ĐỒ án môn học cơ điện tử THIẾT kế hệ THỐNG cơ KHÍ CHO ROBOT CÔNG NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
***************************************

ĐỒ ÁN MƠN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ CHO
ROBOT CÔNG NGHIỆP
MÃ ĐỀ: VCK04-K62

Sinh viên
Mã số sinh viên
Lớp
Người hướng dẫn : GVC.TS Nguyễn Ngọc Thành

HÀ NỘI 11 - 2020


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
***************************************

ĐỒ ÁN MƠN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ CHO
ROBOT CÔNG NGHIỆP
MÃ ĐỀ: VCK04-K62

Sinh viên
Mã số sinh viên
Lớp
Người hướng dẫn: GVC.TS Nguyễn Ngọc Thành

HÀ NỘI 11 - 2020
1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
Bộ mơn Cơ điện tử
ĐỒ ÁN MÔN HỌC: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

SME.EDU - Mẫu 6.a

Học kỳ:
Năm học: 20 - 20
Mã HP: ME4505
T
h
ờ
i
g
i
a
n
t
h
ự
c
h
i
ệ
n

:
1
5
t
u
ầ
n
;
M
ã
đ
ề
:
V
C
K
0
4
…

Ng
ày
gia
o
nh
iệ
m


vụ: …/…/20…;

thành: …/…/20…

Ngày hoàn

Họ và tên sv: Nguyễn Huy Toàn. MSSV: 20170941. Mã lớp:
………… Chữ ký sv: ……

I.

Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế robot SCARA 3 bậc tự do

AI. Số liệu cho trước:
1. Tải trọng: 20 kg.
2. Tầm với: 0,7 m.
3. Độ chính xác lặp: (x, y) = ±0.02 mm, (z) = ±0.01 mm.
4. Vận tốc cực đại khâu tác động cuối:

…………………………………………………...
5. Gia tốc cực đại khâu tác động cuối:
………………………………………………..…..

III. Nội dung thực hiện:
2. Phân tích ngun lý và thơng số kỹ thuật
- Tổng quan về hệ thống
- Nguyên lý hoạt động
- Xác định các thành phần cơ bản và thơng số/u cầu kỹ

thuật của hệ thống
3. Tính tốn và thiết kế
- Tính tốn, thiết kế các khâu 3, 2, 1 và khâu cố định

- Tính chọn động cơ cho các khâu 1, 2, 3
- Tính chọn bộ truyền cho khâu 1 và 2
- Tính chọn trục nối khâu cố định với khâu 1, khâu 1 với

khâu 2
- Tính chọn ổ lăn
4. Thiết kế chi tiết và xây dựng bản vẽ lắp
- Xây dựng bản vẽ lắp 2D/3D
2


- Xây dựng các bản vẽ chế tạo các chi tiết chính
4. Mơ phỏng ngun lý hoạt động (động học)

3


MỤC LỤC
Trang
NHỮNG CỤM TỪ VIẾT TẮT……………………………………………..7
MỞ ĐẦU …………………………………………………………………….8
CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP …………….9
1.1- Lịch sử phát triển………………………………………………………...9
1.2- Định nghĩa và phân loại………………………………………………….9
1.2.1- Định nghĩa robot……………………………………………………9
1.2.2- Phân loại robot……………………………………………………..11
1.3- Ứng dụng robot công nghiệp…………………………………………...15
CHƯƠNG 2- ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT SCARA ……..18
2.1- Đặt vấn đề…………………………………………..…………………...18
2.2- Cấu trúc động học robot…………..…………………………………….18

2.2.1- Hệ tọa độ…………………………………………………………...18
2.2.2- Cấu trúc động học chuỗi động hở………………………………….19
2.3- Động học robot scara……………………………...…………………….24
2.3.1- Động học thuận…………………………………………………....24
2.3.2- Động học ngược…………………………………………………...33
2.4- Động lực học robot sacra………………………………..……………...37
2.4.1- Cơ sở lý thuyết…………………………………………………….38
2.4.2- Động lực học thuận…………………………….…………………40
2.4.3- Động lực học ngược………………………………………………44
2.5- Xác định không gian hoạt động của robot…………………….……….46

CHƯƠNG 3- THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ………………………..50
3.1- Tính tốn thiết kế khâu 3……………………………………………….50
3.1.1- Chọn vật liệu vit và đai ốc………………………………………...50
3.1.2- Xác định đường kính chân của ren……………………………….52
3.1.3- Kiểm tra bền………………………………………………………52
3.1.4- Tính chọn động cơ trục vít me……………………………………60
3.1.5- Chọn bạc dẫn hướng là khớp nối lò xo…………………………..61
4


3.2- Tính tốn, thiết kế các khâu 2………………………………………….62
3.2.1- Chọn vật liệu và thơng số...………………………………………62
3.2.2- Mơ hình tải trọng và lực phân bố trên khâu 2……………………62
3.2.3- Độ võng lớn nhất trên khâu 2…………………………………….64
3.2.4- Tính tốn đường kính trục………………………………………..65
3.2.5- Tính, chọn then cho trục số 2…………………………………….68
3.2.6- Tính chọn ổ bi đỡ lăn cho trục 2…………………………………69
3.2.7- Tính chọn động cơ khâu 2………………………………………..71
3.2.8- Tính chọn bộ truyền động đai răng………………………………73

3.3- Tính tốn và thiết kế khâu 1……………………………………………77
3.3.1- Chọn vật liệu và thông số khâu 1………………………………...78
3.3.2- Mơ hình tải trọng và lực phân bố trên khâu 1……………………79
3.3.3- Độ võng lớn nhất trên khâu 1…………………………………….80
3.3.4- Tính tốn đường kính trục………………………………………..82
3.3.5- Tính, chọn then cho trục số 2…………………………………….82
3.3.6- Tính chọn ổ bi đỡ lăn cho trục 2…………………………………82
3.3.7- Tính chọn động cơ khâu 2………………………………………..82
3.3.8- Tính chọn bộ truyền động đai răng………………………………83
3.4- Tính tốn và thiết kế khâu 0…………………………………………….83
3.4.1- Chọn vật liệu và thơng số khâu 0………………………………...83
3.4.2- Mơ hình tải trọng và lực phân bố trên khâu 0……………………84
CHƯƠNG 4- THIẾT KẾ BẢN BẢN VẼ LẮP CƠ KHÍ;
MƠ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA …………87
4.1- Thiết kế bản vẽ lắp cơ khí …………………………………………….87
4.1.1- Bản vẽ kết cấu lắp chung ………………………………………..87
4.1.2- Các bản vẽ kết cấu lắp cụm chi tiết ……………………………..87
5


4.2- Mô phỏng điều khiển robot trong không gian hoạt động xác định ….89
4.2.2- Mô phỏng điều khiển robot ……………………………………..89
KẾT LUẬN………………………………………………………………..90
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………..92

6


NHỮNG CỤM TỪ VIẾT TẮT

ATLĐ - An toàn lao động
SXCN - Sản xuất công nghiệp
BĐ- Biểu đồ
Bảng 2.1- B2.1
RB- Robot
Ma trận Denavit Hartenberg- Ma trận D-H

7


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 hệ thống cơ khí Robot SCARA, 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- Tính tốn thiết kế Robot Scara
Bao gồm các bước tính tốn thiết kế hệ thống cơ khí, mơ phỏng để kiểm chứng
tính đúng đắn của q 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.
Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy Nguyễn Ngọc Thành, cảm ơn thầy vì những
đóng góp qua những bài giảng và những hướng dẫn trong q 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 !

8


CHƯƠNG 1- NHỮNG KIẾN THỨC CƠ SỞ VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
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 cơng 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 mơi 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 cơng 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
công nghiệp đã có chỗ đứng trong các dây chuyền sản xuất tự động.
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).

9


Định nghĩa theo hiệp hội robot công 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

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 công 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 quá
10


trình sản xuất, thơng qua các chương trình được thiết lập sẵn, và có thể thay đổi
tùy vào mục đích sử dụng.
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:
5

W= 6n –

∑ i pi
1

Trong đó: n là số khâu động
pilà số khớp loại i (i=1,2,..,5: số bậc tự do bị hạn chế)
11


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 [*]

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 công 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.

12


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. Ngồi ra nó cịn đảm bảo an tồn vệ sinh mơi
trường.

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

13


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.

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.

14


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 cơng suất trên bộ
truyền.

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

15

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.
-

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 khơng thay thế con
người bằng robot thì người thợ sẽ khơng đuổi kịp hoặc nhanh chóng mệt mỏi.
-

16

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.
-

17


CHƯƠNG 2- ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT SCARA
2.1- Đặt vấn đề
Động học nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động mà không quan tâm đến
nguyên nhân gây ra chúng như lực, mô men. Khoa học động học nghiên cứu về vị
trí, vận tốc, gia tốc. Do đó, động học chỉ liên quan đến hình học và thời gian thay
đổi chuyển động. Sự thay đổi của các khâu của robot liên quan đến hướng và vị trí
của khâu chấp hành cuối cùng bởi sự ràng buộc của các khớp. Những hệ động học
đó là trọng tâm của việc nghiên cứu động học robot. Việc nghiên cứu động học có
hai vấn đề: Phân tích động học và Tổng hợp động học. Tuy nhiên cả hai vấn đền
đều luôn liên quan đến nhau.
Nội dung nghiên cứu động học của robot gồm hai bài toán: Bài toán động học
thuận và Bài toán động học ngược. Trong việc lập trình cho robot điều khiển cơ
bản là đặt ra các yêu cầu về vị trí của điểm tác động cuối và hướng của khâu cuối,
vận tốc và gia tốc của khâu bất kì trong khơng gian. Vấn đề ở đây là tìm tất cả các
bộ thơng số có thể chấp nhận được về sự thay đổi của các khâu hoạt động và các
đao hàm tương ứng của chúng xảy ra ở khâu cuối để đặt các u cầu về vị trí và
hướng, đó chính là các thơng số hoạt động (bài tốn động học thuận) hay từ yêu
cầu về vị trí và hướng của khâu tác động cuối tìm ra các thơng số tương ứng của
các khâu trước đó (bài tốn động học ngược).
Tổng hợp động học chính là q trình ngược lại của việc phân tích động
học.Trong trường hợp này, nhà thiết kế cần đặt ra được những robot hay máy mới,

điều đó địi hỏi những thay đổi nhất định về mặt động học. Cụ thể, khi có các
thơng tin vị trí, hướng, vận tốc, gia tốc của khâu chấp hành cuối, chúng ta cần xác
định các thay đổi tương ứng ở các khâu hoạt động và cấu trúc hình học của robot.

2.2- Cấu trúc động học robot
2.2.1- Hệ tọa độ
Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau 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

18


hay các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hay khớp quay.Các tọa độ suy rộng
còn được gọi là biến khớp.
Các hệ tọa độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo quy tắc bàn tay phải
(H2.1). Dùng tay phải, nắm hai ngón tay áp út và ngót út vào long bàn tay, xịe 3
ngón: cái, trỏ và giữa theo 3 phương vng góc với nhau, nếu chọn ngón cái là
phương chiều trục z, thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu
thị phương, chiều của trục y.

Hình 2.1– Quy tắc bàn tay phải

Trong robot ta thường dùng chữ O và chỉ số n để chỉ hệ tọa độ gắn trên khâu thứ
n. Như vậy hệ tọa độ cơ bản (hệ tọa độ gắn với khâu cố định) sẽ được kí hiệu là O 0;
hệ tọa độ các khâu trung gian tương ứng sẽ là O1, O2,…,On-1. Hệ tọa độ gắn trên
khâu chấp hành cuối kí hiệu là On.
2.2.2- Cấu trúc động học chuỗi động hở

a- Định nghĩa
Khâu: Trong cơ cấu và máy, tồn bộ những bộ phận có chuyển động tương đối
so với các bộ phận khác gọi là khâu
+

Bậc tự do của khâu: Là khả năng chuyển động độc lập hay là số thơng số độc lập
để xác định vị trí của khâu.
+

Để tạo thành cơ cấu, các khâu không thể rời xa nhau mà phải được liên kết với
nhau theo một cách nào đó sao cho khi nối với nhau các khâu vẫn còn khả năng
chuyển động tương đối. Gọi là nối động các khâu.
19


Hình 2.2- Biểu diễn các thành phần khớp động

Chỗ tiếp xúc trên mỗi khâu gọi là thành phần khớp động. Tập hợp hai thành
phần khớp động của hai khâu gọi là một khớp động.
H2.2 đã thể hiện rõ hai thành phần khớp động của hai khâu tiếp xúc với nhau
bằng mặt trụ. Khi chuyển động tạo thành sự quay tương đối của hai bản lề với
nhau. Số bậc tự do bọ hạn chế trong một khớp động được gọi là số ràng buộc của
khớp.
b- Phân loại các khớp
b.1-Phân loại theo đặc điểm tiếp xúc
Dựa vào đặc điểm tiếp xúc của các thành phân khớp động, ta chia thành khớp
cao và khớp thấp. Trong đó, khớp thấp là khớp có hai thành phâng khớp động tiếp
xúc với nhau theo mặt, còn khớp cao thì hai thành phần khớp tiếp xúc với nhau
theo đường hoặc điểm.

Hình 2.3- Khớp cao

20


Hình 2.4- Khớp thấp

H2.3 lần lượt là hai khớp cao tiếp xúc dạng điểm và đường.Trong đó sự tiếp xúc
điểm là sự tiếp xúc của hình cầu và mặt phẳng, cịn sự tiếp xúc đường là giữa mặt
bên của hình trụ và mặt phẳng.
Khớp thấp (H2.4) có đặc điểm là sự tiếp xúc với nhua là bề mặt của hai thành
phần khớp động.Có thể là hai mặt cầu, hai mặt trụ hoặc 2 mặt phẳng. Dạng tiếp
xúc mặt phẳng sẽ có ma sát lớn hơn nhiều so với tiếp xúc điểm hoặc đường

b.2-Phân loại theo bậc tự do bị hạn chế
Định nghĩa:
- Khớp loại i tức là khớp bị hạn chế i bậc tự do.

Hình 2.5- Khớp quay

Khớp quay là khớp loại 5 do chỉ có 1 bậc tự do quay quanh trục khớp. Là loại
khớp được ứng dụng nhiều trong đời sống.

21


Hình 2.6-Khớp cầu

Khớp cầu là khớp loại 3 do bị hạn chế các bậc tự do tịnh tiến theo 3 trục x,y,z.

Hình 2.7-Khớp trụ
Khớp trụ là khớp loại 4 do bị hàn chế các bậc tự do tịnh tiến theo 2 trục x,y.

Hình 2.8- Khớp trượt (khớp tịnh tiến)

Khớp trụ là khớp loại 5 do bị hàn chế các bậc tự do tịnh tiến theo 2 trục y,z và
các bậc tự do quanh 3 trục tọa độ.

22


Hình 2.9-Khớp vít

Là một dạng khớp đặc biệt khi nó thực hiện đồng thời 2 chuyển động quay và
tịnh tiến.Tuy nhiên nó vẫn là khớp loại 5 bởi chuyển động tịnh tiến của nó là sự
quay tương đối của hai thành phần khớp động qua mối liên kết ren giữa chúng.

Hình 2.10-Biểu diễn khâu, khớp trong robot scara
Trong mơ hình robot công nghiệp Scara, sử dụng tổng cộng 3 khớp động. Trong
đó có 2 khớp quay (khớp 1,2) và 1 khớp trượt (khớp 3).

c- Chuỗi động
Khi nối một số khâu nhất định với nhau bằng các khớp theo một quy tắc nhất
định sẽ hình thành chuỗi động. Trong quá trình nghiên cứu, chuỗi động được biểu
diễn bằng lược đồ chuỗi, trên chuỗi động khâu được biểu diễn bằng lược đồ khâu
và lược đồ khớp. Dựa vào cấu trúc của chuỗi người ta chia chuỗi động thành 2
loại: chuỗi động kín (H2.12), chuỗi động hở (H2.11) và chuỗi động hỗn hợp.

23