Nghiên cứu thiết kế rô bốt song song hai bậc tự do ứng dụng trong khắc chữ

TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Độc lập-Tự do-Hạnh phúc


 !"#$%
&"#'"()*
&"#'+,
&"#'+"#
)  CĐTK4
"#&/  Cơ điện tử
$0122006-2010
34/
56789$9:;<;=;=;<>?!;
6!@:;$AB
=CDE"2FG-2
- Các thông số, kích thước robot cần chế tạo
HI"&F//
1. Phần thuyết minh
- Thiết kế cơ khí (bao gồm các bản vẽ chi tiết của robot và mô hình 3D)
- Tính toán thông số của Robot, động học, động lực học , mô phỏng hoạt
động và làm việc của Robot.
2. Sản phẩm của đề tài
- 04 cuốn thuyết minh
- 01 đĩa CD với toàn bộ nội dung đề tài
&GJG-&IK
Thứ nhất: Phạm Tuấn Tài Ngày giao đề tài: 09 /2010
Thứ hai : Trần Xuân Tiến Ngày hoàn thành: 11 /2010
4/3L3GM2H3N&$F12//FOFPF1Q&R"1S
Hưng Yên, ngày tháng 11 năm 2010.

TRƯỞNG BỘ MÔN TRƯỞNG KHOA
T=&"#'+! =T= UG&
>V;5WX!Y


1
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
















Hưng Yên , ngày tháng 11 năm
2010
%FG-&IK
>V8;5Z<

2
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

















Hưng Yên , ngày tháng 11 năm 2010
%F.[\E
)]Z^_
3
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trong quá trình thực hiện đề tài đồ án tốt nghiệp “5678
9  $9  :;<;  =;  =;    <>  ?  !;  6  !@
:;$AB” chúng em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ quý báu.
Trước hết, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Phạm Tuấn

Tài và thầy Trần Xuân Tiến, những người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và
giúp đỡ để chúng em có thể hoàn thành đồ án một cách tốt nhất.
Chúng em xin chân thành cảm ơn các Thầy (Cô) giáo giảng dạy của bộ
môn trong suốt 4 năm qua đã cung cấp cho chúng em những kiến thức cần thiết,
tạo điều kiện giúp chúng em hoàn thành được đồ án theo đúng yêu cầu và thời
gian quy định.
Cám ơn các bạn trong lớp CĐTK4 đã nhiệt tình tham gia đóng góp ý kiến
trong quá trình thực hiện đề tài.
Chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ Thầy (Cô) giáo
và các bạn đồng nghiệp, để có thêm những hiểu biết và hoàn thiện hơn trong quá
trình làm việc sau này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn !
Hưng Yên, ngày tháng 11 năm 2010
0`*2E
 !"#$%
 &"#'"()*
 &"#'+,
&"#'+"#
)]ab7
Thế kỷ XXI thế kỷ của khoa học và công nghệ. Tất cả các ngành kỹ thuật
đều có những bước tiến vượt bậc và đạt được nhiều thành tựu to lớn. Với xu thế
các ngành công nghệ hướng tới kết hợp với nhau để tạo ra sản phẩm ngày càng
4
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
hiện đại, tối ưu. Sự kết hợp những công nghệ hiện đại đó đã cho ra đời ngành
công nghệ “Cơ điện tử”. Trước động lực là nhu cầu của tương lai và những khó
khăn thử thách trước mắt ngành “Cơ điện tử” đang phát triển mạnh mẽ. Ngành
đã chế tạo ra những Robot có nhiều tính năng ưu việt, khẳng định và kế thừa
trong bước đầu tiên phong về công nghệ. Ngày càng chứng tỏ “Cơ điện tử” là sự

kết hợp hoàn hảo. Để đáp ứng những yêu cầu đặt hiện nay của xã hội và sự cần
thiết của sản phẩm chúng em đã thực hiện nghiên cứu đề tài: “&2c"8d
PdF\FF&F&1\e2*IFc&If&F&Pg22,”.
Đây là đề tài có tính ứng dụng thực tế cao. Có thể áp dụng trong sản xuất
và đề tài này giúp sinh viên vận dụng được những kiến thức đã học vào trong
thực tế. Việc nghiên cứu đề tài đồng thời thúc đẩy sự hứng thú học tập, khả năng
tuy duy sáng tạo kỹ thuật cho sinh viên sau. Đề tài thực sự hữu ích cho phát triển
của ngành trong tương lai. Sau khi nhận đề tài chúng em đã nỗ lực tìm hiểu và
thực hiện. Song do thời gian có hạn đề tài không tránh khỏi những thiếu sót nhất
định rất mong các Thầy (Cô) giáo và các bạn góp ý thêm để đề tài hoàn thiện
hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn !
HưngYên, ngày tháng 11 năm 2010
0`*2E
 !"#$%
 &"#'"()*
&"#'+,
&"#'+"#
M•C L•C
Lời cảm ơn
Lời nói đầu
Mục Lục Trang
T  `h3 "
<T  HI"&
5
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chương I : Tổng quan về Robot có cấu trúc song song
1.1. Giới thiệu chung 10
1.2. Một số ưu nhược điểm của robot song song 10

1.3. Cấu trúc robot song song 11
1.4.Ý tưởng thiết kế 25
Chương II: Tính toán động học, động lực học, mô phỏng miền làm
việc bằng Matlab
2.1.Tính toán động học của robot 26
2.2. Động lực học robot 27
2.3. Mô phỏng bằng phần mềm Matlab 33
Chương III: Thiết kế cơ khí robot song song hai bậc tự do ứng dụng
trong khắc chữ
3.1. Nội dung thiết kế 47
3.2. Xác định điều kiện cắt gọt 51
3.3. Thiết kế robot 52
T  PdD"e
1. Kết luận 62
2. Khuyến nghị 62
Tài liệu tham khảo
Tb^ib7
jT)kIF234/
Ở nước ta, Robot song song cũng đã được nghiên cứu vào năm 2007 nhưng
nhìn chung mới chỉ dừng lại ở việc đưa ra mô hình và đi tìm thuật toán giải bài
toán 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 .
6
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
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. Dự kiến sẽ hoàn thiện Hexapod PR6-01 đưa vào ứng dụng trong

thực tế khoảng 1 năm nữa. 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. Chúng em là
sinh viên bộ môn cơ điện tử trường ĐH sư phạm kỹ thuật Hưng Yên đã lựa
chọn việc “56789$9:;<;=;=;<>
?!;6!@:;$AB” Chúng em đã thực hiện việc
tính toán, thiết kế và chế tạo .
Mong rằng đề tài này của chúng tôi sẽ giúp cho những người chế tạo ra
Robot song song hai bậc tự do giải quyết việc thiết kế và tính toán rút ngắn
được thời gian đem nó vào ứng dụng trong thực tế .
lT^f23m2&2c"
* Kiểm tra đánh giá tình trạng khi thiết kế robot song song hai bậc tự do.
* Có những phương án thiết kế ứng dụng của robot song song hai bậc tự
do.
nTCGM&/P%2o&2c"
* CGM&&2c": Tính toán , thiết kế và chế tạo mô hình Robot
song.
song hai bậc tự do.
* CGM&pIf&: Dùng cho tất cả những học sinh, sinh viên học
ngành kỹ thuật nói riêng và cho nhưng ai quan tâm muốn tim hiểu nói chung.
* $%2o&2c"Robot song song ứng dụng trong khắc chữ.
qT[dPF12
* Robot song song hai bậc tự do vẫn chưa sử dụng nhiều trong đời sống
và trong công nghiệp.
* Những tài liệu về robot song song hai bậc tự do vẫn chưa có nhiều và
trọn vẹn.
rTE`f&2c"
* Phân tích đặc điểm, nguyên lý hoạt động robot song song hai bậc tự do.
* Nghiên cứu, thiết kế, tính toán robot hai bậc tự do.

* Kết hợp những tài liệu khác có liên quan đến robot song song hai bậc tự
do để hoàn thành đề tài.
sT-O34/
7
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
* Nghiên cứu, tính toán, thiết kế robot song song hai bậc tự do.
* Do điều kiện và thời gian hạn hẹp cũng như trình độ chuyên môn và kinh
nghiệm thực tế còn hạn chế nên chúng tôi thực hiện đề tài chỉ tập trung nghiên
cứu một số nội dung sau :
- Tính toán động học, động lực học mô phỏng động học vùng làm việc.
- Thiết kế mô hình lý thuyết cho Robot song song hai bậc tự do.
- Chế tạo mô hình robot song song hai bậc tự do.
tTGu&.%.&2c"
* Chọn phương pháp phân tích và tổng kết kinh nghiệm là chủ yếu ngoài ra
còn
phương pháp nghiên cứu thực tiŒn và nghiên cứu tài liệu để đưa ra kết quả chính
xác.
* Thực hiện: từ thực tiŒn nghiên cứu và tìm hiểu đưa ra những cách thức
thiết kế chế tạo, sửa chữa của hệ thống .
- Bước 1: Tìm hiểu các thông số lắp đặt của robot.
- Bước 2: Chuẩn đoán các phương án thiết kế lắp đặt cho robot.
- Bước 3: Thiết kế chế tạo mô hình robot song song hai bậc tự do.
8
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
<Tb!7
W_vw7x:;<;ay7:z=;=;
jTj-E"2"&
Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hóa trong sản xuất, các cơ cấu

Robot cũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú. Trong những thập
niên gần đây, Robot cấu trúc song song được Gough và Whitehall nghiên cứu
năm 1962 và sự chú ý ứng dụng của Robot cấu trúc song song đã được khởi
động bởi Stewart vào năm 1965. Ông là người cho ra đời một buồng (phòng) tập
lái máy bay dựa trên cơ cấu song song. Hiện nay cơ cấu song song được sử dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động được nối với giá cố
định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số 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. Chính lý do này mà các Robot song song đôi khi gọi
là các Robot có bệ. Các cơ cấu tác động điều khiển tải ngoài, nên cơ cấu chấp
hành song song thường có khả năng chịu tải lớn.
Do tính ưu việt của Robot song song nên ngày càng thu hút được nhiều nhà
khoa học nghiên cứu, đồng thời cũng được ứng dụng ngày càng rộng rãi vào
nhiều lĩnh vực:
- Ngành Vật lý: Giá đỡ kính hiển vi, giá đỡ thiết bị đo chính xác.
- Ngành Cơ khí: Máy gia công cơ khí chính xác, máy công cụ.
- Ngành Bưu chính viŒn thông : Giá đỡ Ăngten, vệ tinh địa tĩnh.
- Ngành chế tạo ôtô: Hệ thống thử tải lốp ôtô, buồng tập lái ôtô.
- Ngành quân sự: Robot song song được dùng làm bệ đỡ ổn định được đặt
trên tàu thủy, các công trình thủy, trên xe, trên máy bay, trên chiến xa và tàu
ngầm. Để giữ cân bằng cho ăngten, camera theo dõi mục tiêu, cho rada, cho các
thiết bị đo laser, bệ ổn định cho pháo và tên lửa, buồng tập lái máy bay, xe tăng,
tàu chiến.
jTlT ^HCG"GM23o`2{1:F\FF&F&
Nhìn chung, tất cả các lọai Robot có cấu trúc song song đều có nhiều ưu
điểm và có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, các bộ mô hình máy bay,
các khung đỡ kiến trúc có khớp nối điều chỉnh, các máy khai thác mỏ
Ưu điểm :
- Khả năng chịu tải cao: các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên khối lượng

của các thành phần cũng nhỏ hơn.
9
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
- Độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng: Tất cả các lực tác
động đồng thời được chia sẻ cho tất cả các chân. Cấu trúc động học một cách
đặc biệt của các khớp liên kết cho phép chuyển tất cả các lực tác dụng thành các
lực kéo/nén của các chân.
- Có thể thực hiện được các thao tác phức tạp và họat động với độ chính
xác cao: với cấu trúc song song, sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc trục của các
cụm cơ cấu chân riêng lẻ và các sai số không bị tích lũy.
- Có thể thiết kế ở các kích thước khác nhau.
- Đơn giản hóa các cơ cấu máy và giảm số lượng phần tử do các chân và
khớp nối được thiết kế sẵn thành các cụm chi tiết tiêu chuẩn.
- Cung cấp khả năng di động cao trong quá trình làm việc do có khối
lượng và kích thước nhỏ gọn.
- Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền.
- 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 môi trường sản xuất. Chúng có thể làm việc ngay cả
khi trên thuyền và treo trên trần, tường
- Giá thành của các Robot song song ứng dụng trong gia công cơ khí ít
hơn so với máy CNC có tính năng tương đương.
Nhược điểm:
Tuy nhiên các Robot song song cũng có những nhược điểm nhất định khi so
sánh với các Robot chuỗi như:
- Khoảng không 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.
jTnT |"}2:F\FF&F&
jTnTjT|"}22u2|"
Cũng như các Robot thông thường, Robot song song là loại Robot có cấu trúc
vòng kín trong đó các khâu (dạng thanh) được nối với nhau bằng các khớp động.
Sơ đồ động cơ cấu tay máy thông thường là một chuỗi nối tiếp các khâu
động, từ khâu ra (là khâu trực tiếp thực hiện thao tác công nghệ) đến giá cố định.
Còn trong Robot song song, khâu cuối được nối với giá cố định bởi một số mạch
động học, tức là nối song song với nhau và cũng hoạt động song song với nhau.
Sự khác nhau về sơ đồ động đó cũng tạo nên nhiều đặc điểm khác biệt về động
học và động lực học.
jTnTlT$("8P 82"~3H&/`%#F&2u2|":F\FF&F&
10
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Khâu : Là phần có chuyển động tương đối với phần khác trong cơ cấu.
Chúng ta coi tất cả các khâu là các vật rắn. Điều đó làm cho việc nghiên
cứu các cơ cấu, Robot được dŒ dàng và đơn giản hơn. Tuy nhiên, với các cơ cấu
tốc độ cao hoặc mang tải lớn thì hiện tượng đàn hồi của vật liệu trở nên quan
trọng đáng kể và chúng ta phải xét đến.
Khớp: Là chỗ nối động giữa hai khâu.
Tùy theo cấu trúc, mỗi khớp hạn chế một số chuyển động giữa hai khâu. Bề
mặt tiếp xúc của mỗi khâu tại khớp gọi là một thành phần khớp. Hai thành phần
khớp tạo thành một khớp động. Khớp động có thể phân thành khớp thấp và khớp
cao tùy thuộc vào dạng tiếp xúc.
- Khớp thấp: Nếu hai thành phần tiếp xúc là mặt.
- Khớp cao: Nếu hai thành phần tiếp xúc là điểm hoặc đường.
Có 6 loại khớp thấp và hai loại khớp cao cơ bản thường dùng trong các cơ
cấu máy và các Robot, đó là:
- Khớp quay (Revolute Joint - R) : Khớp để lại chuyển động quay của

khâu này đối với khâu khác quanh một trục quay. Nghĩa là khớp quay hạnchế 5
khả năng chuyển động giữa hai thành phần khớp và có một bậc tự do . Khớp
quay thường được gọi là khớp quay bản lề.
- Khớp lăng trụ (Prismatic Joint - P) : Cho phép hai khâu trượt trên nhau
theo một trục. Do đó, khớp lăng trụ hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối
giữa hai khâu và có một bậc tự do. Người ta cũng thường gọi khớp lăng trụ là
khớp tịnh tiến.
- Khớp trụ (Cylindrical Joint - C) : Cho phép hai chuyển động độc lập,
gồm một chuyển động quay quanh trục và chuyển động tịnh tiến dọc trục quay.
Do đó, khớp trụ hạn chế 4 khả năng chuyển động giữa hai khâu và có hai bậc tự
do.
- Khớp ren (Helical Joint - H) : Cho phép chuyển động quay quanh trục
đồng thời tịnh tiến theo trục quay. Tuy nhiên chuyển động tịnh tiến phụ thuộc
vào chuyển động quay bởi bước của ren vít. Do đó, khớp ren hạn chế 5 chuyển
động tương đối hai khâu và còn lại một bậc tự do.
- Khớp cầu (Spherical Joint - S) : Cho phép thực hiện chuyển động quay
giữa hai thành phần khớp quanh tâm cầu theo tất cả các hướng, nhưng không có
chuyển động tịnh tiến giữa hai thành phần khớp này. Do đó, khớp cầu hạn chế 3
khả năng chuyển động và có ba bậc tự do.
11
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
- Khớp phẳng (Plane Joint - E): Cho hai khả năng chuyển động tịnh tiến
theo hai trục trong mặt tiếp xúc và một khả năng quay quanh trục vuông góc với
mặt phẳng tiếp xúc. Do đó, khớp phẳng hạn chế 3 bậc tự do và có ba bậc tự do.
- Khớp bánh răng phẳng (Gear Pair - G): Cho hai bánh răng ăn khớp với
nhau. Các mặt răng tiếp xúc đẩy nhau, chúng thường trượt trên nhau. Do đó,
khớp bánh răng phẳng hạn chế 4 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thành
phần khớp, còn lại hai bậc tự do.
- Khớp cam phẳng (Cam Pair - Cp) : Tương tự như khớp bánh răng, hai

thành phần khớp luôn tiếp xúc với nhau. Do đó, khớp cam phẳng có hai bậc tự
do.
Khớp quay, khớp lăng trụ, khớp trụ, khớp ren, khớp cầu và khớp phẳng là các
khớp thấp. Khớp bánh răng phẳng và khớp cam phẳng là các khớp cao.
Chuỗi động: Là tập hợp các khâu được nối với nhau bằng các khớp động. Robot
nối tiếp có cấu trúc chuỗi hở, còn Robot song song có cấu trúc là chuỗi kín.
Chuỗi động học được gọi là cơ cấu khi một trong các khâu là giá cố định. Trong
cơ cấu có thể có một hoặc nhiều khâu được ấn định là khâu dẫn với các thông số
cho trước. Sự chuyển động của các khâu dẫn là độc lập, sự chuyển động của các
khâu khác sẽ phụ thuộc vào chuyển động của khâu dẫn. Cơ cấu là một thiết bị
truyền chuyển động từ một hay nhiều khâu dẫn tới các khâu khác.
Máy móc: Gồm một hoặc nhiều cơ cấu, cùng với các thành phần điện, thủy lực
và/hoặc khí nén, được dùng để biến đổi năng lượng bên ngoài thành cơ năng
hoặc dạng năng lượng khác. Cơ cấu chấp hành của hệ thống robot là cơ cấu. Để
cơ cấu này trở thành máy cần phải có bộ điều khiển dựa trên bộ vi xử lý, bộ mã
hóa và/hoặc các cảm biến lực, cùng với các bộ phận khác, chẳng hạn hệ thống
quan sát, phối hợp với nhau để chuyển đổi năng lượng bên ngoài thành công hữu
ích. Mặc dù máy có thể gồm một hoặc nhiều cơ cấu, nhưng cơ cấu không phải là
máy, do không thực hiện công, chỉ có chức năng truyền chuyển động.
jTnTnT<e2*IF2{1:F\F2|"}2F&F&
Xét hai vật thể ( hay hai khâu ) A và B để rời nhau trong không gian. Gắn
vào A một hệ tọa độ Đề Các Oxyz (hình I.1) thì B sẽ có 6 khả năng chuyển
động tương đối so với A, hay nói cách khác là giữa A và B có 6 khả năng
chuyển động tương đối, ta gọi là 6 bậc tự do tương đối .
Các khả năng chuyển động độc lập là :
- Các chuyển động dọc theo các trục Ox, Oy, Oz ,kí hiệu là Tx, Ty,Tz.
- Các chuyển động quay quanh các trục Ox, Oy, Oz kí hiệu là R
x
, R
y

, R
z.
12
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Định nghĩa : Bậc tự do của cơ cấu là thông số độc lập tuyến tính cần thiết
hoàn toàn xác định vị trí của cơ cấu. Ta có thể xác định được các biểu thức tổng
quát về số bậc tự do của robot theo số khâu, số khớp và kiểu khớp trong cơ cấu .
Để thống nhất cho việc tính toán cho việc tự do của cơ cấu, ta sử dụng ký hiệu
sau:
: số ràng buộc của khớp i
F: số bậc tụ do của cơ cấu
: số chuyển động tương đối được phép của khớp i, j
Số khớp trong cơ cấu .
: số khớp với i bậc tự do.
L : số vòng độc lập trong của cơ cấu.
n: số khâu trong cơ cấu, kể cả khâu cố định.
λ : số bậc tự do trong không gian lam việc của cơ cấu .
Ta giả thiết tất cả các khớp đều là 2 chiều, khớp 3 chiều được coi là 2
khớp hai chiều, khớp 4 chiều được coi là 3 khớp hai chiều , ngoai ra còn giả
thiết một giá trị λ được dùng cho tất cả các chuyển động của tất cả các khâu
chuyển động, chúng đều vận hành trong khong gian làm việc, do đó λ = 6 đối
với cơ cấu không gian và λ = 3 đối với cơ cấu phẳng và khớp cầu .
Giá trị bậc tự do của cơ cấu chính bằng số bậc tự do của tất cả các khâu
hoạt đọng trừ đi số ràng buộc bởi các khớp. Do đó nếu các khâu đều tự do, số
13
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
bậc tự do của cơ cấu là n khớp vói một khớp cố định sẽ bằng λ(n 1). Tuy nhiên
tổng các rằng buộc của các khớp bằng

Do đó giá trị bậc tự do của cơ cấu được tính theo phương trình:
f = λ(n 1)
(1.1)
(1.1)
số ràng buộc của một khâu và sô bậc tự do của khâu đó , bằng thông số chuyển
động λ do đó .
λ = +
(1.2)
do tổng các ràng buộc của các khâu là :
= j*λ -
(1.3)
Thay phương trình (1.3) vào phương trình (1.1)
f = λ(n – j – 1 ) (1.4)
phương trinh (1.4) được gọi theo tiêu chuẩn Gru bler hoặc Kutzbach.
theo tiêu chuẩn Gru bler hoặc Kutzbach đúng cho các trường hợp các ràng buộc
tại các khớp là đọc lập và không dư.Ví dụ một khớp quay cầu liên kết chuỗi với
khớp quay co trục xuyên qua tâm của khớp cầu sẽ tạo ra một bậc tự do thừa. Kiểu
bậc tự do này gọi là bậc tự do thụ động, cho phép khâu trung gian quay tự do quanh
trục được xác định từ 2 khớp đó. Mặc dầu khâu trung gian có khả năng truyền lực
hoặc mô men và chuyển động cho các khâu khác , nhưng nó không có khả năng
truyền mô men cho trục chủ động. Nói chung, các khâu hai chiêu vói các cặp S –
S, S – E, E – E đều có bậc tự do thụ động bảng sau thống kê sự phối hợp các khâu
loại hai chiều với các khâu S – S, S – E, E– E với các khớp cuối cùng của chúng
có một bậc tự do.
STT Kiểu Bậc tự do thụ động (thừa)
1
S S
Quay quanh trục đi qua các tâm khớp cầu.
2
S E

Quay quanh trục đi qua tâm khớp cầu và vuông góc
với mặt
14
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
3
E E Trượt dọc trục song song với giaotuyến tạo bởi các
mặt phẳng của khớp phẳng. Nếu hai mặt phẳng này
song song sẽ có ba bậc tự do thụ động ( thừa ).
Bậc tự do thụ động không thể truyền mô men và chuyển động cho trục thụ
động. khi có một loại khớp loại này tồn tại trong cơ cấu , cần trừ đi một bậc tự do
từ phương trình tính bậc tự do. Giả sử, f
p
là số bậc tự do thụ động trong cơ cấu thì
số bậc tự do chủ động trong cơ cấu là:
f = λ(n – j 1 )
Hình 1.2: Cơ cấu không gian Stewart - Gough
Là cơ cấu không gian gồm có một bàn máy động được nối với đế cố định
bởi sáu chân trượt thông qua các khớp cầu. mỗi chân được tạo thành từ hai khâu và
được nối với nhau bằng khớp lăng trụ. Cấu trúc này gọi là cấu trúc S P – S . Do
sựu phối hợp S P – S, nên mỗi chân có một bậc tự do thừa từ hình vẽ ta có: λ =
6,n =14 , j
i
=6, j
3
= 12, f
p
=6 số bậc tự do của cơ cấu được tính theo phương trinh
(1.5):
f =6(14 - 18 - 1) + (12x3 + 6) - 6 = 6

15
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
sử dụng phương trình (1.5) tính bậc tự do cho cơ cấu không gian có nói tới giá
trị λ . cho tất cả các khâu di chuyển, khi tính bậc tự do cho co cấu phẳng va cơ cấu
được xem như hệ con của hệ không gian nên cần phải chú ý tới thông số này. Đặc
biệt λ = 3 với cơ cấu phẳng và cơ cấu cầu. với cơ cấu không gian thì λ = 6.
Nói chung tiêu chuẩn Gru bler có f > 0 thì cơ cấu có f bậc tự do. Nếu f =
0 cơ cấu không có bậc tự do, lúc này cơ cấu trở thành giàn tĩnh định. Nếu f <0 cơ
cấu sẽ có số ràng buộc thừa. Tuy nhiên, cũng có các cơ cấu không tuân theo tiêu
chuẩn Grubler. Các cơ cấu này đòi hỏi chiều dài khâu đặc biệt để đạt được tính
linh động cao được gọi là cơ cấu thắng ràng buộc.
Đối với cơ cấu vòng kín và cơ cấu chấp hành, số lượng và vị trí các khớp
phát động phải được chọn một cách cẩn thận sao cho khâu tác đọng cuối phải
được điều khiển theo yêu cầu. Nói chung số khớp phát động bằng số bậc tự do
của cơ cấu, vị trí của khớp phát động phải được chọn sao cho chúng có thể tao
thanh một tập hợp các tọa độ độc lập. Nếu số lượng khâu phát đọng nhỏ hơn số
bậc tự do thì chuyển động của khâu này phải theo tọa độ tương ứng các ràng
buộc động học của chúng. Một robot có bậc tư do dư thi điều khiển được linh
hoạt hơn.
jTnTq. %2\/F%2u\[4F\F
Robot là một ngành khoa học về công nghệ truyền thống, kết hợp với lý
thuyết và ứng dụng của các hệ thống robot. việc nghiên cứu bao gồm cả hai vấn
đề là nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng, những vấn đề đó chia ra thành các lĩnh
vực: công tác thiết kế robot, cơ học cơ cấu, thiết kế quỹ đạo và điều khiển, công
tác lập trình và tri thức cho máy cơ học là một nhánh khoa học nghiên cứu các
vấn đề về năng lượng lực và tác dụng của chúng đối với chuyển động của hệ
thông cơ khí. Việc nghiên cứu bao gồm hai vấn đề có quan hệ với nhau là : Động
học và động lực học.
jTnTqTjTH&2

Động học nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động mà không quan tâm
đến nguyên nhân gây ra chúng như là lực và mô men. Sự thay đổi các khâu của
robot liên quan đến hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối cùng với sụ ràng
buộc của các khớp. những quan hệ động học đó là trọng tâm của việc nghiên cứu
động học robot.
Bài toán động học được chia thanh hai dạng: bài toán động học thuận và
bàitoán động học ngược.
Bài toán động học thuận: từ các thông số vị trí, vận tốc gia tốc của khâu
16
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
dẫn,yêu cầu lập trình tính toán vị trí hướng vận tốc và gia tốc của điểm tác động
cuối cùng cũng như khâu trung gian bất kỳ.
Bài toán động học ngược: từ yêu cầu về vị trí và hướng, vận tốc và gia tốc
của khâu tác động cuối, tìm ra thông số tương ứng của các khâu trước đó .
(bài toán động học ngược).
jTnTqTlTH&D*22
Động lực học nghiên cứu về quan hệ giữa các lực tác dụng vào cơ cấu (lực,
trọng tải và ma sát ) và chuyển động của cơ cấu. Động lực học robot vẫn là vấn
đề rất phức tạp và hiện nay đang là đối tượng nghiên cứu.
jTnTrT(DFOF\F
Robot có thể được phân loại theo nhiều tiêu chuẩn, số bậc tự do, cấu trúc
động học, hệ thống truyền động, dạng hình học của chi tiết gia công, các đặc
tính chuyển động…
jTnTrTjT (DFO•FC\e2*IF
Sơ đồ phân loại robot thường dùng là theo số bậc tự do. Một cách lý
tưởng, cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để xử lý đối tượng một cách tự do
trong không gian ba chiều. Theo quan điểm này, robot đa năng có 6 bậc tự do,
robot dư có hơn 6 bậc tự do và robot thiếu có ít hơn 6 bậc tự do. Robot dư có
thêm một bậc tự do để di chuyển qua các chướng ngại vật hoặc vận hành trong

các không gian hẹp. Mặt khác đối với một số ứng dụng đặc biệt, chẳng hạn lắp
giáp các chi tiết trên mặt phẳng, robot bốn bậc tự do là đủ.
17
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Tay máy REVOLUTE Tay máy POLAR
Tay máy CYLINDRICAL Tay máy CARTERSIAL
Tay máy SCARA
18
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Mô hình một số tay máy thông dụng
jTnTrTlT(DFO•F2|"}23H&2
Robot được gọi là robot nối tiếp nếu cấu trúc động học có dạng chuỗi
vòng hở, robot song song nếu có chuỗi vòng kín, và robot lai nếu có cả chuỗi
vòng hở và vòng kín.
* Phân loại theo hệ thống truyền động
Có ba hệ truyền động phổ biến là điện, thuỷ lực, và khí nén được dùng
cho robot. Hầu hết các cơ cấu chấp hành đều sử dụng động cơ bước hoặc động
cơ trợ động DC, do chúng tương đối dŒ điều khiển. Tuy nhiên, khi cần tốc độ
cao và khả năng mang tải cao, thường dùng truyền động thuỷ lực hoặc khí nén.
Nhược điểm của truyền động thuỷ lực là khả năng rò rỉ dầu. Ngoài ra, truyền
động khí nén có tính linh hoạt khá cao. Mặc dù truyền động khí nén sạch và
nhanh nhưng khó điều khiển do không khí là lưu chất nén được .
Trong cơ cấu nối tiếp, nói chung một bộ tác động được dùng để điều
khiển chuyển động của từng khớp. Nếu từng khâu chuyển động được truyền
động bằng một bộ tác động lắp trên khâu trước đó thông qua hộp giảm tốc, sự
dịch chuyển của khâu này về mặt động học là độc lập với khâu khác, đây là cơ
cấu chấp hành nối tiếp qui ước. Mặt khác, nếu mỗi khớp được truyền động trực
tiếp bằng bộ tác động không có hộp giảm tốc, cơ cấu đó được gọi là cơ cấu chấp

hành truyền động trực tiếp.
Việc dùng hộp giảm tốc cho phép sử dụng động cơ nhỏ hơn, do đó làm
giảm quán tính của cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên, độ lệch khớp của các bánh
răng trong hộp giảm tốc có thể gây ra sai số vi trí ở bộ phận tác động. Kỹ thuật
truyền động trực tiếp khắc phục được vấn đề bánh răng và có thể tăng tốc độ cho
cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên, các động cơ truyền động trực tiếp tương đối lớn và
nặng. Do đó, chúng thường được dùng để truyền động khớp thứ nhất của cơ cấu
chấp hành, động cơ được lắp ở đế. Nói chung, động cơ cũng có thể được nắp ở
đế để truyền động khớp thứ hai hoặc khớp thứ ba thông qua đai kim loại hoặc
khâu thanh đẩy.
Một số cơ cấu chấp hành sử dụng bộ các bánh răng, xích và đĩa xích để
truyền động các khớp. Khi sử dụng hệ thống truyền động này cho cơ cấu chấp
hành qua nhiều khớp, độ dịch chuyển của khớp sẽ phụ thuộc lẫn nhau. Các cơ
cấu chấp hành kiểu đó được gọi là vòng kín.
€Phân loại theo dạng hình học không gian làm việc:
19
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Không gian làm việc của cơ cấu chấp hành được xác định là thể tích
không gian đầu tác động có thể với tới. Nói chung, thường sử dụng hai định
nghĩa về không gian làm việc. Thứ nhất là không gian có thể với tới, thể tích
không gian trong đó cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm theo ít nhất là một
chiều. Thứ hai là không gian linh hoạt, thể tích không gian trong đó cơ cấu tác
động có thể với tới từng điểm theo mọi chiều có thể. Không gian linh hoạt là
một phần của không gian có thể với tới.
Mặc dù đây không phải là điều kiện cần, nhưng nhiều cơ cấu chấp hành
nối tiếp được thiết kế với ba khâu đầu dài hơn các khâu còn lại. Do đó ba khâu
này được dùng chủ yếu để thao tác vị trí, các khâu còn lại được dùng để điều
khiển hướng của đầu tác động. Vì lý do đó, ba khâu đầu được gọi là cánh tay,
các khâu còn lại được gọi là cổ tay. Trừ các cơ cấu chấp hành với số bậc tự do

lớn hơn 6, cánh tay thường có ba bậc tự do, cổ tay có 1-3 bậc tự do. Hơn nữa, bộ
cổ tay thường được thiết kế với các trục khớp cắt nhau tại một điểm chung được
gọi là tâm cổ tay. Bộ cánh tay có thể có nhiều kiểu cấu trúc động học, tạo ra các
biên làm việc khác nhau, được gọi là vùng không gian làm việc. Không gian do
nhà sản xuất robot cung cấp thường được xác định theo vùng không gian làm
việc. Tay máy được gọi là robot trụ nếu khớp thứ nhất hoặc khớp thứ hai của
robot Decartes được thay bằng khớp quay.
Tay máy được gọi là robot cầu nếu hai khớp đầu là khớp quay khác nhau
và khớp thứ ba là khớp lăng trụ (tay máy SCARA). Vị trí tâm cổ tay của robot
cầu là tập hợp các tọa độ cầu liên quan với ba biến khớp nối. Do đó không gian
làm việc robot cầu được giới hạn theo hai khối cầu đồng tâm.
Tay máy được gọi là robot quay nếu cả ba khớp đều là khớp quay. Không
gian làm việc của robot này rất phức tạp thường có tiết diện hình xuyến. Nhiều
robot công nghiệp là loại robot quay(tay máy REVOLUTE).
:F\F=F&=F&!•D1
Vào đầu thập niên 80, Reymond Clavel (giáo sư của EPFL) đã nảy ra một
ý tưởng độc đáo là sử dụng các hình bình hành để tạo ra một robot song song có
ba bậc tự do tịnh tiến và một bậc tự do quay. Không như một số bài báo đã xuất
bản đâu đó, ý tưởng này hoàn toàn là của Reymond Clavel chứ không phải bắt
chước từ cơ cấu song song đã được Willard L. Polard đăng ký bản quyền vào
năm 1942, và vào thời điểm đó Willard L. Polard cũng không hề biết đến giáo
sư Clavel. Robot song song Delta đã được đánh giá là một trong những thiết kế
robot song song thành công nhất với hàng trăm robot đang hoạt động trên toàn
20
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
thế giới. Vào năm 1999, tiến sĩ Clavel đã nhận được giải thưởng Golden Robot
Award do hiệp hội ABB Flexible Automation trao tặng để tôn vinh những hoạt
động sáng tạo của ông về robot song song Delta.
Sơ đồ robot delta.

dPd2{1F\F!•D1
Ý tưởng căn bản của thiết kế robot Delta là sử dụng các hình bình hành.
Các hình bình hành cho phép khâu ra duy trì một hướng cố định tương ứng với
khâu vào. Việc sử dụng ba hình bình hành hoàn toàn giữ chặt hướng của bệ di
động duy trì chỉ với ba bậc tự do tịnh tiến. Các khâu vào của 3 hình bình hành
được gắn với các cánh tay quay bằng các khớp quay. Các khớp quay của tay
quay được truyền động theo 2 cách: hoặc sử dụng các động cơ quay (DC hoặc
AC servo), hoặc bằng các bộ tác động tuyến tính. Cuối cùng, cánh tay thứ tư
được dùng để chuyển truyền chuyển động quay từ đế đến khâu tác động cuối
gắn trên tấm dịch chuyển.
Việc sử dụng các bộ tác động gắn trên đế và các khâu có khối lượng nhẹ
cho phép tấm dịch chuyển đạt được gia tốc lên đến 50 G trong phòng thí nghiệm
và 12 G trong các ứng dụng công nghiệp. chính điều này làm cho robot Delta trở
thành một ứng cử viên sáng giá cho các hoạt động nâng – đặt đối với các đối
tượng nhẹ (từ 10 gr đến 1 kg). Vùng làm việc của nó là sự giao nhau của 3
đường gờ tròn, nhưng robot Delta trên thị trường có thể hoạt động trong vùng
làm việc hình trụ với đường kính là 1 m và có chiếu cao là 0,2 m.
21
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Robot Delta
Demaurex cũng cấp giấy phép cho một công ty Nhật Bản có tên là Hitachi Seiki
được quyền sản xuất robot Delta có kích cỡ nhỏ dùng để đóng gói (sản phẩm có
tên là DELTA) và khoan (PA35). Trên thực tế, Hitachi Seiki là nhà đại diện của
Demaurex tại Nhật Bản.
Robot IRB 340 FlexPicker
ABB Flexible Automation đã giới thiệu các robot Delta của mình vào
năm 1999, đó là robot có tên IRB 340 FlaxPicker. 3 phân khúc thị trường mà họ
hướng tới là các ngành công nghiệp thực phẩm, dược và điện tử. PlexPicker
được trang bị hệ thống chân không được tích hợp luôn vào robot, có khả năng

nhấc và nhà nhanh đối với các vật có khối lượng đến 1 kg. Robot được dẫn
22
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
hướng bởi một thiết bị quan sát của hãng Cognex và được trang bị bộ điều khiển
ABB S4C. Robot cũng có thể được trang bị một bộ điều khiển chuyển động và
hệ thống quan sát của hãng Adept Technology. Vận tốc mà robot này đạt được
khoảng 10 m/s và 3,6 deg/s (khoảng 150 lần nhấc trong một phút), và gia tốc lên
đến 100 m/s
2
và 1,2 rad/s
2
. Robot này có tới 2 phiên bản.
Sau hơn 15 năm giữ vai trò chủ đạo trên thị trường, Demaurex đột nhiên
phải đối diện với quyết định của ABB gia nhập vào thị trường robot loại này.
Demaurex đã thay đổi dòng sản phẩm từ các robot Delta rời rạc chuyển sang sản
xuất các cụm robot hoàn chỉnh. Gần đây, 3 robot Delta khác cũng đã được SIG
Pack Systems giới thiệu là C23, C33 (do Demaurex sản xuất) và CE33 (do SIG
Pack Systems sản xuất).
C33 và CE33
jTqT•Gh&dPd
Từ đề tài đưa ra kết hợp với thực tiŒn tìm hiểu tài liệu về Robot song song .
Yêu cầu của đề tài là thiết kế ra Robot khắc chữ song song 2D. Khắc được chữ
chúng phải thay đổi được tọa độ của dao gia công trong một mặt phẳng. Chúng ta
chọn cơ cấu khớp bản lề .
W_‚;ƒ8)?ƒ^„…
^x)†^<‡^)<
23
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

lTjTmF%3H&22{1:F\FT
Thực hiện đươc 2 bài toán động học thuận và động học ngược của robot.
Bài toán thuận có nhiệm vụ xác định thế (vị trí và hướng ) của phần công tác
khi biết giá trị các biến khớp của robot trong hệ tọa độ oxy.
Bài toán ngược nhằm xác định giá trị các biến khớp để đảm bảo quy luật chuyển
động của phần công tác của robot trong hệ toa độ oxy.
Bài toán động học ngược của robot song song hai bậc tự do:
Bài toán này chúng ta phải tìm được giá trị của biến khớp (bi) khi biết được vị
trí của các khớp và độ dài các chân và vị trí của robot so với gốc tọa độ. Ma trận
quay R , véc tơ chuyển vị P( , )
Ta có :
d1 = d2 = 25cm;
c1 = c2 = 5cm ;
a1 = a2 = 20 ( cm ) ;
a1a3 = a2a4 = 50(cm) ;
- Ma trận quay :
R = ;
= = ;
24
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
= ; = ; = ; = ;
Ta có : = = + R *
P = ;
= =
Px = b1 d1*cos
Py = a1 d1*sin c1
Ta có: d1 = ( Py c1 – a1 ) / (sin ) ;
Vậy : b1 = Px d1 * cos = Px (Py c1 – a1)* cos /( sin ) ;
b1 = Px (Py c1 – a1)/tan ;

Ta có : = ; = ; = ; =
Với:
= = + R *
Ta có:
P = ;
= + =
=
25