NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ- CHẾTẠO ROBOT BKĐN-01

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ - CHẾ TẠO ROBOT BKĐN-01
A RESEACH ON DESIGNING AND MANUFACTURING OF BKĐN-01
ROBOTS


PHẠM ĐĂNG PHƯỚC
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
NGUYỄN NGHIỆM
Công ty Cao su Đà Nẵng


TÓM TẮT
Thiết kế, chế tạo robot là lĩnh vực kỹ thuật còn khá mới mẻ ở nước ta. Bài báo giới thiệu kết
quả nghiên cứu thiết kế - chế tạo robot BKĐN-01 tại Khoa Cơ khí trường Đại học Bách khoa
thuộc Đại học Đà Nẵng. Đây là robot có bốn bậc tự do, kiểu robot SCARA, sử dụng card LAB-
PC+, dẫn động bằng các động cơ bước.
ABSTRACT
Designing and manufacturing of robots are a new technical field in our country. This article
presents the results of a research on designing and manufacturing of robot BKĐN-01 at the
faculty of Mechanical Engineering of the Polytechnic Institute of Danang University. This robot
has four degrees of freedom, is of SCARA robot type, uses the LAB-PC+ card, and is
actuated by stepper motors.


1. GIỚI THIỆU
Ra đời cách đây nửa thế kỷ, robot công nghiệp đã có những phát triển vượt bậc. Nhiều
nước trên thế giới sớm áp dụng mạnh mẽ kỹ thuật robot vào sản xuất và nó đã đem lại những
hiệu quả to lớn về kinh tế và kỹ thuật, nâng cao năng suất lao động, tăng chất lượng và khả
năng cạnh tranh của sản phẩm, cải thiện điều kiện làm việc của công nhân
Đối với nước ta, kỹ thuật robot vẫn còn là vấn đề khá mới mẻ, nhất là việc nghiên cứu
thiết kế, chế tạo robot. Nội dung nghiên cứu nhằm chế tạo một robot bốn bậc tự do, kiểu robot

SCARA, sử dụng card điều khiển LAB-PC+ để điều khiển các động cơ bước dẫn động các
khớp. Sản phẩm được sử dụng trong nghiên cứu và giảng dạy môn robot công nghiệp tại
trường Đại học Bách khoa thuộc Đại học Đà Nẵng.

2. SƠ ĐỒ ĐỘNG VÀ HỆ TỌA ĐỘ CỦA ROBOT BKĐN-01
Robot BKĐN-01 là robot có 4 bậc tự do, cấu hình RRTR (Có ba khớp quay, một khớp
tịnh tiến), có các trục khớp nằm theo phương thẳng đứng (kiểu robot Scara). Sơ đồ động và hệ
tọa độ gắn trên các khâu của robot như sau:

O
0
x
0
y
0
z
0
O
1
x
1
y
1
z
1
O
2
x
2
y

2
z
2
O
3
x
3
y
3
z
3
O
4
x
4
y
4
z
4
a
2
a
1
d
3
d
4
θ
1
θ

2
θ
4
d
3











Hình 1: Hệ tọa độ gắn trên các khâu của robot.
BẢNG THÔNG SỐ DENAVIT - HARTENBERG (DH)

Khâu
θ
i
α
i
a
i
d
i
1
θ

1
*
0 a
1
0
2
θ
2
*

0 a
2
0
3 0 0 0 d
3
*
4
θ
4
*
0 0 d
4

Mục đích chính của việc chế tạo robot này là dùng cho nghiên cứu và giảng dạy. Tải
trong vật nâng chọn tối đa 0,5KG. Trên cơ sở đó chúng tôi chọn các kích thước cơ bản của
robot như sau:

+ Bán kính công tác của tay máy:
R
max

= 380 mm.
18
0

20
0
+ Chọn a
1
= 200 mm; a
2
= 180 mm;
θ
2
θ
1
d
3max
= 150mm.
+ Chiều cao toàn bộ của robot:
H = 758 mm.
+ Giới hạn chuyển động cuả các khâu:
- Khâu 1: -90
0
≤ θ
1
≤ +90
0
- Khâu 2: -120
0
≤ θ

2
≤ +120
0
- Khâu 3: 0 ≤ d
3
≤ 150 mm

- Khâu 4: -90
0
≤ θ
1
≤ +90
0

Hình 2: Các kích thước cơ bản


3. PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC ROBOT
+ Để mô tả mối quan hệ về hướng và vị trí của hệ tọa độ gắn trên hai khâu liền kề
nhau (Khâu thứ i và khâu i-1) ta dùng các ma trận A
i
; được biểu diễn bởi các phép biến đổi:
A
i
= Rot(z, θ
0
). Trans(a,0,0). Trans(0,0,d). Rot(x, α)
Hay
A
i

=
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
1000
cossin0
sinsincoscoscossin
cossinsincossincos
d
a
a
αα
θαθαθθ
θαθαθθ
Qui ước viết tắt các hàm lượng giác như sau:
C
1
= cosθ
1;

S
1
= sinθ
1
; C
12
= cos(θ
1
+θ
2
); S
12
= sin(θ
1
+θ
2
);
Ta có:
A
1
= ; A
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢

⎢
⎣
⎡
−
1000
0100
0
0
1111
1111
SaCS
CaSC
2
= ;
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
1000
0100

0
0
2222
2222
SaCS
CaSC
d
3
θ
4
22
0

15
75
8
0
10
0

A
3
= ; A
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢

⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
1000
100
0010
0001
3
d
4
= ;
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
1000
100
40
00

4
44
44
d
CS
SC

Tích các ma trận A được gọi là ma trận T:

3
T
4
= A
4;
2
T
4
= A
3
. A
4
;
1
T
4
= A
2
.A
3
.A

4;
T
4
= A
1
.A
2
.A
3
.A
4
Ta còn có:
T
4
=
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
1000
z
y

x
z
y
x
z
y
x
z
y
x
p
p
p
a
a
a
o
o
o
n
n
n
Ma trận T
4
mô tả hướng và vị trí của hệ toạ độ gắn trên khâu chấp hành cuối đối với
hệ tọa độ gốc. Trong đ ó:
a ,o ,
ρ
ρ
ρ

n
là các véctơ chỉ phương của hệ tọa độ gắn trên khâu chấp
hành cuối,
p
ρ
là véctơ điểm chỉ vị trí của gốc hệ tọa độ gắn trên khâu chấp hành cuối.
Trên cơ sở đó, ta có hệ phương trình động học của Robot BKĐN-01 như sau:
n
x
= C
1
C
24
- S
1
S
24
= C
124
(1)
n
y
= S
1
C
24
+ C
1
S
24

= S
124
n
z
= 0
o
x
= - C
1
S
24
- S
1
C
24
= - S
124
o
y
= - S
1
S
24
+ C
1
C
24
= C
124
o

z
= 0
a
x
= 0
a
y
= 0
a
z
= -1
p
x
= a
2
C
12
+ a
1
C
1.
p
x
= a
2
S
12
+ a
1
S

1.
p
z
= d
3
+ d
4
.

4. PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC NGƯỢC ROBOT BKĐN-01
Trong thực tế, thường ta biết trước vị trí và hướng mà khâu chấp hành cuối của robot
cần đạt đến. Điều ta cần biết là giá trị của các biến khớp (góc quay và độ dài tịnh tiến của các
khâu) tại mỗi thời điểm đó. Giải hệ phương trình (1), khi biết trước hướng và vị trí của hệ tọa
độ gắn trên khâu chấp hành cuối, ta sẽ xác định được tệp nghiệm (θ
1
, θ
2
, d
3
, θ
4
) là giá trị củ
các biến khớp. Các phương trình xác định giá trị các biến khớp thông qua các véctơ
a
p ,a ,o ,
ρ
ρ
ρ
ρ
n

được gọi là hệ phương trình động học ngược của robot.
Đối với tobot BKĐN-01, để xác định phương trình động học ngược, ta lần lượt nhân
ma trận T
4
với các ma trận A
i
-1
(Phương pháp Peper), cân bằng phần tử của các phương trình
ma trận, ta sẽ có hệ phương trình động học ngược như sau:
θ
1
= arctg2(-o
y
,o
x
) hoặc θ
1
= θ
1
+ 180
0
.
θ
2
= arctg2(-S
1
o
x
+ C

1
o
y
, C
1
n
x
+ S
1
n
y
).
d
3
= p
z
- d
4
.
θ
4
= arctg2[S
2
(C
1
o
x
+ S
1
o

y
) -C
2
(-S
1
o
x
+ C
1
o
y
);C
2
(C
1
n
x
+ S
1
n
y
) + S
2
(-S
1
n
x
+C
1
n

y
)].
(2
)
Hệ phương trình động học ngược (2) được dùng trong lập trình điều khiển robot khi
biết trước hướng và vị trí mà khâu chấp hành cuối hoặc công cụ gắn trên robot cần đạt đến.

5. CARD ĐIỀU KHIỂN LAB-PC VÀ ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN ROBOT
BKĐN-01
Lab-PC+ là một card vào/ra (I/O) đa chức năng kiểu tương tự/số. Lab-PC đặc biệt
thích hợp khi sử dụng trong các phòng thí nghiệm công nghiệp hoặc môi trường đào tạo. Lab-
PC có các cổng vào ra kiểu Analog, Digital và counter/timer. Các kênh Analog Input hữu ích
trong việc phân tích tín hiệu và dữ liệu. Bộ chuyển đổi tương tự số 12 bit hữu ích trong các
ứng dụng có độ phân giải cao như đo nhiệt độ, đo điện áp DC, đo sắc phổ. Các cổng Analog
Output có thể được dùng để điều khiển các quá trình và thiết bị. Các cổng Digital I/O có thể
dùng để điều khiển các thiết bị bên ngoài như các transitor và các rơle, dùng để đọc trạng thái
của các quá trình và tạo ra các ngắt (interupts). Bộ đếm/thời gian có thể dùng để đồng bộ hóa
các sự kiện, tạo ra các xung, đo tần số và thời gian.
Lab-PC được dùng cùng với máy tính, là một công cụ đa năng, ứng dụng hiệu quả
trong các phòng thí nghiệm để kiểm tra, đo đạt và điều khiển.
Để sử dụng Lab-PC cần cài đặt chương trình phần mềm do nhà sản xuất lập sẵn. Ta có
thể chọn các phần mềm khác nhau như LabVIEW, LabWindows/CVI, NI-DAQ

Một số thông số cơ bản của Lab-PC+:
ANALOG INPUT:
Số kênh input 8
Điện áp vào Analog ± 5V hoặc 0 đến 10V
Hệ số khuếch đại tín hiệu vào 1, 2, 5, 10, 50, 100 (Chọn từ phần mềm)
ANALOG OUTPUT:
Số kênh Output 2

Điện áp ra Analog 0 đến 10V (Đơn cực)
± 5V (Lưỡng cực) (Chọn từ phần mềm)
DIGITAL I/O:
Cấu hình 3 cổng 8 bit (dùng vi xử lí 8255A)
Điện áp vào logic thấp 0,8V max
Điện áp vào logic cao 2,0V min
Điện áp ra logic thấp 0,45V max
(Dòng ra 1.7mA)
Điện áp ra logic cao 2,4V min
Dòng vào ± 10μA max

Ứng dụng Lab-PC+ để điều khiển Robot BKĐN-01:
Trong robot BKĐN-01 ta đã chọn các động cơ bước để dẫn động các trục khớp. Động
cơ bước của các trục khớp 1, 2, 3 có các thông số cơ bản như sau:
Động cơ góc bước nhỏ, kiểu 23LM-C232-04
Điện áp: 24V/phase, dòng 0,2A/phase.
Góc bước: 1,8
0
/ bước.
Tần số xung: 10Hz đến 1.800Hz
Hãng sản xuất: ASTROSYN - Thái Lan.

Động cơ bước điều khiển khớp quay thứ tư chọn nhỏ hơn, có các thông số sau:
Điện áp: 12V/phase, dòng 0,1A/phase.
Góc bước: 3,6
0
/ bước.
Tần số xung: 10Hz đến 1.800Hz

Để điều khiển các động cơ sử dụng các cổng ra Digital A, B và C của Card Lab-PC.

Động cơ 1: Dùng bit 0,1,2,3 của cổng A.
Động cơ 2: Dùng bit 0,1,2,3 của cổng B.
Động cơ 3: Dùng bit 4,5,6,7 của cổng A.
Động cơ 4: Dùng bit 0,1,2,3 của cổng C.

Nguồn điện 24V DC được cấp cho các động cơ bước 1, 2, 3 và 12V DC cấp cho động
cơ 4. Góc quay của mỗi trục khớp phụ thuộc số xung được cấp cho động cơ và tỉ số truyền
của bộ truyền cơ khí, thông qua chương trình điều khiển viết bằng ngôn ngữ lập trình C++.
Trong chương trình máy tính, để kích họat các bit của các cổng ra Digital ta sẽ dùng
các số hệ 16. Các động cơ được điều khiển theo chế độ nửa bước để tăng độ chính xác.
Với các động cơ bước 1,2,3 đã sử dụng, mỗi động cơ có 4 cuộn dây. Thứ tự kích hoạt
các bít nối với các cuộn dây (sử dụng 4 bit đầu, theo chế độ nữa bước) như sau:

Hệ nhị phân Hệ HEX
7 6 5 4 3 2 1 0
← Bít

0 0 0 0 0 0 0 1 01
0 0 0 0 0 0 1 1 03
0 0 0 0 0 0 1 0 02
0 0 0 0 0 1 1 0 06
0 0 0 0 0 1 0 0 04
0 0 0 0 1 1 0 0 0C
0 0 0 0 1 0 0 0 08
0 0 0 0 1 0 0 1 09

Riêng đối với động cơ bước số 3, điều khiển khâu tịnh tiến, ta dùng các bit 4,5,6,7 của
cổng A (Digital output), thứ tự kích hoạt như sau:

Hệ nhị phân Hệ HEX

7 6 5 4 3 2 1 0
← Bít

0 0 0 1 0 0 0 0 10
0 0 1 1 0 0 0 0 30
0 0 1 0 0 0 0 0 20
0 1 1 0 0 0 0 0 60
0 1 0 0 0 0 0 0 40
1 1 0 0 0 0 0 0 C0
1 0 0 0 0 0 0 0 80
1 0 0 1 0 0 0 0 90

Tốc độ quay của các khâu phụ thuộc vào tần số xung cấp cho các động cơ bước, có thể
thay đổi được theo chương trình.


6. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Đã thiết kế chế tạo phần cơ khí của Robot, thiết kế bộ nguồn và mạch công suất của hệ
điều khiển, kết nối card Lab-PC+ - máy tính - Robot. Đã viết các chương trình điều khiển
robot (dùng ngôn ngữ lập trình C++). Robot đã chạy được các chương trình Demo theo thiết
kế.

Một số hình ảnh của robot BKĐN-01:



Những vấn đề tiếp tục nghiên cứu:
+ Nâng cao độ cứng vững và độ chính xác cơ khí.
+ Nâng cao độ chính xác truyền động.
+ Lập trình điều khiển dạy - học cho robot. v.v

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Phạm Đăng Phước, Giáo trình Robot Công nghiệp, ĐH Bách khoa Đà Nẵng, 2001.
[2] Nguyễn Thiện Phúc, Robot công nghiệp, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004.
[3] Lab-PC+ User Manual, National Instruments Corporation, USA, 1996.
[4] IEEE-488 and VXIbus control, Data Acquisition, and Analysis, NIC, USA, 1996.