nghiên cứu, thiết kế Robot 3 bậc tự do tọa độ cầu

MỤC LỤC
NG I
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Giới thiệu chung
Năm 1921 từ Robot xuất hiện lần đầu trong vở kịch “Rossum’s Universal
Robots” của nhà viết kịch viễn tưởng người Sec, Karel Capek. Trong vở kịch này ông
dùng từ “Robot” biến thể của từ gốc slavo “Rabota” để gọi một thiết bị lao công do
con người tạo ra (nhân vật Rossum).
Vào những năm 40 nhà văn viễn tưởng Nga, Issac Asimov, mô tả robot là một
chiếc máy tự động, mang diện mạo của con người được điều khiển bằng một hệ thần
kinh khả trình Positron, do chính con người lập trình. Asimov cũng đặt tên cho ngành
nghiên cứu về robot là robotics, trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản:
- Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người.
- Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra. Các quy
tắc này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất.
- Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhưng không được vi phạm hai
nguyên tắc trước.
Các nguyên tắc trên sau này trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot, từ sự hư
cấu của khoa học viễn tưởng robot dần dần được giới kĩ thuật hình dung như những
chiếc máy đặc biệt được con người phỏng tác theo cấu tạo và hoạt động của chính
mình, dùng để thay thế con người trong một số công việc nhất định. Để hoàn thành
nhiệm vụ đó robot cần có khả năng cảm nhận các thông số trạng thái của môi trường
và tiến hành các hoạt động tương tự con người.
Khả năng hoạt động của robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí gồm: cơ cấu
vận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc. Việc thiết kế và chế tạo hệ
thống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu cơ
khí. Chức năng cảm nhận gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trường và trạng thái
của bản thân hệ thống do các cảm biến và các thiết bị liên quan thực hiện, được gọi là
hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu, hay đơn giản là hệ thống cảm biến.
Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot có thể tự
điều chỉnh hành vi của mình và hoạt động đúng theo chức năng quy định trong điều

1
kiện môi trường thay đổi, trong robot phải có hệ thống điều khiển. Xây dựng các hệ
thống điều khiển thuộc phạm vi điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin.
Hình 1.1 Một số hình ảnh về robot công nghiệp
Robot sử dụng trong công nghiệp đòi hỏi tính linh hoạt, hoạt động nhanh, tinh vi
và chuẩn xác, có khả năng thay thế con người hoạt động trong môi trường nguy hiểm,
độc hại. Robot 3 bậc tự do tọa độ cầu là một robot linh hoạt, chính xác, có tính ứng
dụng trong các dây chuyền công nghiệp, có thể được phát triển để ứng dụng vào việc
lắp ráp các sản phẩm trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.
1.2 Các vấn đề đặt ra
Với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế Robot 3 bậc tự do tọa độ cầu” yêu cầu:
- Thiết kế và chế tạo hệ thống cơ khí chính xác, đảm bảo hệ thống hoạt động
chắc chắn, chạy êm, cơ cấu di chuyển tới vị trí mong muốn.
- Giải quyết bài toán động học và động lực học làm cơ sở để điều khiển robot.
- Sử dụng phần mềm matlab để tính toán, mô phỏng robot
- Thiết kế hệ thống điều khiển cho robot: mạch điều khiển, mạch công suất.
1.3 Phương pháp nghiên cứu
2
Trong một hệ thống cơ điện tử, phương pháp thiết kế có ý nghĩa rất quan trọng,
mang tính tổng quát, tiên phong. Để hoàn thành đề tài, nhiều kiến thức chuyên ngành
cơ điện tử và kiến thức liên ngành đã được áp dụng trong các hệ thống cơ khí, điện tử,
công nghệ thông tin, điều khiển hệ thống.
Đồ án sử dụng các phương pháp:
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các mô hình, hệ thống thực tế, thiết bị có sẵn
trên thực tế để lựa chọn phương pháp phù hợp.
- Sử dụng các công cụ thiết kế, mô hình hóa và mô phỏng trên máy tính để
đánh giá mô hình thiết kế, và đồng thời loại trừ các sai sót trước khi chế
tạo.
1.4 Phạm vi giới hạn của đề tài
Đây là một đề tài rộng và có nhiều ứng dụng trong thực tế, trên thị trường có rất

nhiều sản phẩm hoàn thiện về cả chất lượng và thẩm mỹ. Tuy nhiên với những giới
hạn về kiến thức, thời gian và kinh phí đề tài giới hạn với những tính năng sau:
- Kết cấu cơ khí:
Robot có ba bậc tự do
Robot có không gian làm việc: (x,y,z) = (475 mm, 475 mm, 715 mm)
- Độ phân giải điều khiển tại các khớp:
Khớp 1: 1 phút
Khớp 2: 1 phút
Khớp 3: 1 phút
- Robot có thể điều khiển theo góc và theo vị trí.
- Xây dựng bộ phần mềm giải quyết bài toán động học thuận, động học ngược,
bài toán thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp.
- Xây dựng phần mềm điều khiển robot trên máy tính bằng phương pháp dạy
học.
3
CHƯƠNG II
TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
2.1 Tổng quan về robot công nghiệp
Robot công nghiệp có thể được hiểu là máy tự động linh hoạt thay thế từng phần
hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả
năng thích nghi khác nhau. Là thiết bị có thể thao tác với nhiều bậc tự do, được điều
khiển nhờ các chương trình đã được lập trình sẵn và có khả năng lập trình lại được.
Robot có thể thực hiện nhiều công việc thay cho con người với độ chính xác và tin
cậy cao. Ngày nay với nhiều ưu điểm, robot công nghiệp đã trở thành thiết bị tự đông
hóa không thể thiếu cho các hệ thống sản xuất linh hoạt. Robot công nghiệp góp phần
nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và
khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện lao động. Đạt được các mục
tiêu trên là nhờ vào những khả năng to lớn của robot như: làm việc không mệt mỏi,
linh hoạt trong việc chuyển đổi các chức năng giữa các dây chuyền khác nhau, chịu
được phóng xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao, “Cảm nhận” được từ

trường và “Nghe” được cả siêu âm… Robot được dùng 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 ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công
nghệ đúc, hàn, cắt, kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp
sản phẩm… Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động nếu robot vì một lý do nào đó mà
ngừng hoạt động thì sẽ làm ảnh hưởng đến hoạt động của toàn bộ dây chuyền. Vì vậy,
trong quá trình hoạt động của robot vẫn cần có sự giám sát của con người.
2.2 Cấu trúc cơ bản và phân loại Robot công nghiệp
2.2.1 Cấu trúc cơ bản của Robot công nghiệp
Tùy thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động quay và tịnh tiến mà tay
máy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thường gặp
của robot kiểu tọa độ đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ tọa độ góc
(phỏng sinh)…
- Tay máy Robot công nghiệp: được ví như phần khung xương và cơ bắp
của
robot.
4
Robot có cứng vững hay không, có tải trọng lớn hay không, có làm việc chính
xác hay không phụ thuộc phần lớn kết cấu của tay máy tobot công nghiệp.
Hình 2.1 Cấu trúc chung của Robot công nghiệp
- Hệ thống cảm biến: được ví như giác quan của Robot, giúp đo đạc các
thông số về trạng thái bản thân robot: vị trí, tốc độ, gia tốc… cũng như
các thông số của môi trường: nhiệt độ, lực, momen…
- Cơ cấu chấp hành: Tạo chuyển động cho các khâu của tay máy, nguồn
động lực của các cơ cấu chấp hành là các loại động cơ như: điện, thủy
lực, khí nén, hoặc sự kết hợp giữa chúng.
- Hệ thống điều khiển: Hệ thống điều khiển được ví như não bộ của robot.
Hệ thống điều khiển đưa ra các lệnh điều khiển cho tay máy robot công
nghiệp, đọc các dữ liệu từ hệ thống cảm biến để so sánh với dữ liệu sẵn
có, tính toán và đưa ra lệnh điều khiển tay máy.

- Giao diện người – Robot: Thường là những phần mềm chuyên dụng, điều
khiển trên máy tính hoặc các tay cầm điều khiển.
Tùy thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động quay và tịnh tiến mà tay
máy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thường gặp
5
Môi trường:
Đối tượng
Lực, moment
Phần công tác
Sensor giám
sát trạng thái
hệ thống
Truyền động cơ khí
Sensor giám sát
thông số môi
trường
Cơ cấu chấp hành
Hệ thống điều khiển
Giao diện người - Robot
của robot là robot kiểu toạn độ Đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ
tọa độ góc (phỏng sinh)…
2.2.2 Phân loại robot công nghiệp
a) Phân loại hình dạng hình học và không gian hoạt động
Robot kiểu tọa độ đề các
Hình 2.2 Robot kiểu tọa độ Đề Các
Robot kiểu tọa độ trụ
Hình 2.3 Robot kiểu tọa độ trụ
Robot kiểu tọa độ cầu
Hình 2.4 Robot kiểu tọa độ cầu
Robot kiểu tọa độ Scara

6
Hình 2.5 Robot kiểu SCARA
b) Phân loại theo phương pháp điều khiển
Theo phương pháp điều khiển robot công nghiệp được phân ra làm 2 loại: điều
khiển theo mạch hở và điều khiển theo vòng kín.
- Điều khiển theo mạch hở:
Hình 2.6 Sơ đồ điều khiển robot theo mạch hở
Đây là phương pháp điều khiển không có phản hồi về trạng thái cũng như môi
trường làm việc của tay máy robot công nghiệp. Do đó, độ chính xác không cao,
phương pháp điều khiển này tương đối đơn giản, thường được áp dụng trong những
trường hợp không đòi hỏi cao về độ chính xác, như vận chuyển phôi liệu hay hàng
hóa… Động cơ được sử dụng trên tay máy robot thường là động cơ bước, động cơ
điện thông thường không phản hồi.
- Điều khiển theo vòng kín:
Hình 2.7 Sơ đồ điều khiển robot theo vòng kín
Khác với phương pháp điều khiển theo mạch hở, ở phương pháp điều khiển theo
vòng kín có phản hồi về trạng thái làm việc của tay máy cũng như môi trường mà tay
máy tương tác. Do đó, điều khiển tay máy robot công nghiệp sẽ chính xác hơn. So với
phương pháp điều khiển theo mạch hở, phương pháp này phức tạp hơn do phải trang
bị hệ thống cảm biến để đo các giá trị trạng thái của tay máy như: vị trí, vận tốc, gia
tốc, momen… và các thông số môi trường làm việc.
Với ưu điểm như vậy nên phương pháp điều khiển theo vòng kín ngày càng
được sử dụng nhiều trên các tay máy robot công nghiệp.
7
Môi trường làm
việc
Tay máy robot công
nghiệp
Hệ thống
điều khiển

Tay máy robot công
nghiệp
Môi trường
làm việc
Hệ thống
điều khiển
Hệ thống cảm biến
c) Phân loại theo ứng dụng
Robot được phân loại tùy theo ứng dụng trong nhiều chuyên ngành công nghiệp
như: robot hàn, robot sơn, robot lắp ráp, robot trong ngành luyện kim…
2.3 Cơ sở lý thuyết
2.3.1 Động học tay máy
a) Động học thuận
Bài toán động học thuận sử dụng phương pháp do Denavit-Hartenberg đề xuất.
Phương pháp đó được sử dụng để biểu thị mối quan hệ giữa 2 khâu với nhau:
Khâ
u
1
2
…
N
Bảng 2.1 Bảng thông số Denavit – Hartenberg
Quy tắc đặt hệ trục tọa độ theo D – H :
Trục z
i
trùng hướng với hướng của trục z
i+1
Trục x
i
cùng phương với phương pháp tuyến chung của trục z

i-1
và trục z
i
Gốc tọa độ trên khâu được xác định bởi giao điểm của trục z và trục x đã xác định
của khâu đó. Hướng của trục y được chọn theo hướng của trục z, x theo quy tắc bàn
tay phải.
Với hệ tọa độ đặt cho khâu công tác sẽ chọn hệ tọa độ sao cho gần nhất với hệ tọa độ
gần nó. Hệ tọa độ gốc chọn trục x bất kì.
Phép rời trục tọa độ:
Bản chất của quy tắc D – H là việc rời hệ tọa độ theo quy tắc nhất định để 2 hệ trục
tọa độ trùng khớp nhau. Thứ tự rời như sau:
- Tịnh tiến một đoạn d
i
theo trục z
i-1
để x
i-1
nằm trên mặt phẳng pháp
tuyến của z
i-1
chứa x
i
.
- Quay một góc θ
1
quanh trục z
i-1
để x
i-1
cùng phương với x

i
.
- Tịnh tiến một đoạn a
i
theo trục x
i-1
để x
i-1
trùng với x
i
.
- Quay một góc α
i
quanh trục x
i-1
(≡x
i
) để z
i-1
≡z
i
.
(d)(θ)(a)(α)
Ma trận biến đổi thuần nhất theo quy tắc D – H:
= (d)(θ)(a)(α)
8
Các bước thiết lập phương trình động học Robot bằng phương pháp Denavit –
Hartenberg:
Bước 1: Đặt hệ trục tọa độ theo quy tắc D - H
Bước 2: Lập bảng thông số động học D – H.

Bước 3: Từ bảng thông số động học D – H thay vào công thức tính được các ma
trận biến đổi thuần nhất tương ứng.
Bước 4: Nhân các ma trận biến đổi thuần nhất này với nhau theo đúng thứ tự
được phương trình động học Robot công nghiệp. = . . . .
Khi các trục khớp cắt nhau nên di chuyển các trục tọa độ có gốc trùng nhau.
b) Động học ngược
Khái niệm: Động học ngược tay máy là việc giải phương trình động học robot
công nghiệp để tìm ra các giá trị của biến khớp khi cần di chuyển khâu công tác tới vị
trí xác định và hướng xác định.
Mục đích của việc giải phương trình động học robot công nghiệp: để điều khiển
tay máy của robot công nghiệp tới vị trí làm việc và có một hướng xác định thì chúng
ta phải tính toán giá trị các biến khớp đã quay hoặc tịnh tiến một lượng là bao nhiêu.
Động học ngược tay máy là cơ sở cho việc điều khiển robot.
Các phương pháp giải bài toán động học ngược :
- Phương pháp số.
- Phương pháp giải tích.
2.3.2 Động lực học tay máy
a) Khái niệm
Bài toán động lực học tay máy là bài toán nghiên cứu mối quan hệ giữa chuyển
động của tay máy và nguyên nhân gây ra các chuyển động đó.
b) Mục đích nghiên cứu bài toán động học tay máy
- Thiết kế bộ điều khiển robot công nghiệp.
- Tính toán chọn động cơ.
c) Phân loại bài toán động lực học tay máy
- Bài toán động lực học thuận: Cho trước lực và momen tác dụng ở mỗi khớp
tay máy, tìm chuyển động của tay máy.
- Bài toán động lực học ngược: Cho trước chuyển động của tay máy, tính toán
lực và momen tác dụng vào các khớp của tay máy.
d) Các phương pháp giải quyết bài toán động lực học tay máy
- Phương pháp sử dụng định lý động năng.

9
- Phương pháp sử dụng phương trình Lagarange II.
- Phương pháp Newton-Euler.
2.4 Các hệ thống điển hình của Robot công nghiệp
Robot công nghiệp được cấu thành bởi 3 hệ thống chính: hệ thống chấp hành, hệ
thống cảm biến, hệ thống điều khiển.
2.4.1 Hệ thống chấp hành
Hệ thống chấp hành là hệ thống tạo ra nguồn động lực cho mọi chuyển động của
tay máy robot công nghiệp.
Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống chấp hành
Công suất nguồn P
p
.
P
c
là tín hiệu điều khiển.
Công suất điện cung cấp cho động cơ P
a
.
Công suất cơ học do động cơ phát ra P
m
.
Công suất cơ học cần thiết để làm chuyển động khớp P
u
.
Công suất tổn hao: P
da
; P
ds
; P

dt
trên mạch khuếch đại công suất, động cơ và hệ thống
dẫn động cơ khí.
a) Truyền dẫn cơ khí
Hệ thống truyền dẫn cơ khí trên tay máy robot công nghiệp có tác dụng truyền
chuyển động và momen từ các động cơ tới các khớp và bộ phận công tác của robot.
Các loại truyền dẫn cơ khí:
- Cơ cấu trục vít bánh vít.
- Cơ cấu vít me đai ốc.
- Truyền động xích.
- Gắn trực tiếp rotor của động cơ tuyến tính lên trục của khớp.
- Truyền động đai răng.
10
Truyền động đai răng được sử dụng rộng rãi trên robot công nghiệp, chúng có ưu
điểm hạn chế trượt, khối lượng nhỏ, truyền được chuyển động, momen giữa các trục
tương đối xa.
b) Động cơ
Động cơ là nguồn tạo động lực chuyển động cho các khớp.
Yêu cầu động cơ trên robot công nghiệp:
Quán tính nhỏ, dải tốc độ làm việc rộng, độ chính xác định vị cao, có thể làm việc
trơn tru ở vận tốc thấp.
Các loại động cơ sử dụng trên robot công nghiệp:
- Động cơ khí nén.
- Động cơ điện một chiều, xoay chiều thông dụng.
- Động cơ Servo.
- Động cơ bước.
- Động cơ thủy lực.
c) Khuếch đại công suất
Biến đổi trạng thái năng lượng của nguồn cung cấp cho phù hợp với yêu cầu của
động cơ.

d) Nguồn cung cấp chính
Nhiệm vụ của nguồn cung cấp chính là cung cấp năng lượng tới đầu vào của bộ
biến đổi.
2.4.2 Hệ thống cảm biến
Cảm biến là thiết bị dùng để nhận giá trị của đại lượng vật lý cần đo và biến đổi
nó thành tín hiệu mà thiết bị đo hay điều khiển có thể xử lý được. Dạng và tín hiệu
xuất ra được chuẩn hóa để dễ ghép nối vào các mạch xử lý.
Cảm biến trong:
- Cảm biến vị trí.
- Cảm biến vận tốc.
Cảm biến ngoài:
- Cảm biến lực.
- Cảm biến kiểu điện trở.
- Cảm biến đo khoảng cách.
- Thiết bị quan sát.
2.4.3 Hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển có chức năng:
- Chuyển động của các cơ cấu cơ khí.
11
- Thu nhận thông tin trạng thái của hệ thống và môi trường công tác.
- Phân tích thông tin và phản ứng trước điều kiện thực tế.
- Lưu trữ, xử lý và cung cấp thông tin về hệ thống.
12
CHƯƠNG III
MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
3.1 Mô hình vật lý
a) Mô hình robot
Hình 3.1 Mô hình robot
Tính toán kích thước các khâu:
Robot có không gian làm việc: (x,y,z) = (475 mm, 475 mm, 715 mm)

 Ta có: l
1
+ l
2
+ l
3
=715(mm)
l
2
+ l
3
=475(mm)
Chọn độ dài khâu 1: l
1
= 240 mm
Chọn độ dài khâu 2: l
2
= 230 mm
Chọn độ dài khâu 3: l
3
= 245 mm
b) Mô hình được thiết kế trên solidworks
Hình 3.2 Cấu hình và các hệ trục tọa độ gắn trên robot cầu RRR
Khối lượng toàn bộ canh tay: 11,1 kg (tính theo solidworks)
13
Hình 3.3 Thân dưới.
Khối lượng thân dưới (khâu 1) là: 9295,54 g (tính theo solidworks)
Hình 3.4 Khâu thứ 2
Khối lượng khâu thứ 2: 1594,9 g (tính theo solidworks)
14

Hình 3.5 Khâu 3
Khối lượng khâu thứ 3: 216,05 g (tính toán theo solidworks)
3.2 Bài toán động học thuận
Quy tắc đặt hệ trục tọa độ theo D – H :
- Trục z
i
trùng hướng với hướng của trục z
i+1
.
- Trục x
i
cùng phương với phương pháp tuyến chung của trục z
i-1
và trục z
i
.
- Gốc tọa độ trên khâu là được xác định bởi giao điểm của trục z và trục x
đã xác định của khâu đó. Hướng của trục y được chọn theo hướng của
trục z, x theo quy tắc bàn tay phải.
Với hệ tọa độ đặt cho khâu công tác sẽ chọn hệ tọa độ sao cho gần giống nhất với hệ
tọa độ gần nó. Hệ tọa độ gốc chọn trục x bất kì:
Khâu
1
2
…
n
Bảng 3.1 Bảng thông số Denavit – Hartenberg
Phép rời trục tọa độ:
Bản chất của quy tắc D – H là việc rời hệ tọa độ theo quy tắc nhất định để 2 hệ trục
tọa độ trùng khớp nhau. Thứ tự rời như sau:

- Tịnh tiến một đoạn d
i
theo trục z
i-1
để x
i-1
nằm trên mặt phẳng pháp tuyến của z
i-1
chứa x
i
.
- Quay một góc θ
1
quanh trục z
i-1
để x
i-1
cùng phương với x
i
.
- Tịnh tiến một đoạn a
i
theo trục x
i-1
để x
i-1
trùng với x
i
.
- Quay một góc α

i
quanh trục x
i-1
(≡x
i
) để z
i-1
≡z
i
.
(d)(θ)(a)(α)
Ma trận biến đổi thuần nhất theo quy tắc D – H:
= (d)(θ)(a)(α)
15
Các bước thiết lập phương trình động học Robot bằng phương pháp Denavit –
Hartenberg:
- Bước 1: Đặt hệ trục tọa độ theo quy tắc D - H
- Bước 2: Lập bảng thông số động học D – H.
- Bước 3 : Từ bảng thông số dộng học D – H thay vào công thức chung ta
sẽ tính được các ma trận biến đổi thuần nhất tương ứng.
- Bước 4 : Nhân các ma trận biến đổi thuần nhất này với nhau theo đúng
thứ tự ta sẽ được phương trình động học Robot công nghiệp.
= . . . .
Khi các trục khớp cắt nhau ta nên di chuyển các trục tọa độ có gốc trùng nhau.
Áp dụng đối với robot RRR ta có:
Bảng D-H:
Bảng 3.2 Bảng thông số D-H
Hình 3.6 Kết cấu tay máy robot
tọa độ cầu RRR
Ma trận tổng quát:

Ta có:
Ta có:
=
16
Khâu Di θi ai
1 L1 0 90
2 0 L2 0
3 0 L3 0
=
=
=
3.3 Bài toán động học ngược
Khái niệm: động học ngược tay máy là việc giải phương trình động học robot
công nghiệp để tìm ra các giá trị của biến khớp khi cần di chuyển khâu công tác tới vị
trí xác định và hướng xác định.
Mục đích của việc giải phương trình động học robot công nghiệp: để điều khiển
tay máy của robot công nghiệp tới vị trí làm việc và có một hướng xác định thì chúng
ta phải tính toán giá trị các biến khớp đã quay hoặc tịnh tiến một lượng là bao nhiêu.
Động học ngược tay máy là cơ sở cho việc điều khiển robot
Các phương pháp giải bài toán động học ngược :
- Phương pháp số.
- Phương pháp giải tích.
Đối với robot cầu RRR:
=
=
=
Bình phương phương trình , sau đó cộng theo vế ta được:
2
=
2

+
2
(1)
Ta có:
=
Bình phương phương trình sau đó cộng với phương trình (1) theo vế ta được:
l3
2
+l2
2
+2.l2.l3.cos=
2
+
2
+ (
2
 =cos
-1
()
bằng cách vẽ hình và mô tả góc quay, ta xác định được các thông số yêu cầu của bài
toán.
17
Hình 3.7 Phân tích cơ cấu các khâu
Ta tính được :
 = tan
-1
() – tan
-1
(l3cos+ l2)

3.4 Động lực học
a) Khái niệm:
Bài toán động lực học tay máy là bài toán nghiên cứu mối quan hệ giữa chuyển động
của tay máy và nguyên nhân gây ra các chuyển động đó.
b) Mục đích nghiên cứu bài toán động học tay máy:
- Tính toán thiết kế kết cấu tay máy.
- Mô phỏng chuyển động của tay máy.
- Thiết kế bộ điều khiển robot công nghiệp.
c) Phân loại bài toán động lực học tay máy:
- Bài toán động lực học thuận: Cho trước lực và momen tác dụng ở mỗi khớp
tay máy, tìm chuyển động của tay máy.
- Bài toán động lực học ngược: Cho trước chuyển động của tay máy, tính toán
lực và momen tác dụng vào các khớp của tay máy.
d) Các phương pháp giải quyết bài toán động lực học tay máy:
- Phương pháp sử dụng định lý động năng.
- Phương pháp sử dụng phương trình Lagrange II.
18
- Phương pháp newton-euler.
Sử dụng phương pháp Lagrange II đối với robot tọa độ cầu RRR:
Phương trình Lagrange II có dạng như sau:
M
đc
Trong đó:
K là động năng của hệ, gồm:
K=K1+K2(chuyển động song phẳng)
K=K
1
(chuyển động quay) K1=
K=K
2

(chuyển động tịnh tiến) K
2
=
P là thế năng của hệ: P=m.g.h
M
đc
là momen động cơ
Tính động năng (xét từng khâu):
• Khâu 1: Vì khâu 1 chuyển động quay quanh trục cố định nên ta có:
K
1
=
J
1
là momen quán tính của khâu 1
Hình 3.8 Kết cấu tay máy robot tọa độ cầu RRR
Với khâu 1 được coi là đĩa đồng chất, bán kính r=40mm=0,04m, khối lượng :
kg
K
1
=0,00066
• Khâu 2: vì khâu chuyển động quay và tịnh tiến nên ta có
K
2
=K
21
+K
22
Trong đó K
21

là động năng tịnh tiến
K
21
=
19
Trong đó là tọa độ khối tâm của vật so với gốc .
Dựa vào công thức quan hệ giữa các hệ tọa độ trên tay máy công nghiệp
Áp dụng cho khâu 2 ta có:
Trong đó:
là tọa độ điểm x
c2
so với gốc O
0
là tọa độ điểm x
c2
so với gốc O
1
=>
=>
=>
=
K
21
= =
K
22
=
K
22
=

K
2
=+
• Khâu 3: vì khâu 3 chuyển động quay và tịnh tiến nên ta có:
K
3
=K
31
+K
32
Trong đó:
K
31
là động năng tịnh tiến
K
32
là động năng quay
K
31
=
+
20






K
31

={
K
32
=
J
3
=
K
32
=
 K
3
={
Động năng của tay máy: K=K
1
+K
2
+K
3
K=0,00066+++{
 =








Tính thế năng

P=mgh=P
1
+P
2
+P
3
Trong đó:
P
1
=
P
2
= )
P
3
=
P= )+
0
Thay vào phương trình Lagarange II ta có:
21
M
đci
Với động cơ 1 ta có:
M
đc1
==
Với động cơ 2 ta có:
M
đc2
=-{}+

M
đc3
=-
3.5 Mô phỏng số
Để có thể mô phỏng cánh tay robot trên Winform ta cần áp dụng từ bài toán động
học thuận và ngược của cánh tay robot. Sử dụng bảng DH để thành lập các ma trận
truyền, ma trận mô tả vị trí và hướng của khâu cuối so với khâu cố định đầu tiên
Bảng D-H
Khâu Di θi ai αi
1 L1 0 90
2 0 L2 0
3 0 L3 0
Bảng 3.3 Thông số động học D-H
Thiết kế giao diện của bài toán động học thuận và ngược được viết trong chương 4,
dưới đây là giao diện đã thiết kế.
a) Bài toán động học thuận
Nhập các góc của các khâu robot trong bảng điều khiển, nhấn “Tăng hoặc Giảm” để
điều chỉnh sau đó nhấn “Dịch chuyển” ta được tọa độ vị trí công tác.
22
Hình 3.9 Giao diện động học thuận
b) Bài toán động học ngược
Nhập tọa độ của vị công tác, nhấn “Tăng hoặc Giảm” để điều chỉnh sau đó nhấn “Dịch
chuyển” ta được các góc tại các khâu.
Hình 3.10 Giao diện động học ngược
23
3.6 Mô hình hóa hệ thống điều khiển
3.6.1 Hệ thống mạch điều khiển

Hình 3.11 Hệ thống điều khiển
Khối điều khiển trung tâm được cấp nguồn 5V từ khối nguồn và kết nối với khối

điều khiển công suất để điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ.
Mạch công suất nhận tín hiệu điều khiển từ khối điều khiển trung tâm để điều
khiển công suất cung cấp cho động cơ, thay đổi chiều quay động cơ.
3.6.2 Khối điều khiển
Yêu cầu hệ thống điều khiển trung tâm là đáp ứng nhanh do đó đòi hỏi một loại
vi điều khiển mạnh, có tốc độ xử lý nhanh, có khả năng ghép nối với nhiều thiết bị như
RF, cảm biến góc và gia tốc, và có thể tích hợp thêm các modul khác nữa.
Các dòng chip trên thị trường rất đa dạng và nhiều chủng loại như chip PIC,
Atmel, Arm… Mỗi loại lại có một ưu điểm riêng song chip Atmel nổi tiếng là một
dòng chip mạnh với tốc độ xử lí khá cao, phù hợp với yêu cầu đề tài. Còn chip ARM
là loại rất mạnh nhưng giá thành cao nếu sử dụng loại này sẽ gây lãng phí.
24
Khối hiển thị
Khối bàn phím

Cảm biến
ATMEGA 16
Khối nguồn
Khối công suất
Động cơ
ROBOT
Vi điều khiển AVR do hãng Atmel sản xuất được giới thiệu lần đầu năm 1996,
AVR có rất nhiều dòng khác nhau bao gồm dòng Tiny AVR ( như AT tiny13, AT tiny
22…) có kích thước bộ nhớ nhỏ, ít bộ phận ngoaiij vi, rồi đến dòng AVR ( chẳng hạn
AT90S8535, AT90S8515,…) có kích thước bộ nhớ vào loại trung vình và mạnh hơn là
dòng Mega ( Atmega16, Atmega32, Atmega128,…) với bộ nhớ có kích thước vài
Kbyte đến vài trăm Kb cùng với các bộ ngoại vi đa dạng được tích hợp trên chip, cũng
có dòng tích hợp cả bộ LCD trên chip (dòng LCD AVR)). Tốc độ của dòng Mega
cũng cao hơn so với các dòng khác, sự khác nhau cơ bản giữa các dòng chính là cấu
trúc ngoại vi, còn nhân thì vẫn như nhau. Đặc biệt, năm 2008, Atmel lại tiếp tục cho ra

đời dòng AVR mới là XmegaAVR, với những tính năng mạnh mẽ chưa từng có ở các
dòng AVR trước đó. Có thể nói XmegaAVR là dòng MCU 8 bít mạnh mẽ nhất hiện
nay.
Hình 3.12 Các dòng chip atmega
Atmega16 là dòng vi điều khiển khá phù hợp, đủ để đáp ứng được các yêu cầu
bài toán đặt ra.
Hình 3.13 Atmega 16
Những đặc tính cơ bản:
25