(Đồ án tốt nghiệp) Thiết kế, thi công và điều khiển mô hình Five bar parallel robot linh hoạt sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, THI CƠNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MƠ
HÌNH FIVE – BAR PARALLEL ROBOT LINH
HOẠT SỬ DỤNG TRONG NHIỀU ỨNG DỤNG
KHÁC NHAU
SVTH:
NGUYỄN THỊ ANH ĐÀO

17146098

NGUYỄN THỊ THANH HUYỀN

17146123

NGUYỄN THỊ KIM THOA

17146197

Khóa: 2017-2021
Ngành: CNKT CƠ ĐIỆN TỬ
GVHD: TS. VŨ QUANG HUY

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2021

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đồ án này, lời đầu tiên chúng con chân thành cảm ơn sự động viên
và hỗ trợ của gia đình trong suốt thời gian học tập. Đặc biệt, chúng con xin gửi lời
cảm ơn trân trọng nhất đến ba mẹ, người đã sinh ra và nuôi dưỡng chúng con nên
người. Sự quan tâm, lo lắng và hy sinh lớn lao của ba mẹ luôn là nguồn động lực cho
chúng con cố gắng phấn đấu trên con đường học tập của mình.
Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS. Vũ Quang Huy đã tận tình
hướng dẫn, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình chúng em thực
hiện đề tài.
Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật TP.HCM, đặc biệt là các thầy cô trong khoa ĐT CLC đã nhiệt tình giúp đỡ,
truyền đạt kiến thức trong suốt quá trình học tập của nhóm. Vốn kiến thức được tiếp
thu trong q trình học tập khơng chỉ là nền tảng cho q trình thực hiện đề tài mà
cịn là hành trang quý báu cho chúng em lập nghiệp sau này.
Cuối cùng, chúng em xin cảm ơn sự hỗ trợ và giúp đỡ của bạn bè trong thời gian
học tập và trong q trình hồn thành đề tài này.
Xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện đề tài
Đào – Huyền – Thoa

ix


LỜI NĨI ĐẦU
Với cơng nghệ phát triển nhanh như chớp, chúng ta đang sống trong một xã hội nơi
robot được sử dụng để làm cả những công việc cơ bản và phức tạp, giúp con người
thực hiện các nhiệm vụ lặp đi lặp lại, nguy hiểm và khó khăn hoặc thậm chí khơng thể
hồn thành trong các trường hợp thơng thường. Có nhiều loại robot cơng nghiệp được
tạo ra trong các lĩnh vực như sản xuất, giám sát quân sự, vũ khí, y học và chăm sóc sức

khỏe, vận chuyển, và nghiên cứu an toàn và hiệu quả hơn.
Trong đề tài này chúng em đã thực hiện việc tính tốn, thiết kế hệ thống cơ khí,
mơ hình hóa, mơ phỏng quá trình làm việc của robot song song 5 thanh. Từ đó chế
tạo và điều khiển hoạt động robot này như đã tính tốn. Mong rằng đề tài này của
chúng em sẽ giúp cho những người đang cùng nghiên cứu về robot song song 5 thanh
giải quyết và hiểu được về ngun tắc hoạt động, ứng dụng, có thể tính tốn thiết kế
và chế tạo được robot này. Từ đó rút ngắn được thời gian đem nó vào ứng dụng trong
thực tế công việc, cuộc sống. Đề tài hy vọng có thể đóng góp một phần cơng sức
trong cơng trình nghiên cứu robot vào phịng thí nghiệm của các trường cao đẳng, đại
học.
Với một tinh thần làm việc đầy nhiệt huyết cùng với sự giúp đỡ tận tình của giáo
viên hướng dẫn, nhóm đã hồn thành đề tài “Thiết kế, thi cơng và điều khiển mơ hình
Five – bar parallel robot linh hoạt sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau”.

x


MỤC LỤC
Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp ............................................................................................... i
Phiếu nhận xét đồ án tốt nghiệp dành cho giảng viên hướng dẫn .................................. iii
Phiếu nhận xét đồ án tốt nghiệp dành cho giảng viên phản biện ................................... vi
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ ix
LỜI NÓI ĐẦU................................................................................................................. x
MỤC LỤC ...................................................................................................................... xi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................. xiii
DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ ............................................................... xiv
Chương 1: TỔNG QUAN ............................................................................................... 1
1.1 Giới thiệu chung ..................................................................................................... 1
1.2 Đặt vấn đề ............................................................................................................... 2
1.3 Mục đích thiết kế cơ cấu song song ....................................................................... 2

1.4 Giới hạn đề tài ........................................................................................................ 3
1.5 Nội dung sẽ trình bày trong các chương ................................................................. 3
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................... 5
2.1 Cơ sở lý thuyết về giao thức SPI ............................................................................ 5
2.2 Động học robot ....................................................................................................... 7
2.2.1 Động học thuận robot ....................................................................................... 8
2.2.2 Động học nghịch robot ................................................................................... 10
2.3 Không gian làm việc của robot ............................................................................. 13
2.3.1 Điểm kỳ dị loại 1 ( Điểm kỳ dị nối tiếp) ........................................................ 13
2.3.2 Điểm kỳ dị loại 2 (Điểm kỳ dị song song) ..................................................... 14
2.4 Quy hoạch quỹ đạo ............................................................................................... 22
2.4.1 Quy hoạch quỹ đạo điểm – điểm cho trước .................................................... 24
2.4.2 Quy hoạch quỹ đạo theo phương pháp SCA .................................................. 28
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ............................................................................................... 36
xi


3.1 Thiết kế kỹ thuật cơ khí ........................................................................................ 36
3.2 Thiết kế kỹ thuật điện tử ....................................................................................... 38
3.3 Thiết kế lưu đồ giải thuật ...................................................................................... 39
CHƯƠNG 4: THI CÔNG, THỰC NGHIỆM, TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH ............ 46
4.1 Thi cơng mơ hình .................................................................................................. 46
4.2 Thực nghiệm ......................................................................................................... 55
4.3 Tổng hợp và phân tích .......................................................................................... 65
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ ............................................. 66
5.1 Kết quả thu được .................................................................................................. 66
5.2 Nhận xét và đánh giá ............................................................................................ 66
5.2.1 Nhận xét .......................................................................................................... 66
5.2.2 Đánh giá .......................................................................................................... 67
5.3 Ứng dụng của đề tài .............................................................................................. 67

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 68
6.1 Kết luận................................................................................................................. 68
6.2 Hướng phát triển ................................................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 70
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 72
Phụ lục Code ............................................................................................................... 72
Phụ lục bản vẽ............................................................................................................. 88

xii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
SPI: Serial Peripheral Interface
SCK: Serial Clock
MISO: Master Input Slave Output
MOSI: Master Ouput Slave Input
SS: Slave Select
API: Application Programming Interface
GUI: Graphical User Interface
EEPROM: Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory
SRAM: Static Random Access Memory

xiii


DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ
Hình 2-1: Sơ đồ kết nối giao thức SPI ............................................................................ 6
Hình 2-2: Quá trình truyền dữ liệu của SPI..................................................................... 6
Hình 2-3: Lựa chọn kích thước các thanh robot để tối ưu không gian làm việc ............. 7
Hình 2-4: Tính tốn động học robot ................................................................................ 8

Hình 2-5: Sơ đồ robot song song để phân tích động học thuận robot ............................. 9
Hình 2-6: Sơ đồ robot song song để phân tích động học nghịch robot ......................... 11
Hình 2-7: Khơng gian làm việc của robot khi rơi vào điểm kỳ dị loại 1 ...................... 14
Hình 2-8: Cấu hình của robot ở các điểm kỳ dị loại 2 .................................................. 15
Hình 2-9: Xác định góc và tọa độ các điểm trong trường hợp A1 trùng A2 ................ 16
Hình 2-10: Xác định góc  trong trường hợp A1 trùng A2.......................................... 17
Hình 2-11: Xác định chế độ hoạt động của robot trong trường hợp A1 trùng A2 ........ 18
Hình 2-12: Xác định tọa độ điểm trong trường hợp A1, A2 thẳng hàng ...................... 19
Hình 2-13: Khơng gian làm việc của robot trong trường hợp A1, A2 thẳng hàng ....... 20
Hình 2-14: Không gian làm việc của robot trong vùng kỳ dị loại 2 ............................. 21
Hình 2-15: Các ràng buộc can thiệp .............................................................................. 21
Hình 2-16: Xác định điểm trong khơng gian khớp ....................................................... 22
Hình 2-17: Ma trận điểm khơng gian Descartes ........................................................... 22
Hình 2-18: Tìm vị trí khớp tốt nhất ............................................................................... 23
Hình 2-19: Quy hoạch khơng gian khớp ....................................................................... 23
Hình 2-20: Quỹ đạo điểm – điểm bậc 3 trên Matlab ..................................................... 26
Hình 2-21: Quỹ đạo điểm – điểm bậc 5 trên Matlab ..................................................... 28
Hình 3-1: Sơ đồ các thanh cánh tay robot ..................................................................... 36

xiv


Hình 3-2: Sơ đồ phần cứng điều khiển hai động cơ ...................................................... 38
Hình 3-3: Sơ đồ nối dây điều khiển hai động cơ ........................................................... 39
Hình 3-4: Lưu đồ giải thuật điều khiển của hệ thống.................................................... 39
Hình 3-5: Lưu đồ giải thuật của chế độ vị trí ban đầu .................................................. 40
Hình 3-6: Lưu đồ giải thuật của chế độ chạy theo quỹ đạo cho trước .......................... 41
Hình 3-7: Lưu đồ giải thuật của chế độ chạy theo quỹ đạo bất kỳ................................ 42
Hình 3-8: Lưu đồ giải thuật của chế độ các nút nhấn ................................................... 44
Hình 3-9: Thiết kế giao diện bảng điều khiển ............................................................... 45

Hình 4-1: Raspberry Pi 4 lựa chọn cho mơ hình ........................................................... 46
Hình 4-2: Arduino Uno R3 ............................................................................................ 47
Hình 4-3: Thơng số kỹ thuật của hai động cơ ............................................................... 49
Hình 4-4: Kích thước động cơ ....................................................................................... 49
Hình 4-5: Bản vẽ thiết kế của động cơ .......................................................................... 50
Hình 4-6: Driver DMA860H Leadshine ....................................................................... 51
Hình 4-7: Nguồn 48V – 10A ......................................................................................... 51
Hình 4-8: Van điện từ AIRTAC 3V110-06................................................................... 52
Hình 4-9: Module Relay 8 kênh 12V ............................................................................ 52
Hình 4-10: Mạch hạ áp 48V xuống 12V 5A ................................................................. 53
Hình 4-11: Nút nhấn giữ LA38-11BN .......................................................................... 54
Hình 4-12: Nút nhấn dừng khẩn cấp LA38-11ZS 1NO 1NC ....................................... 54
Hình 4-13: Mơ hình robot khi chế tạo ........................................................................... 55
Hình 4-14: Thi cơng tủ điện .......................................................................................... 56
Hình 4-15: Quỹ đạo đường thẳng .................................................................................. 56

xv


Hình 4-16: Xung xuất ra động cơ quỹ đạo đường thẳng ............................................... 57
Hình 4-17: Biến thiên đồ thị xung (đường thẳng) ......................................................... 57
Hình 4-18: Xung đảo chiều động cơ (đường thẳng) ..................................................... 58
Hình 4-19: Quỹ đạo tam giác ........................................................................................ 58
Hình 4-20: Xung xuất ra động cơ quỹ đạo tam giác ..................................................... 59
Hình 4-21: Biến thiên đồ thị xung (tam giác) ............................................................... 59
Hình 4-22: Xung đảo chiều động cơ (tam giác) ............................................................ 60
Hình 4-23: Quỹ đạo hình chữ nhật ................................................................................ 60
Hình 4-24: Xung xuất ra động cơ quỹ đạo chữ nhật ..................................................... 61
Hình 4-25: Biến thiên đồ thị xung (chữ nhật) ............................................................... 61
Hình 4-26: Xung đảo chiều động cơ (chữ nhật) ............................................................ 62

Hình 4-27: Quỹ đạo hình trịn ....................................................................................... 62
Hình 4-28: Xung xuất ra động cơ quỹ đạo hình trịn .................................................... 63
Hình 4-29: Biến thiên đồ thị xung (hình trịn) .............................................................. 63
Hình 4-30: Xung đảo chiều động cơ (hình trịn) ........................................................... 64
Hình 4-31: Kết quả mơ phỏng quỹ đạo hình trịn và đường thẳng ............................... 64
Hình 4-32: Kết quả mơ phỏng quỹ đạo hình chữ nhật và hình tam giác ...................... 65
Hình 6-1: Bản vẽ thanh chủ động .................................................................................. 88
Hình 6-2: Bản vẽ thanh bị động .................................................................................... 88
Hình 6-3: Bản vẽ của mơ hình robot ............................................................................. 89

xvi


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu chung
Ngày nay, các kỹ thuật robot với sự hỗ trợ của máy tính đã đáp ứng được độ chính
xác cao, thời gian thu nhận và xử lý các tín hiệu nhanh chóng, tin cậy, đã làm tăng
năng suất lao động, hạn chế các tai nạn và độc hại cho con người… Tuy nhiên, loại
robot nối tiếp hiện đang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực đã bộc lộ nhiều nhược
điểm như tính linh hoạt thấp, tốc độ xử lý và khả năng đáp ứng khơng cao, độ cứng
vững cũng như độ chính xác chưa đảm bảo. Để khắc phục phần nào các nhược điểm
trên, một loại robot mới đã ra đời, đó là robot (hay còn gọi là tay máy) song song.
Khác hẳn với robot nối tiếp là loại robot liên tiếp có kết cấu hở được liên kết với
các khâu động học và được điều khiển tuần tự hoặc song song thì robot song song là
cơ cấu vịng kín trong đó khâu tác động cuối được liên kết với nền bởi ít nhất là hai
chuỗi động học độc lập. Robot song song có được những ưu điểm sau: độ cứng vững
cơ khí cao, khả năng chịu tải cao, gia tốc lớn, khối lượng động thấp và kết cấu đơn
giản. Với những ưu điểm trên, robot song song đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh
vực như y học, thiên văn học, máy mô phỏng, các máy công cụ…
Trong hoạt động sản xuất, những robot cơng nghiệp thường có hình dạng của

“cánh tay cơ khí”, mơ phỏng theo những đặc điểm cấu tạo cơ bản của cánh tay người.
Vì tinh thần phát triển các hệ thống cơ khí là thực hiện các thao tác giống con người
nên nó khơng tự nhiên, gị ép nhằm sử dụng các chuỗi động học nối tiếp vòng hở, cấu
trúc này được gọi là tay máy nối tiếp. Cấu trúc này có ưu điểm là vùng làm việc trải
rộng, có tính linh hoạt, khéo léo như tay người nhưng khả năng nâng tải của nó thấp,
độ bền thấp và độ chính xác chưa cao do các khớp nối trên tay máy cồng kềnh, khối
lượng lớn, khi chuyển động với tốc độ cao thì nó bị rung và lắc.
Vì thế, đối với các ứng dụng mà mục tiêu quan trọng nhất là khả năng nâng tải
lớn, thực hiện động lực học tốt và định vị chính xác thì rất cần một sự thay thế tay
máy nối tiếp truyền thống. Để tìm ra các giải pháp khả thi, các nhà khoa học đã quan
sát thế giới sinh vật và nhận thấy rằng thân hình của các lồi thú có khả năng nâng
1


chở vật nặng có được độ ổn định, vững chắc hơn trên nhiều chân song song với nhau
so với loài người đứng trên hai chân, loài người cũng sử dụng các cánh tay, ngón tay
kết hợp với nhau để nâng vật nặng và thực hiện các cơng việc địi hỏi độ chính xác
như khi viết, lồi người dùng ba ngón tay tác động song song cùng một lúc. Tóm lại,
chúng ta có thể đưa ra kết luận rằng các tay máy có khâu tác động cuối được gắn với
đất bằng nhiều chuỗi động học có các bộ tác động được gắn song song với nhau sẽ có
được độ cứng vững lớn hơn và khả năng định vị tốt hơn.

1.2 Đặt vấn đề
Ở nước ta, Robot song song cũng đã được nghiên cứu vào những năm 2007 nhưng
nhìn chung mới chỉ dừng lại ở việc đưa ra mơ hình và đi tìm thuật tốn giải bài tốn
động học mà chưa thiết kế và chế tạo được Robot cụ thể. Phòng cơ điện tử Viện cơ
học là đơn vị đầu tiên ở Việt Nam cho ra đời sản phẩm như vậy. Sau 2 năm nghiên
cứu Phòng Cơ điện tử - Viện cơ học Việt Nam đã thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một
Robot song song 6 chân (Hexapod) dùng cho ngành kỹ thuật hiện đại trước mắt là
trong gia công cơ khí chính xác. Phiên bản đầu tiên có tên gọi PR6-01, dùng làm giá

đỡ phôi cho các máy gia công cơ khí bán tự động kiểu cũ. Thực tế đến nay, nhiều cơ
sở nghiên cứu như ĐH Bách khoa Hà Nội, ĐH Bách khoa TP HCM, Viện cơ học,
Viện công nghệ thông tin ... đã chế tạo được một số Robot mẫu.
Trước những ứng dụng và nghiên cứu của Robot song song, nhóm chúng em đã
lựa chọn đề tài “Thiết kế, thi cơng và điều khiển mơ hình Five – bar parallel robot
linh hoạt sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau”. Mong rằng đề tài này của chúng
em sẽ giúp cho những người đang cùng nghiên cứu về Robot song song giải quyết và
hiểu được về nguyên tắc hoạt động, ứng dụng, có thể tính tốn thiết kế và chế tạo
được robot này trong tương lai.

1.3 Mục đích thiết kế cơ cấu song song
 Ưu điểm:
+ Có tốc độ di chuyển cao trong q trình làm việc do có khối lượng và kích thước
nhỏ gọn.
2


+ Độ cứng vững cao do kết cấu hình học ưu điểm của chúng.
+ Khả năng chịu tải cao.
+ Có thể thực hiện được các thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính xác cao.
+ Có thể thiết kế ở các kích thước khác nhau.
+ Tầm hoạt động của Robot cơ cấu song song rất rộng từ việc lắp ráp các chi tiết cực
nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao
như: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp...
+ Các Robot cơ cấu song song làm việc không cần bệ đỡ và có thể di chuyển tới mọi
nơi trong mơi trường sản xuất. Chúng có thể làm việc ngay cả khi trên thuyền và treo
trên trần, tường ...
 Nhược điểm:
+ Khoảng khơng gian làm việc nhỏ và khó thiết kế.
+ Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp...

+ Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian làm việc.

1.4 Giới hạn đề tài
Nghiên cứu, thiết kế, thi cơng và điều khiển mơ hình robot song song 5 thanh.
Do điều kiện và thời gian hạn hẹp cũng như trình độ chun mơn và kinh nghiệm
thực tế còn hạn chế nên chúng em thực hiện đề tài tập trung nghiên cứu một số nội
dung sau:
 Tính tốn động học, động lực học, tìm và mơ phỏng vùng làm việc của robot.
 Thiết kế mơ hình cho robot song song 5 thanh.
 Chế tạo mơ hình robot song song 5 thanh.
 Lập trình điều khiển robot hoạt động.

1.5 Nội dung sẽ trình bày trong các chương
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
 Cơ sở lý thuyết về giao thức SPI
3


 Động học robot
 Không gian làm việc của robot
 Quy hoạch quỹ đạo
Chương 3: Thiết kế
 Thiết kế kỹ thuật cơ khí
 Thiết kế kỹ thuật điện tử
 Thiết kế lưu đồ giải thuật
Chương 4: Thi công, thực nghiệm, tổng hợp và phân tích
 Thi cơng mơ hình
 Thực nghiệm
 Tổng hợp và phân tích
Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

 Kết quả thu được
 Nhận xét và đánh giá
 Ứng dụng của đề tài
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
 Kết luận
 Hướng phát triển

4


Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương này sẽ trình bày các cơ sở lý thuyết về điện điện tử, lập trình… liên quan
đến việc thiết kế, chế tạo và điều khiển robot phù hợp với yêu cầu đặt ra. Tính tốn
cho robot song song 5 thanh: tính tốn động học, động lực học của robot và xác định
không gian làm việc cũng như quy hoạch quỹ đạo để xây dựng thuật tốn cho mơ hình
robot.

2.1 Cơ sở lý thuyết về giao thức SPI
a. SPI là gì
SPI: là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao do hãng Motorola đề xuất. Đây
là kiểu truyền thơng Master-Slave, trong đó có 1 chip Master điều phối q trình
truyền thơng và các chip Slaves được điều khiển bởi Master vì thế truyền thơng chỉ
xảy ra giữa Master và Slave. SPI là một cách truyền song công (full duplex) nghĩa là
tại cùng một thời điểm q trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời. SPI đôi khi
được gọi là chuẩn truyền thông “4 dây” vì có 4 đường giao tiếp trong chuẩn này đó là:
SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên cần 1
đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo 1bit dữ liệu đến hoặc đi. Đây là điểm
khác biệt với truyền thông không đồng bộ mà chúng ta đã biết trong chuẩn UART. Sự
tồn tại của chân SCK giúp quá trình truyền ít bị lỗi và vì thế tốc độ truyền của SPI có
thể đạt rất cao. Xung nhịp chỉ được tạo ra bởi chip Master.

MISO: nếu là chip Master thì đây là đường Input cịn nếu là chip Slave thì MISO
lại là Output. MISO của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau.
MOSI: nếu là chip Master thì đây là đường Output cịn nếu là chip Slave thì MOSI
là Input. MOSI của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau.
SS: là đường chọn Slave cần giao tiếp, trên các chip Slave đường SS sẽ ở mức cao
khi không làm việc. Nếu chip Master kéo đường SS của một Slave nào đó xuống mức
thấp thì việc giao tiếp sẽ xảy ra giữa Master và Slave đó. Chỉ có 1 đường SS trên mỗi
5


Slave nhưng có thể có nhiều đường điều khiển SS trên Master, tùy thuộc vào thiết kế
của người dùng.

Hình 2-1: Sơ đồ kết nối giao thức SPI
b. Cơ chế hoạt động
Mỗi chip Master hay Slave có một thanh ghi dữ liệu 8 bits. Cứ mỗi xung nhịp do
Master tạo ra trên đường giữ nhịp SCK, một bit trong thanh ghi dữ liệu của Master
được truyền qua Slave trên đường MOSI, đồng thời một bit trong thanh ghi dữ liệu
của chip Slave cũng được truyền qua Master trên đường MISO. Do 2 gói dữ liệu trên
2 chip được gởi qua lại đồng thời nên quá trình truyền dữ liệu này được gọi là “song
cơng”.

Hình 2-2: Q trình truyền dữ liệu của SPI
6


2.2 Động học robot
Lựa chọn kích thước các thanh của cơ cấu robot?
Mục tiêu đề tài của nhóm là tối ưu không gian làm việc của robot. Để làm được
việc đó, nhóm đã tiến hành so sánh độ dài của các liên kết như hình dưới:

Hình 2-3: Lựa chọn kích thước các thanh robot để tối ưu không gian làm việc
Theo như kết quả đã so sánh như trên (Hình 2-3), để robot có được khơng gian làm
việc lớn nhất thì l1=l2=l=100.
Việc cịn lại là xác định độ dài của d so với chiều dài l. Rõ ràng nếu độ lệch càng
nhỏ thì khơng gian hoạt động càng lớn. Tuy nhiên, nếu dđộng cơ sẽ không thể đi qua được do nhiễu cơ học. Do đó, thiết kế tối ưu là d>l một
chút sẽ tránh được nhiễu cơ học nhiều nhất có thể.
Độ dài d sẽ được xác định bằng tổng của bán kính trục động cơ, bán kính đầu liên
kết gần, chiều dài l, hệ số an toàn và độ dài của chốt định vị.
Từ đó ta tính ra được d>137 nên nhóm lựa chọn d=140.

7


Hình 2-4: Tính tốn động học robot

2.2.1 Động học thuận robot
a. Tính tốn động học thuận là gì
Tính tốn động học thuận là q trình tính tốn vị trí và hướng của cơ cấu chấp
hành khi biết tất cả các giá trị biến khớp.
b. Các bước làm

8


Hình 2-5: Sơ đồ robot song song để phân tích động học thuận robot
Trong đó:

lo : chiều dài từ gốc tọa độ đến động cơ A1 và A2

l1 : chiều dài từ động cơ A1 đến khớp quay P1

l2 : chiều dài từ khớp quay P1 đến điểm đầu cuối E

 a1 : góc tạo bởi thanh A1 P1 và trục x

 a 2 : góc tạo bởi thanh A2 P2 và trục x

 p1 : góc tạo bởi thanh P1 E và trục x

 p 2 : góc tạo bởi thanh P2 E và trục x
Từ Hình 2-4 ta suy ra được:

x p1   l1  cos  a1    l0

(0.1)

y p1   l1  sin  a1  

(0.2)

x p 2   l1  cos  a 2    l0

(0.3)
9


y p 2   l1  sin  a 2  

(0.4)

Từ (2.1), (2.2), (2.3) và (2.4) ta có:

h

y

p 2  y p1    x p 2  x p1 
2

2

(0.5)

 y p 2  y p1 
 h 
1

 , 2  tan 
 2  l2 
 x p 2  x p1 

Mà: 1  cos 1 

 p1  1  2
Kết hợp (2.5) ta được:



  l  sin     y

xE  l2  cos  p1   x p1
yE

2

p1

(0.6)

p1

2.2.2 Động học nghịch robot
a. Tính tốn động học nghịch là gì
Tính tốn động học nghịch là q trình tính tốn giá trị các biến khớp khi biết
được vị trí và hướng của cơ cấu chấp hành.
b. Các bước làm

10


Hình 2-6: Sơ đồ robot song song để phân tích động học nghịch robot
Trong đó:

1 : góc hợp bởi A1E và trục x

 2 : góc hợp bởi A2 E và trục x
 1 : góc hợp bởi A1P1 và A1E

 2 : góc hợp bởi A2 P2 và A2 E

1 : góc hợp bởi P1E và PP
1 2
 2 : góc hợp bởi PP
1 2 và trục x
Từ Hình 2-5 ta có:

 a1  1  1

(0.7)

a 2  2   2

(0.8)

Áp dụng hệ thức lượng trong tam giác vuông A1EH ta được:

11


1  arctan

yE
l0  xE

(0.9)

Tương tự áp dụng hệ thức lượng trong tam giác vuông A2EH ta được:

 2    arctan

yE
l0  xE

(0.10)

Thay  1 ,  2 vào  a1 ,  a 2 ta được:

 a1  arctan

yE
 1
l0  xE

 a 2    arctan

(0.11)

yE
 2
l0  xE

(0.12)

Mặt khác, áp dụng Định lý Cos trong tam giác A1P1E ta có:

l 2 2  l 21  k 21  2l1k1 cos 1
l 21  k 21  l 2 2
cos 1 
2l1k1

l 21  k 21  l 2 2
1  arccos
2l1k1

(0.13)

Tương tự, áp dụng Định lý Cos trong tam giác A2P2E ta được:

l 21  k 2 2  l 2 2
 2  arccos
2l1k2

(0.14)

Áp dụng Định lý Pytago trong tam giác vuông A1EH ta được:

k1 

 l0  xE 

2

 y2E

(0.15)

Tương tự, áp dụng Định lý Pytago trong tam giác vuông A2EH ta được:

k2 

 l0  xE 

2

 y2E

(0.16)

Thế (2.13) và (2.14) vào (2.11), (2.12) ta được:

12


l 21   l0  xE   y 2 E  l 2 2
yE
 a1  arctan
 arccos
2
l0  xE
2l1  l0  xE   y 2 E

(0.17)

l 21   l0  xE   y 2 E  l 2 2
yE
 a 2    arctan
 arccos
2
l0  xE
2l1  l0  xE   y 2 E

(0.18)

2

2

Mà ta có:

 p1  1  2
 arctan

y p 2  y p1
X p 2  X p1

 arccos

y

 y p1    X p 2  X p1 
2

p2

2

(0.19)

2l2

Trong tam giác EP1P2 ta có:

 p 2     p1  2    2  1  2    1  22

(0.20)

2.3 Không gian làm việc của robot
Như chúng ta biết, không gian làm việc của một robot song song là thường nhỏ
hơn của robot nối tiếp có kích thước tương tự và thường được phân đoạn bởi các điểm
kỳ dị. Trong ngành cơng nghiệp, cần có robot có khả năng sử dụng tối ưu những
không gian làm việc mơ tả là các robot song song.
Nói một cách dễ hiểu, điểm kỳ dị là những cấu hình trong đó độ cứng vốn có của
một robot song song đột ngột thay đổi. Hầu hết các robot song song có hai loại điểm
kỳ dị chính.

2.3.1 Điểm kỳ dị loại 1 ( Điểm kỳ dị nối tiếp)
Điểm kỳ dị loại 1 là cấu hình mà tác nhân cuối cùng của robot mất đi một hoặc
nhiều bậc tự do. Chúng tương ứng với ranh giới của không gian làm việc, tức là nơi
mà một trong các cánh tay đạt đến giới hạn bên trong hoặc bên ngồi của nó.

13


Hình 2-7: Khơng gian làm việc của robot khi rơi vào điểm kỳ dị loại 1

2.3.2 Điểm kỳ dị loại 2 (Điểm kỳ dị song song)
Điểm kỳ dị loại 2 là trong đó robot mất độ cứng và đặt được một hay nhiều bậc tự
do. Sau đó, điểm đầu cuối trở nên di động ngay cả khi bộ truyền động bị chặn. Mặt
khác thiết bị truyền động không thể chống lại lực hoặc tại một thời điểm được áp
dụng cho bộ tạo hiệu ứng cuối và robot không thể điều khiển được nữa.

Điểm kỳ dị loại 2 được tìm thấy bên trong khơng gian làm việc, do đó tách nó
thành vài khu vực. Việc đi từ vùng này sang vùng khác có thể đươc thực hiện bằng
cách vượt qua một điểm kỳ dị loại 2.
Do bản chất của các điểm kỳ dị loại 2, chúng tôi thường giới hạn các chuyển động
của bộ tạo hiệu ứng ở một trong các vùng khơng có các điểm kỳ dị này.
Khơng gian làm việc sau đó được thu nhỏ đáng kể. Nếu chúng ta cố gắng vượt qua
những điểm kỳ dị này, rô bốt sẽ không thể thực hiện chuyển động liên tục và chính
xác. Đối với các hoạt động chọn và đặt, quỹ đạo khơng cần phải chính xác và về mặt
lý thuyết có thể vượt qua điểm kỳ dị loại 2. Tuy nhiên, khả năng điều khiển của rô bốt
bị mất trong giây lát khi điểm kỳ dị đi qua, điều này đơi khi có thể dẫn đến hành vi
14


khơng chính xác. Nó cũng là khơng thể nhặt hoặc thả một vật thể gần đường cong kỳ
dị loại 2.
Tối ưu hóa khơng gian làm việc của robot song song là một vấn đề quan trọng.
Phương pháp thường được ưa thích là tránh các chuyển động mà robot đi qua điểm kỳ
dị loại 2 bằng cách giảm không gian làm việc. Do đó, việc điều khiển robot được đảm
bảo trong tồn bộ khơng gian được giảm thiểu và nguy cơ làm hỏng cơ cấu được
giảm thiểu. Tuy nhiên, không gian này nên được giảm hơn nữa để tránh nhiễu cơ học
có thể tương đối phức hợp cho robot song song. Khơng gian làm việc thực tế do đó
đáng kể giảm so với robot nối tiếp. Để sử dụng hết tiềm năng khơng gian làm việc
của robot song song để nó có thể so sánh với khơng gian làm việc của robot nối tiếp.
Có thể tránh được việc giảm khơng gian bằng cách sử dụng các phương pháp cho
phép robot di chuyển từ khu vực này sang khu vực khác trong không gian bằng cách
đi qua các điểm kỳ dị loại 1.

Hình 2-8: Cấu hình của robot ở các điểm kỳ dị loại 2
Ở bên trái, các liên kết A1C và A2C được xếp chồng lên nhau. Trong trường hợp
này, tập A1CA2 khơng bị ràng buộc và có thể quay tự do xung quanh điểm A1.

15


Ở bên phải, các liên kết A1C và A2C được căn chỉnh. Robot không thể chống lại
lực tác động lên đường A1A2, ngồi ra robot khơng được giải phóng khỏi điểm kỳ dị
loại 2 và cơ cấu hoàn toàn bị chặn. Do đó, để tháo robot phải sử dụng 1 lực bên ngoài
( vd trọng lực).
Trường hợp A1 trùng với A2
Để tìm ra khơng gian làm việc thuận lợi ta sử dụng cấu hình loại 1 với A1 trùng A2

Hình 2-9: Xác định góc và tọa độ các điểm trong trường hợp A1 trùng A2
Khi A1 = A2, ta được:

16