thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển tự động cánh tay robot 3 bậc tự do bằng PLC

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 1




















Hưng Yên, ngày tháng năm 2011
Giảng viên hướng dẫn


GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 1
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 2




















Hưng Yên, ngày tháng năm 2011
Giảng viên hướng dẫn


GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 2
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN




















Hưng Yên, ngày tháng năm 2011
Giảng viên phản biện


GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 3
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 8
Sinh viên thực hiện 8
CHƯƠNG 1 9
Ý NGHĨA CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP TRONG 9
TỰ ĐỘNG HÓA 9
1.1 Sự ra đời của robot công nghiệp 9
1.2 Các lĩnh vực ứng dụng robot công nghiệp 10
2.2 Thiết kế mô hình cánh tay robot 15
2.2.1 Khớp robot 16
2.2.2 Cổ tay robot 17
2.3.1 Phương trình động học thuận robot 20
3.2.4 Thông số kĩ thuật của động cơ bước 33
3.3.1 Xi lanh hai chiều 34
3.3.2 Van kiểu 5/2 35
CHƯƠNG 5 49
CẢM BIẾN TRONG ROBOT 49
5.2 Công tắc hành trình điện cơ 52
5.3.2 Cảm biến sử dụng trong đề tài 55
5.3.3 Mạch cảm biến 55
6.2.1 Modul mạch điều khiển động cơ bước 63
6.2.2 Thiết kế modul điều khiển khí nén 75
7.1 Kết quả thực hiện đồ án 78
7.2 Hướng khắc phục và hướng phát triển của đồ án 78
7.3 Những thuận lợi và khó khăn 79
PHỤ LỤC 1 81
PHỤ LỤC 2 82

GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 4
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 5
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
LỜI NÓI ĐẦU
Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước vấn đề tự động hóa sản
xuất có vai trò đặc biệt quan trọng. Như ta đã biết, ngày nay robot công nghiệp được
ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp đòi hỏi sự tự động trong quá trình sản
xuất.
Mục tiêu ứng dụng robot trong công nghiệp là nhằm nâng cao năng suất dây
chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh sản phẩm, đồng thời
cải thiện điều kiện lao động.
Ở nước ngoài, robot công nghiệp đã được nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất
từ rất sớm. Chiếc robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên vào năm 1961 tại
Hoa Kỳ.
Ở nước ta, giai đoạn trước năm 1990 hầu như chưa du nhập về kỹ thuật robot,
thậm chí còn chưa nhận được nhiều thông tin kỹ thuật từ lĩnh vực này. Cho đến nay, ở
nước ta đã có rất nhiều cơ sở thiết kế, chế tạo và lắp ráp được robot. Trung tâm Nghiên
cứu ứng dụng và Dịch vụ khoa học kỹ thuật cho biết, đến năm 2010, TP Hồ Chí Minh
sẽ đưa ra thị trường robot công nghiệp hoàn chỉnh, có khả năng cạnh tranh với các sản
phẩm ngoại nhập. Hơn nữa, mấy năm trở lại đây Việt Nam luôn đạt giải cao trong các
cuộc thi robocon Châu Á – Thái Bình Dương. Những chiến thắng này đã thổi một
luồng sinh khí mới vào phong trào sáng tạo robot của sinh viên. Hàng loạt robot mới ra
đời từ những cuộc thi này.

Sự ra đời của hệ thống điều khiển PLC đã thay thế được hệ thống điều khiển cồng
kềnh bằng rơle và các dây nối. Với nhiều ưu điểm nổi bật, ngày nay hệ thống điều
khiển bằng PLC đã trở nên ưu việt và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của
cuộc sống. Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng PLC là rất cần thiết.
Ở nhiều trường đại học, cao đẳng và dạy học kỹ thuật trong đó có trường ta, đã
bắt đầu giảng dạy về robot công nghiệp. Với sở thích tìm hiểu về robot, mong muốn
GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 6
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
ứng dụng lý thuyết đã được học vào thực tiễn, cũng như thúc đẩy phong trào nghiên
cứu, chế tạo robot của các bạn sinh viên trong và ngoài trường, nhóm chúng em đã
thực hiện đề tài “thiết kế, chế tạo mô hình điều khiển tự động cánh tay robot 3 bậc tự
do bằng PLC”.
Đề tài chúng em gồm những nội dung chính sau:
Chương 1: Ý nghĩa robot công nghiệp trong tự động hóa.
Chương 2: Xây dựng mô hình động học robot 3 bậc tự do.
Chương 3: Lựa chọn nguồn dẫn động cho robot.
Chương 4: Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển.
Chương 5 : Cảm biến trong robot.
Chương 6: Thiết kế, chế tạo mô hình và hệ thống điều khiển robot.
Chương 7: Kết luận và kiến nghị
Do có sự hạn chế về thời gian cũng như kiến thức và kinh nghiệm nên chúng em
không thể tránh khỏi những sai sót.
Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn sinh viên
Khoa Điện – Điện tử về đề tài này.

Hưng yên, ngày tháng 06 năm 2011
GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên

SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 7
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
LỜI CẢM ƠN
Đồ án được hoàn thành như là một bước ngoặt báo hiệu kết thúc thời gian học tập
tại trường ĐHSP Kỹ Thuật Hưng Yên và cũng đồng thời báo hiệu cho sinh viên k5
bước sang một bước ngoặt mới trong cuộc đời mình: Đó chính là dùng tri thức trước
tiên là để nuôi bản thân mình, điều đó đã góp một phần nhỏ của mình vào công cuộc
xây dựng đất nước ngày càng phát triển hơn với nền công nghiệp hóa hiện đại hóa.
Để hoàn thành được đồ án này, nếu không có sự đóng góp từ nhiều phía chắc
chắn chúng em khó mà đạt được những kết quả như vậy.Đó là sự đóng góp tích cực về
vật chất, sự ủng hộ động viên tinh thần về phía gia đình – đã hình thành một chỗ dựa
vững chắc. Và hơn hết là sự quan tâm, tận tình giúp đỡ của các thầy cô trong khoa,các
thầy cô bộ môn và đặc biệt là sự hướng dẫn nhiệt tình của cô Lê Thị Minh Tâm và
thầy Nguyễn Văn Diên đã giúp chúng em hoàn thành đề tài này.
Không chỉ có vậy mà qua đồ án tốt nghiệp này chúng em đã được học hỏi rất
nhiều những kiến thức từ các thầy cô, từ những kiến thức ở trường lớp đến phong thái
làm việc hay các cách xử trí tình huống Các thầy cô luôn động viên khuyến khích
chúng em về mọi mặt giúp chúng em có tinh thần thoải mái để làm việc đạt hiệu quả .
Chính vì vậy, chúng em muốn gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới các
thầy cô đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này!
Hưng Yên, Ngày Tháng 06 Năm 2011
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Thanh Lâm
Nguyễn Đình Thắng
Kim Thị Vy

GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 8

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
CHƯƠNG 1
Ý NGHĨA CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP TRONG
TỰ ĐỘNG HÓA

Theo ước tính của Liên đoàn robot quốc tế (IRF), hiện nay trên thế giới có
khoảng 50% số lượng robot được sử dụng tại châu Á (trong đó Nhật Bản chiếm 30%),
32% ở châu Âu, 16% ở Bắc Mỹ, 1% ở Australia và 1% ở châu Phi.
Trong đó, robot được sử dụng trong các ngành chế tạo ôtô chiếm 33,2%, ngành
unseecified chiếm 25%, ngành điện-điện tử 9,9%, ngành hoá chất + cao su + nhựa
chiếm 9,4%, ngành chế tạo máy 4,3%, ngành điện tử viễn thông chiếm 2,5%, sản xuất
metal chiếm 3,7%, ngành sản xuất gỗ 2,5%, và các ngành khác là 10,3%.
Theo dự báo ,trên thế giới trong vòng 20 năm nữa mỗi người sẽ có nhu cầu sử
dụng 1 robot như nhu cầu 1 máy tính PC hiện nay và robot sẽ là tâm điểm của một
cuộc cách mạng công nghệ lớn sau internet.Với xu thế này cùng với các ứng dụng
truyền thông khác của robot trong công nghiệp ,y tế,giáo dục đào tạo ,giải trí,và đặc
biệt trong an ninh quốc phòng thì thị trường robot và các dịch vụ ăn theo robot sẽ vô
cùng lớn.
Để hiểu biết hơn về tầm quan trọng của robot ngày nay,chúng em đi nghiên cứu
về ý nghĩa của robot trong tự động hóa ở chương 1. Chương 1 bao gồm 2 nội dung đó
là: sự ra đời và ứng dụng của robot trong tự động hóa.
1.1 Sự ra đời của robot công nghiệp
Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robata” có nghĩa là công việc
tạp dịch trong vở kịch Rossum’s universal robots của Karel Capek, vào năm 1921.
Trong vở kịch này, ông đã mô tả một “nhân vật” có thể ứng xử như con người, có khả
năng làm việc khỏe gấp đôi con người, nhưng không có cảm tính, cảm giác như con
người. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuât về những cơ cấu,
GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên

SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 9
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người. Sự phát triển của lĩnh vực
robot bắt đầu từ 40 năm sau đó.
Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot Versatran của
công ty AMF, Mỹ dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô. Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt
đầy sản xuất robot công nghiệp: Anh – 1967, Thụy Điển và Nhật – 1968 theo bản
quyền của Mỹ, CHLB Đức – 1971, Pháp – 1972, ở Ý – 1973
Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không
ngừng phát triển. Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận
biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực tin học –
điện tử đã tạo ra cá thế hệ robot với nhiều tính năng đặc biệt, số lượng robot ngày càng
gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng
trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.
Một vài số liệu về số lượng robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp phát
triển như sau:
Nước sản
xuất
Năm 1990 Năm 1994 Năm 1998
Nhật 60118 29756 67000
Mỹ 4327 7634 11100
Đức 58445 5125 8600
Ý 2500 2408 4000
Mỹ là nước đầu tiên phát minh ra robot, nhưng nước phát triển cao nhất lĩnh vực
nghiên cứu chế tạo và sử dụng robot lại là Nhật.
1.2 Các lĩnh vực ứng dụng robot công nghiệp
Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới
góc độ thay thế sức người. Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại , năng

suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt.
Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây
chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và giảm khẳ năng cạnh tranh
của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Đạt được các mục tiêu trên là nhờ
GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 10
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
vào những khẳ năng to lớn của robot như: Làm việc không biết mệt mỏi, rất dễ dàng
chuyển nghề một cách thành thạo, chịu được phóng xạ với môi trường làm việc độc
hại, nhiệt độ cao, “cảm thấy” được cả từ trường, và “nghe” được cả siêu âm Robot
dùng để thay thế con người trong các trường hợp trên hoặc thực hiện các công việc tuy
không nặng nhọc nhưng đơn điệu, dễ gây mệt mỏi ,nhầm lẫn.
Trong nghành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ
hàn, cắt kim loại, sơn, phun, phủ kim loại,tháo lắp vận chuyển phôi,lắp rắp sản phẩm
Ngày nay, đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC
với robot công nghiệp,các dây chuyền đó đạt mức tự động hóa cao, mức độ linh hoạt
cao Ở đây các máy robot công nghiệp được điều khiển bằng cùng một hệ thống
chương trình.
Ngoài các phân xưởng nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc
khai thác thềm lục địa và đại dương, trong y học, sử dụng trong quốc phòng, trong
chinh phục vũ trụ, trong công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội
Rõ ràng khẳ năng của robot trong một số điều kiện vượt hơn khẳ năng của con
người, do đó nó là phương tiện hữu hiệu để tự động hóa, nâng cao năng suất lao động,
giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc và độc hại.Nhược điểm lớn nhất
của robot là chưa linh hoạt như con người. Trong dây chuyền sản xuất tự động, nếu có
một robot bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền, cho nên robot vẫn
luôn hoạt động dưới sự giám sát của con người.
Robot được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp khai thác. Có thể

phân loại ứng dụng của robot làm các lĩnh vực chính: Vận chuyển, bốc dỡ vật liệu, gia
công, lắp ráp, thăm dò và các ứng dụng khác.
Hiệp hội robot nước Anh(BRA – British Robot Association ) đã cung cấp số
liệu về tỷ lệ phân bố về loại công nghiệp dược dùng robot.
GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 11
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
Hình 1.1: Hình vẽ tỷ lệ phân bố về loại công việc được dùng robot
Một số hình ảnh ứng dụng của robot công nghiệp
Hình 1.2: Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi
GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 12
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
Hình 1.3 : Robot phun thuốc sinh học
Hình 1.4 :Robot trong ngành đúc và rèn
GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 13
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
Hình 1.5 : Robot hàn đường thẳng trong mối hàn góc
Bên cạnh sự hiểu biết và nhận thức được ý nghĩa và tầm quan trọng của nghành
chế tạo robot hiện nay kết hợp với sự say mê và yêu thích bộ môn robot công nghiệp
chúng em đã cùng nhau nghiên cứu đề tài “ thiết kế và chế tạo cánh tay máy robot 3
bậc tự do dùng PLC”.Vậy cấu trúc ,hoạt động của tay máy này như thế nào? Độ linh
hoạt ra sao ? Chúng em sẽ đi xây dựng mô hình cánh tay robot ở chương tiếp theo.

GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 14
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
CHƯƠNG 2
XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO
Về mặt truyền động và điều khiển robot được cấu tạo từ những khối cấu trúc cơ
khí hoạt động nhờ các cơ cấu tác động. Về mặt kết cấu robot được chế tạo rất khác
biệt nhau nhưng chúng được xây dựng từ những thành phần cơ bản như tay máy,
nguồn cung cấp, bộ điều khiển. Trong đó tay máy là tập hợp các bộ phận và cơ cấu cơ
khí được thiết kế và hình thành các khối có chuyển động tương đối với nhau. Vì vậy
trong chương2, chúng em sẽ đi xây dựng mô hình cánh tay của robot 3 bậc tự do.
Chương này gồm những nội dung sau: Ứng dụng của robot trong đề tài, thiết kế mô
hình cánh tay robot, xây dựng phương trình động học cho robot 3 bậc tự do.
2.1 Ứng dụng của robot 3 bậc tự do sử dụng trong đề tài
Robot có ưu điểm quan trọng nhất là tạo nên khẳ năng linh hoạt hóa sản xuất.
Nó ngày càng thay thế nhiều lao động và và ngày càng trở lên chuyên dụng. Trong các
nhà máy sản xuất, công đoạn lắp rắp thường chiếm tỉ lệ cao so với tổng thời gian sản
xuất trên toàn bộ dây chuyền. Công việc lắp rắp đó lại đòi hỏi phải rất cẩn thận không
được nhầm lẫn thao tác nhẹ nhàng chính xác và phải làm việc căng thẳng suốt ngày.
Vì vậy khi nhận đề tài “thiết kế chế tạo mô hình điều khiển tự động cánh tay
robot 3 bậc tự do” chúng em đưa ra các ứng dụng cụ thể của robot này như sau: Robot
3 bậc tự do đảm nhiệm vai trò gắp phôi cho máy tiện đứng
2.2 Thiết kế mô hình cánh tay robot
Hệ thống chuyển động robot công nghiệp đảm bảo cho robot có thể thực hiện
các nhiệm vụ trong không gian làm việc bao gồm các chuyển động của thân, cánh tay,
cổ tay giữa các vị trí hoặc chuyển động theo một quỹ đạo đặt trước. Bộ phận cơ bản
GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 15

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
của robot là: Cánh tay (gồm một số thanh nối cứng liên kết vớ nhau bởi các khớp
mềm); thân (bệ); cổ tay; bàn tay.
Hình 2.1: Các bộ phận của robot
2.2.1 Khớp robot
Khớp là khâu liên kết hai thanh nối có chức năng truyền chuyển động để thực
hiện di chuyển của robot.
Khớp robot gồm hai loại: khớp tịnh tiến và khớp quay.
Hình 2.2: Dạng khớp của robot
Với yêu cầu của đề tài và ứng dụng của robot,để robot hoạt động một cách linh
hoạt và chính xác chúng em thiết kế robot gồm 3 khâu với các đặc tính như sau:
- Đặc tính kĩ thuật :
+Số trục: 3
- Kích thước hình học:
+ Chiều cao tổng: 550 cm
GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 16
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
+Kích thước bệ:63x47x36
+Trọng lượng: 20 kg
- Thông số chuyển động :
+ Trục 1: Khớp quay ,Phạm vi làm việc:0-2π
+ Trục 2 : Khớp quay,Phạm vi làm việc : 0-π/2
+ Trục 3 : Khâu tịnh tiến
2.2.2 Cổ tay robot
Cổ tay robot có nhiệm vụ định hướng chính xác bàn tay robot (cơ cấu tác động

cuối) trong không gian làm việc. Thông thường cổ tay robot có 3 bậc tự do tương ứng
với 3 chuyển động có cấu tạo điển hình như hình 2.3: Cổ tay xoay xung quanh trục
thanh nối cuối cùng (Roll), cổ tay xoay xung quanh trục nằm ngang tạo chuyển động
lên xuống của bàn tay (Pitch) quay xung quanh trục thẳng đứng tạo chuyển động lắc
phải, trái của bàn tay (Yaw).
Hình 2.3: Cơ cấu cổ tay 3 bậc tự do
2.2.3 Bàn tay robot (cơ cấu tác động cuối)
Bàn tay được gắn lên cổ tay robot đảm bảo cho robot thực hiện các nhiệm vụ
khác nhau trong không gian làm việc. Cơ cấu bàn tay có hai dạng khác nhau tùy theo
chức năng của robot trong dây chuyền sản xuất: cơ cấu tay kẹp và cơ cấu dụng cụ (Các
GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 17
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
dụng cụ là: mũi hàn, dụng cụ cắt đá, mài đá, một bình sơn, cơ cấu hàn điểm, hàn hồ
quang )
2.2.4 Mô hình robot được thiết kế
Hình 2.4 : Mô hình cánh tay robot 3 bậc tự do
2.3 Xây dựng phương trình động học robot 3 bậc tự do
Giả sử một robot có cấu hình đã biết: độ dài các thanh nối và góc quay của các
khớp hoặc độ dịch chuyển các khớp tịnh tiến. Bài toán động học thuân là tính toán vị
trí và hướng của cánh tay robot tương ứng với cấu hình robot xác định. Ngược lại, bài
toán động học ngược sẽ tính toán các góc quay của các khớp hoặc độ dịch chuyển của
GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 18
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
khớp tịnh tiến tương ứng với vị trí và hướng của tay robot. Nghĩa là, sẽ tính toán các

giá trị biến khớp cần thiết để đặt tay robot ở vị trí và hướng mong muốn.
GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 19
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
2.3.1 Phương trình động học thuận robot
• Xác định các hệ tọa độ:
Trường hợp này khác trường hợp 2 ở hệ tọa độ o
0
. Lúc này ta chọn hệ tọa độ O
0
như hình vẽ. Gốc O
1
được xem như là đã tịnh tiến O
0
dọc trụ Z
0
một đoạn là d
1
và
tương ứng với phép tịnh tiến T
P
(0,0,d
1
).
Hình 2.5: Thiết lập hệ toạ độ và các thông số cho robot.
GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 20
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
• Lập bảng thông số D-H:
Khâu
i
θ
i
α
a
i
d
i
Khớp
1
*
1
θ
90
0
0.265 0.5 R
2
*
2
θ
90
0
0.23 0 R
3 0 0 0 0.09 T
• Xác định các ma trận A
i

theo:












−
−
=
1000
cossin0
sinsincoscoscossin
cossinsincossincos
d
a
a
A
n
αα
θαθαθθ
θαθαθθ
=













−
−
1000
0
iii
iiiiiii
iiiiiii
dCS
SaSCCCS
CaSSCSC
αα
θαθαθθ
θαθαθθ
Ta có:













−
−
=
1000
0
111
1111111
1111111
1
dCS
SaSCCCS
CaSSCSC
A
αα
θαθαθθ
θαθαθθ














−
=
1000
010
0
0
1
1111
1111
d
SaCS
CaSC
θθθ
θθθ
(Với
°=
90
1
α
, a
1
= 0.265, d
1
=0.5, )













−
−
=
1000
0
222
2222222
2222222
2
dCS
SaSCCCS
CaSSCSC
A
αα
θαθαθθ
θαθαθθ













−
=
1000
0010
0
0
2222
2222
θθθ
θθθ
SaCS
CaSC
(Với
°=
90
2
α
, a
2=
0.23, d

2
= 0, )












−
−
=
1000
0
333
3333333
3333333
3
dCS
SaSCCCS
CaSSCSC
A
αα
θαθαθθ
θαθαθθ













=
1000
100
0010
0001
3
d
(Với
03
=
α
, a
3
=0, d
3
= 0.09,
0
3

=
α
)
GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 21
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
Xác định các ma trận
3
T
i
:
==
33
2
AT












1000

100
0010
001
3
3
d
a
==
323
1
AAT












+−
+
1000
0010
0
0
222322

222322
θθθθ
θθθθ
SaCdCS
CaSdSC
3
1
13213
0
TAAAAT
==
=












++−
++−
++
1000
0
)(

)(
1222322
112223121121
112223121121
dSaCdCS
SaCaSdSSSCCS
CaCaSdCSCSCC
θθθθ
θθθθθθθθθ
θθθθθθθθθ
• Thiết lập phương trình động học:

3
0
1000
T
pasn
pasn
pasn
zzzz
yyyy
xxxx
=













⇒
Hệ phương trình động học robot là:
=
x
n
21
θθ
CC
,
=
y
n
21
θθ
CS
,
=
z
n
2
θ
S
=
x
s

1
θ
S

=
y
s
1
θ
C
−

=
z
s
0
=
x
a
21
θθ
SC

=
y
a
21
θθ
SS

=
z
a
2
θ
C
−
GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 22
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
=
x
p
1122231
)(
θθθθ
CaCaSdC
++
=
y
p
1122231
)(
θθθθ
SaCaSdS
++
,
=

z
p
12223
dSaCd
++
θθ
Với các giá trị:d
1
= 0.5m , d
3
= 0.09m , a
1
= 0.265m , a
2
= 0.23m
Thay các số liệu vào hệ phương trình động học trên ta được:
=
x
n
21
θθ
CC
,
=
y
n
21
θθ
CS
,

=
z
n
2
θ
S
,

=
x
s
1
θ
S
,
=
y
s
1
θ
C
−
,
=
z
s
0
=
x
a

21
θθ
SC
,
=
y
a
21
θθ
SS
,
=
z
a
2
θ
C
−
=
x
p
1221
265.0)23.009.0(
θθθθ
CCSC
++
=
y
p
1221

265.0)23.009.0(
θθθθ
SCSS
++
,
=
z
p
5.023.009.0
22
++
θθ
SC
2.3.2 Xác định quỹ đạo chuyển động của robot trong không gian
Do có 3 khớp quay, và bị giới hạn bởi 2 công tắc hành trình ở 2 khớp 2 và 3. nên
không gian làm việc của robot là nửa dưới của hình cầu.
Hình 2.6 : Không gian làm việc của robot
2.3.3 Phương trình động học ngược
Do
n
i
ni
TTAAA
=
−−−

1
1
1
2

1
nên:
3
1
3
1
1
TTA
=
−
(1)
GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 23
TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP
3
2
3
1
1
1
2
. TTAA
=
−−
(2)
Sử dụng các biểu thức tương ứng ở phần 2.3.2 (phương trình động học thuận
robot). Ta có:
Khai triển phương trình (1):

Vế trái của phương trình (1):
























−
=
−
1000
.

1
00
0100
00
.
11111
11
11
3
1
1
zzzz
yyyy
xxxx
pasn
pasn
pasn
dsaca
CS
SC
TA
θθ
θθ
















++++++++
−−−−
++++
=
+
1
11111111111111111111
11111111
11111111
zyxzyxzyxyyx
yxyxyxyx
zzzz
yxyxyxyx
pdpsapcaadasaacasdssascandnsanca
pCpSaCaSsCsSnCnS
pasn
pSpCaSaCsSsCnSnC
Vế phải của phương trình (1):
==
323
1
AAT













+−
+
1000
0010
0
0
222322
222322
θθθθ
θθθθ
SaCdCS
CaSdSC
So sánh các phần tử ở hàng 3, cột 1 của 2 vế, ta có:
)(0
11
1
1
11

x
y
x
y
yx
n
n
arctgtg
n
n
C
S
nCnS
=⇒==⇒=−
θ
θ
(3)
Khai triển phương trình (2):
Vế trái của phương trình (2):

3
1
1
2222
22
3
1
1
1
2

10
0022
0100
00
. TA
SaCa
cs
SC
TAA
−−−












−
=
θθ
θθ

GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 24

TRƯỜNG ĐHSPKT HƯNG YÊN
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT
NGHIỆP













=
)()()()(
)()()()(
)()()()(
)()()()(
24242424
23232323
22222222
21212121
pfafsfnf
pfafsfnf
pfafsfnf
pfafsfnf
Trong đó ký hiệu rút gọn:

zyxzyx
zyx
yx
ndnsancansansnccaf
ncnsncsf
ncnsf
zSySxCCf
1111122112224
211223
1122
211221
)(
)(
.) (
+++++=
−+=
−=
++=
θθθθ
và x, y, z trong các ký hiệu đó tương ứng là các vecto thành phần n, s, a, p.
Vế phải của phương trình (2):

==
33
2
AT













1000
3100
0010
001
3
d
a
So sánh các phần tử ở hàng 1 cột 3của 2 vế ta có:
2
11
2
2
2112

0.) (
θ
θ
θ
θθθθ
tg
n

nsnC
C
S
nCnSnCS
z
yx
zyx
=
+
=⇒=−+
)

(
11
2
z
yx
n
nsnC
arctg
+
=⇒
θ
(4)
Từ (3), (4) ta có hệ phương trình động học ngược robot:
)(
1
x
y
n

n
arctg
=
θ

)

(
11
2
z
yx
n
nsnC
arctg
+
=⇒
θ
GVHD:Lê Thị Minh Tâm – Nguyễn Văn Diên
SVTH:Nguyễn Thị Thanh Lâm - Nguyễn Đình Thắng - Kim Thị Vy Page 25