sang khâu thao tác thực hiện quay quanh trục z một góc đồng thời
tịnh tiến , , .Vì vậy,ta có ma trận biểu diễn hướng và vị trí của khâu thao tác như sau:

Ta có: = 0T4 suy ra:
(2.2)

Bằng cách so sánh phần tử tương ứng trong 2 ma trận trên ta sẽ đưa ra được hệ
phương trình động học như sau:
(2.3)
Nếu cho trước các giá trị biến khớp thay đổi theo thời gian, thì vị trí và hướng
của khâu cơng tác (bàn kẹp) của Robot Scara trong mọi thời điểm sẽ hoàn toàn
được xác định từ hệ phương trình (2.3).


Hình 2.8: Tọa độ điểm cuối khâu thao tác

2.3. Giải bài toán động học thuận robot
Đối với bài toán thuận ta cần tìm , , và góc . Từ hệ phương trình động học ta có:
(2.4)
Thay số đã cho vào phương trình (2.4) ta có:

2.4. Giải bài tốn động học ngược robot
Đối với bài toán ngược ta cần đi xác định , ,, với , , đã biết, nhờ phương trình
động học nên ta có:

=>
= 922500 + 900000 (2.5)
=> = 922500 + 900000
Suy ra:

=>
Khi đó, từ 2.4 ta có:


Với:
Từ hệ phương trình 2.6 ta có:
△= =
= =
=>
= =
=>

=>
Từ 2.4 ta có:
Từ đó ta có nghiệm của bài tốn ngược là:
Với:

(2.6)

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO

ROBOT
3.1. Các khái niệm về quỹ đạo chuyển động của robot
Vấn đề thiết kế quỹ đạo chuyển động liên quan mật thiết đến bài tốn điều khiển
robot di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác trong khơng gian làm việc. Đường đi và
quỹ đạo được thiết kế là các lượng đặt cho hệ thống điều khiển vị trí của robot. Do đó
độ chính xác của quỹ đạo sẽ ảnh hưởng đến chất lượng di chuyển của robot.
Thông thường, quỹ đạo ở dạng đa thức bậc cao sẽ đáp ứng được các yêu cầu về
vị trí, tốc độ, gia tốc ở mỗi điểm giữa 2 đoạn di chuyển.
Có hai kỹ thuật thiết kế quỹ đạo chính là:
•
•

Thiết kế quỹ đọa trong không gian khớp.
Thiết kế quỹ đạo trong không gian thao tác.

Yêu cầu của thiết kế quỹ đạo là:
Khâu chấp hành phải đảm bảo đi qua lần lượt các điểm trong không gian làm
việc hoặc di chuyển theo một quỹ đạo xác định.
Quỹ đạo của robot phải là đường cong đảm bảo tính liên tục về vị trí trong một
khoảng nhất định.
Khơng có bước nhảy về vận tốc, gia tốc.
Quỹ đạo thường là đường cong thông thường.
Trên thực tế hiện nay có nhiều quỹ đạo là dạng đường cong dạng:
Đa thức bậc 2: x(t)= a + bt + ct2
Đa thức bậc 3: x(t)= a + bt+ ct2 + dt3
Đa thức bậc cao: x(t)= a + bt + ……. + ktn
Trong chuyên đề này em sử dụng dạng quỹ đạo là đa thức bậc 3 có dạng:
X(t) = a + bt + ct2 + dt3

3.2. Thiết kế quỹ đạo là đa thức bậc 3
Thông thường quỹ đạo ở dạng đa thức bậc cao sẽ đáp dứng được các yêu cầu về
vị trí, tốc độ và gia tốc ở mỗi điểm giữa hai đoạn di chuyển. Ở mục này sẽ trình bày
phương pháp thiết kế quỹ đạo là đa thức bậc 3 trong không gian khớp.


Từ vị trí ban đầu và hướng của tay robot, sử dụng các phương trình động học
ngược xác định được các giá trị biến khớp trong tương lai. Bài toán thiết kế quỹ đạo
cho khớp là xác định đường biểu diễn của vị trí khớp (góc quay của khớp quay hoặc
độ di chuyển của khớp tịnh tiến) theo thời gian khi di chuyển từ vị trí ban đầu q 0 đến
vị trí cuối cùng qc trong thời gian tc, với q là biến khớp tổng quát. Quỹ đạo chuyển
động của khớp giữa hai vị trí sẽ thõa mãn 4 điều kiện: vị trí ban đầu và vị trí cuối
cùng; tốc độ tại vị trí ban đầu và tại vị trí cuối cùng. Do đó đa thức bậc 3 sẽ thích hợp
cho quỹ đạo của khớp robot:
(3.1)

Các điều kiện đầu và cuối là:
(3.2)

Trong thực tế, thường gặp trường hợp tốc độ tại vị trí ban đầu và tại vị trí cuối
cùng của khớp bằng khơng:
(3.3)
Đạo hàm phương trình (3.1) ta sẽ có phương trình sau:
(3.4)
Sử dụng các điều kiện đầu và cuối (2), ta sẽ có 4 phương trình sau:
(3.5)

Giải hệ phương phương trình (3.5) sẽ xác định được 4 hệ số . Từ quỹ đạo dạng đa
thức (1) sẽ xác định được vị trí đặt của khớp tại thời điểm bất kỳ.

Những giá trị đó là tín hiệu đặt cho bộ điều khiển vị trí để truyền động khớp di
chuyển đến vị trí tương ứng. Trình tự tính tốn trên có thể áp dụng độc lập cho các
khớp robot. Trong quá trình làm việc, tất cả các khớp robot được di chuyển đồng thời
từ các vị trí ban đầu tới vị trí cuối cùng của các khớp.


Khi robot di chuyển qua nhiều điểm, vị trí và tốc độ tại các điểm cuối của mỗi
đoạn là giá trị ban đầu cho các đoạn tiếp theo.

3.3. Tính tốn thiết kế quỹ đạo chuyển động cho Robot
Theo sơ đồ cấu hình của Robot bên trên, ta sẽ thiết kế quỹ đạo chuyển động cho
khớp 1 của robot 4 trục từ góc ban đầu 300 đến góc cuối cùng là 600 trong 5s. Và từ đó
xác định góc quay của khớp 1 tại các thời điểm tương ứng là 1s, 2s, 3s và 4s.
Sử dụng phương trình (5) với thay ta có các phương trình sau:

Giải hệ phương trình trên được các hệ số của đa thức của quỹ đạo:
;
;
;
Phương trình biểu diễn vị trí (p), tốc độ (v) và gia tốc (a) của khớp có dạng:
(p)
(v)
(a)

Từ đó xác định được các góc quay của khớp tại các thời điểm 1s, 2s, 3s, 4s:


Kết luận
Trong phần báo cáo này đã trình bày về những hiểu biết và tim hiểu thêm được
những kiến thức cơ bản về bộ mơn robot cơng nghiệp. Ta có thể biết được robot công

nghiệp ra đời khi nào và mức độ phát triển qua từ thời kì. Ngồi ra ta cũng thấy được
những ứng dụng thực tiễn của chúng trong đời sống thực tế. Trong khuôn khổ báo cáo
này e đã tìm hiểu và tính tốn thiết kế theo những yêu cầu đề ra. Mặc dù em đã cố
gắng tìm hiểu và trình bày, tuy nhiên do thời gian cịn hạn chế nên khơng thể tránh
được những thiếu sót. Em mong thầy cơ và các bạn có thể góp ý để giúp bài báo cáo
này trở nên hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Điều khiển robot công nghiệp, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, PGS. TS.
Tô Đăng Hải.
[2] Robot công nghiệp, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật – 2006, GS. TSKH.
Nguyễn Thiện Phúc
[3] Nguyễn Mạnh Tiến. Điều khiển robot. Đề tài KHCN 4-10-03. Đại học Bách
khoa Hà Nội. Năm 2000.