Tính toán và mô phỏng robot song song cao tốc ba bậc tự do

TÓM TẮT
Cách đây hai thập kỷ, trên thế giới, lónh vực robot song song đã được nghiên
cứu khá phổ biến. Quả thật những con robot này tỏ ra nổi bật hơn so với robot nối
tiếp trong một số lónh vực. Cụ thể là, chúng có thể đạt được tốc độ cao hơn (do quán
tính của cả hệ thống dòch chuyển thấp) và độ chính xác cao hơn (do không có sai số
do các khớp dồn lại). Cho đến nay, những đặc điểm này vẫn được quan tâm trong
công nghệ sản xuất, đó là việc lắp ráp và chế tạo sản phẩm với độ chính xác cao
hơn và tốc độ nhanh hơn. Một lónh vực ứng dụng khá thích hợp cho loại robot này là
công nghệ điện tử, ở đó robot có thể được ứng dụng rộng rãi. Vì thế, đối tượng
nghiên cứu trong luận văn này là Robot song song cao tốc ba bậc tự do.

SUMMARIZE

Two decade ago, in the world, the field of parallel robot has been popularly
researched. Really these robots have proved more remarkable than these serial
counterparts in some fields. Namely, they can achieve higher speeds (due to low
moving inertia of the system) and higher precision (due to non – cumulative joint
errors). Nowadays, these properties are very considerrable in the manufacturing
industrial; such as manufacturing and assembling of products with higher accuracy
and faster pace. A pertinent application area for this kind is the electronics industry,
where by such robot can be extensively untilized. As a result, the object of study in
this thesis is a three – degree of freedom parallel robot for high speed.
LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, công nghệ Robot đã trở thành một bộ phận quan trọng trong môi
trường sản xuất linh hoạt. Hệ thống dây chuyền sản xuất tự động hóa là động lực
thúc đẩy việc ứng dụng Robot để thay thế cho cho con người làm việc ở môi trường
độc hại, nguy hiểm, và đặc biệt là thay con người thực thi các công việc mang tính
đơn điệu, nhàm chán nhưng đòi hỏi cường độ làm việc cao và độ chính xác phải
lớn, điển hình là các công việc lắp ráp các linh kiện điện tử trên board mạch, vận
chuyển vật liệu, …

Trước đây, hầu hết những con Robot được ứng dụng trong nền sản xuất công
nghiệp là Robot nối tiếp. Tuy nhiên, nhược điểm của loại Robot này là khó có thể
đạt được tốc độ và độ chính xác cao, khi chòu tải lớn thì độ cứng vững kém, gia tốc
của bộ tác động cuối cũng bò hạn chế do quán tính dòch chuyển cao và do tồn tại
các sai số do các khâu nối tiếp nhau. Bên cạnh đó, việc phân tích động học cũng
khó khăn.
Thế nhưng, theo nghiên cứu thì Robot song song lại có nhiều ưu điểm hơn so
với Robot nối tiếp trong một số lónh vực. Các ưu điểm điển hình của Robot song
song là : khả năng tải lớn, độ cứng vững cao và quán tính dòch chuyển thấp. Chính
vì thế, người ta đã đưa ra nhiều giải pháp để tận dụng các ưu điểm của Robot song
song thay thế robot nối tiếp trong một số lónh vực.
Do thế, đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là Robot song song cao tốc ba
bậc tự do. Loại robot này đơn giản nhưng khá phổ biến trong gia đình Robot song
song cao tốc. Nó có thể được nhiên cứu thêm để có thể thực hiện một số công việc
như: dùng trong các máy công cụ, lắp ráp sản phẩm, vận chuyển hàng hoá, … Và
trong tương lai nó còn có thể được nghiên cứu để ứng dụng trong nhiều lónh vực khác.
MỤC LỤC

Quyết đònh
Lời cảm ơn
Tóm tắt
Lời nói đầu
NỘI DUNG TRANG
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu 1
1.2. Nhu cầu sử dụng Robot song song cao tốc 5
1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 5
1.3.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 6
1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 6
1.4. Đối tượng nghiên cứu 7

1.5. Phương pháp nghiên cứu 7
1.5.1. Phương pháp tiếp cận hệ thống 8
1.5.2. Phương pháp mô phỏng 8
1.6. Nội dung của đề tài 8
1.7. Đònh nghóa một số thuật ngữ 8
CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ ROBOT
2.1. Giới thiệu 11
2.2. Robot nối tiếp 13
2.3. Robot song song 14
2.4. Robot song song và hướng nghiên cứu 16
2.5. Giới thiệu về Robot song song cao tốc 19
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC
3.1. Giới thiệu 21
3.2. Mô tả cấu trúc của Robot 21
3.3. Hình học của của Robot 24
3.4. Động học nghòch 26
3.5. Động học thuận 29
3.6. Phân tích ma trận Jacobi 35
3.6.1. Giới thiệu 35
3.6.2. Ma trận Jacobi 35
3.6.3. Các điều kiện đặc biệt 36
3.7. Phân tích ma trận Jacobi của cơ cấu 37
3.7.1. Trạng thái đặc biệt động học đảo 40
3.7.2. Trạng thái đặc biệt động học thuận 40
3.7.3. Trạng thái đặc biệt hỗn hợp 41
CHƯƠNG 4 ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƠ CẤU
4.1. Giới thiệu 44
4.2. Phương pháp Lagrăng 44
4.3. Động lực học của cơ cấu bằng phương pháp lagrăng 46
TỔNG KẾT 53

Tài liệu tham khảo 55
PHỤ LỤC
Phụ lục 1 : Sơ đồ cơ cấu robot song song cao tốc 56
Phụ lục 2 : Cấu hình của robot khi mô phỏng 57
Phụ lục 3 : Giao diện và chương trình tính toán động học nghòch 58
Phụ lục 4 : Giao diện và chương trình tính toán động học thuận 68
Phụ lục 5 : Giao diện và chương trình tính toán ma trận Jacobi 78
Phụ lục 6 : Giao diện và chương trình tính toán động lực học 90
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang 1-
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN

1.1. GIỚI THIỆU
Từ trước thập niên 90, thuật ngữ Robot hầu như còn xa lạ đối với người dân
Việt Nam. Nhưng kể từ khi nhà nước thực hiện chính sách công nghiệp hóa và hiện
đại hóa cho đến nay thì tên gọi Robot đã trở nên quen thuộc với mọi người. Mặc dù
là đất nước nghiên cứu Robot khá muộn (sau các nước trên thế giới gần nửa thế kỷ)
nhưng ở Việt Nam đã có một sân chơi rất sôi động và hấp dẫn đang được các bạn
học sinh – sinh viên khối kỹ thuật nhiệt tình hưởng ứng, đó là cuộc thi “Robocon”
được tổ chức hàng năm.
Thế nhưng, ít ai biết rằng, thuật ngữ Robot lại được xuất hiện lần đầu tiên
trong một tác phẩm khoa học viễn tưởng “Rosum’s Universal Robot” của nhà soạn
kòch người Tiệp Karen Kapek. Theo tiếng Sec thì Robot có nghóa là người tạp vụ.
Và trong tác phẩm này, nhân vật Rosum cùng với con trai ông ta đã chế tạo ra
những chiếc máy gần giống như con người để phụ vụ con người. Vậy mà, chỉ hơn
20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karen Kapek đã trở thành hiện thực. Giờ đây,
kế thừa những thiết kế ban đầu, Robot đã ngày càng được nâng cao về khả năng
hoạt động, linh hoạt hơn, chính xác hơn, thông minh hơn, cấu trúc hình học thì đa

dạng hơn và phạm vi ứng dụng thì rộng rãi hơn.
Thật vậy, trong ngành chế tạo máy thì các máy công cụ đã từng bước được cơ
khí hóa và tự động hóa, riêng công việc cấp phôi cho các máy công cụ hiện nay đã
được thực hiện bằng robot. Đặc biệt, việc ứng dụng Robot làm việc trong các môi
trường độc hại, không an toàn đã đem lại hiệu quả rất cao.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang 2-
Cho đến những năm gần đây, các nhà sản xuất đã ứng dụng các cơ cấu chấp
hành Robot để nâng cao tính linh động trong việc chế tạo. Ưu điểm của phương
pháp này, các Robot có thể thực hiện được nhiều nguyên công như : chuyển tải vật
tư, hàn điểm, sơn phu, lắp ráp, … mà không tốn thêm chi phí thiết kế lại hệ thống.
Hiện nay, công nghệ hiện đại đang phát triển theo hướng chất lượng cao và
đem lại hiệu quả kinh tế lớn hơn. Tự động hóa robot hiện đang là động lực cơ bản
trong việc cải tiến nền sản xuất hiện đại. Phạm vi ứng dụng của Robot ngày càng
mở rộng trong nhiều lónh vực khác nhau, nhưng trong luận văn này chỉ trình bày
một số ứng dụng của Robot song song :
1. Làm việc ở những nơi nguy hiểm hoặc ở những nơi mà con người không thể
trực tiếp làm được : sao hoả, miệng núi lửa, lò hạt nhân …






2. Ứng dụng trong việc đóng gói sản phẩm.

Hình 1.1 : Robot song song dùng trong hệ thống thu tín hiệu



Hình 1.2 : Robot song song cao tốc dùng để đóng gói sản phẩm
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang 3-
3. Dùng trong các máy công cụ.









4. Dùng trong lónh vực y học.

Hình 1.6 : Robot phẫu thuật dùng trong y học
5. Dùng để thay thế con người thực hiện các
công việc trong môi trường khắc nghiệt
như xưởng hàn.

Hình 1.7 : Robot song song cao tốc ứng
dụng trong công nghệ hàn điểm hay hàn đường.


Hình 1.3 : Máy cưa CNC dùng Robot song
song cao tốc Delta 5 bậc tự do

Hình 1.4 : Robot Tornado dùng trong máy phay
5 trục được ứng dụng trong Sản xuất tự động
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang 4-
6. Dùng trong công nghệ chế biến thực phẩm







Hình 1.8 : Robot song song dùng trong công việc ướp thòt gà
7. Dùng trong môi trường đảm bảo yêu cầu vệ sinh cao.

Hình 1.9 : Ứng dụng Robot song song cao tốc Delta trong dây chuyền sản xuất
bánh kẹo của công ty Demaure
8. Dùng để vận chuyển hàng hóa.










Hình 1.10 : Robot song song cao tốc vận chuyển thùng phuy
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang 5-
Mặc dù mục đích ban đầu của Robot là tự động hóa cấp phôi trong ngành cơ
khí. Nhưng hiện nay, Robot còn được ứng dụng trong nhiều lónh vực khác như : công
tác cứu hộ, an ninh quốc phòng, phá mìn, rà bom, thăm dò khoáng sản, …

1.2. NHU CẦU SỬ DỤNG ROBOT SONG SONG CAO TỐC
Kể từ khi bùng nổ cuộc cách mạng công nghệ thông tin cùng với sự phát triển
như vũ bão của ngành công nghiệp điện tử đã thúc đẩy các nhà sản xuất phát triển
dây chuyền sản xuất hiện đại dùng nhiều loại Robot song song cao tốc. Vì Robot
song song cao tốc có các ưu điểm sau : Có khả năng thực hiện công việc mang tính
đơn điệu với tốc độ cao, độ chính xác cao, khả năng tải lớn, độ cứng vững cao, …

Do vậy, việc ứng dụng Robot để thực hiện các công việc đơn điệu dễ gây nhàm
chám cho người lao động nhưng đòi hỏi cường độ làm việc cao cũng như độ chính xác
cao đang được đón nhận ở nhiều lónh vực công nghệ do Robot có ưu điểm nổi bật hơn
con người là không bò mệt mỏi cũng như nhàm chán khi chỉ thực hiện một công việc lặp
đi lặp lại. Các công việc điển hình như là : đóng gói, lắp ráp và phân loại sản phẩm.

1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ROBOT TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
1.3.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
 Robot công nghiệp bắt đầu được phát triển vào năm 1940. Ban đầu được
dùng để chuyển tải các loại vật liệu nguy hiểm, được dùng trong thám hiểm không
gian và sau đó được dùng trong công nghệ tự động hóa linh hoạt.
 Vào những năm 90, đã có nhiều công ty của Nhật, Bắc Mỹ, Châu Âu đã
ứng dụng Robot rộng rãi trong nhiều lónh vực công nghiệp.
 Trong những năm gần đây, Robot công nghiệp chủ yếu được dùng cho các
thao tác lặp lại nhiều lần như : chuyển tải vật tư, xếp dỡ các chi tiết máy, lắp ráp
các bộ phận thành cụm máy và làm việc trong các môi trường nguy hiểm như :
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang 6-
chuyển tải vật liệu phóng xạ, thám hiểm không gian và đáy biển, hàn điểm, sơn
phun, … Đặc biệt hiện nay Robot còn được ứng dụng trong lónh vực y khoa để giải
phẫu cho con người. Ngoài ra, các nhà sản xuất còn quan tâm đến các loại robot
thân thiện với con người như : là Robot giúp việc nhà, giúp người tàn tật, Robot làm
hướng dẫn viên du lòch, …
1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Với mục tiêu là tiếp cận kỹ thuật Robot, trong nước đã triển khai nhiều đề tài
cấp nhà nước, như : Đề tài 58.01.03 trong giai đoạn 81 – 85 và đề tài 52B.03.01
trong giai đoạn 86 – 89. Kết quả nghiên cứu của các đề tài này không những đáp
ứng được yêu cầu tiếp cận mà còn có những ứng dụng ban đầu trong kỹ thuật bảo
hộ lao động và phục vụ cán bộ kỹ thuật ở nước ta.

1.3.2.1. Về Robot nối tiếp
Trong những năn gần đây, đã có rất nhiều loại Robot được nghiên cứu bởi :
 Trung tâm nghiên cứu Kỹ thuật Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nghiên
cứu tính toán thiết kế Robot RP. Loại Robot này bắt chước cơ cấu tay người.
 Trung tâm nghiên cứu Kỹ thuật Đại học Bách Khoa Hà Nội đã thiết kế
và chế tạo Robot SCA mini, dùng để giảng dạy, học tập, đồng thời có thể sử dụng
để lắp ráp hoặc xắp xếp các vật nhỏ có khối lượng dưới 1 Kg.
 Ngoài ra, Trung tâm nghiên cứu Kỹ thuật Đại học Bách Khoa Hà Nội
còn thành công trong việc nghiên cứu xây dựng chương trình tính toán điều khiển
Robot bằng phần mềm Matlab.
1.3.2.2. Về Robot song song
 Khoa cơ khí Đại học Bách Khoa TP.HCM, đã thực hiện đề tài cấp nhà
nước KC0312 là Robot Hexapod dùng trong máy phay 5 trục ảo do TS Thái Thò Thu
Hà thực hiện.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang 7-
 Ngoài ra, còn có những nghiên cứu của khoa cơ khí ĐHBK Hà Nội và
Viện Cơ học Quốc gia, …
Tuy nhiên, tình hình nghiên cứu trong nước vẫn chưa đề cập về Robot song
song cao tốc. Hiện nay, hướng phát triển của ngành công nghiệp hiện đại là ứng
dụng Robot thay thế con người làm các công việc đơn điệu với cường độ và độ
chính xác cao. Và Việt Nam cũng đang từng bước công nghiệp hóa, hiện đại hóa
để hòa mình vào sự phát triển chung của thế giới. Do đó, nhu cầu ứng dụng Robot
song song cao tốc trong tương lai của Việt Nam có tiềm năng rất lớn.
Song, để thiết kế và chế tạo Robot thì bước đầu tiên cần phải tiến hành tính
toán và mô phỏng để khảo sát hoạt động của Robot. Đó là lý do tôi chọn đề tài
chọn đề tài :
“TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG ROBOT SONG SONG CAO TỐC
3 BẬC TỰ DO”

1.4. ĐỐI TƯNG NGHIÊN CỨU
Trong các loại Robot song song cao tốc thì loại ba bậc tự do là khá cơ bản và
thông dụng, cho nên đối tượng nghiên cứu của luận văn này Robot song song cao
tốc ba bậc tự do.

1.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.5.1. Phương pháp tiếp cận hệ thống
Giống như các ngành khoa học khác, công nghệ Robot cũng được phát triển
dựa trên những nền tảng ban đầu. Do đó, chúng ta cần kế thừa những kết quả đã
được nghiên cứu để rút ngắn thời gian tiếp cận đối tượng cần nghiên cứu. Cho nên
tôi đã dùng phương pháp tiếp cận hệ thống để có thể đạt được kết quả nhanh nhất.
1.5.2. Phương pháp mô phỏng
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang 8-
Trước đây, ở Việt Nam, khi hệ thống máy tính và các phần mềm chưa được
ứng dụng rộng rãi thì các công việc từ tính toán đến chế tạo thường phải dùng
phương pháp “thử và sai” nên mất nhiều thời gian và khá tốn kém. Còn hiện nay,
với sự hỗ trợ của máy tính cũng như các phần mềm tính toán, mô phỏng đã được
ứng dụng khá phổ biến, cho nên trong luận văn này, tôi cũng ứng dụng các phần
mềm như : Matlab, Autocad, Inventer và Visual Natrans để tính toán và mô phỏng
Robot nhằm khảo sát hoạt động của Robot.

1.6. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI
Để đạt được các đề mục trên, tôi chỉ thực hiện nghiên cứu những nội dung
chính dưới đây :
 Tóm lược lại cơ sở lý thuyết đã được các nhà nghiên cứu trong và ngoài
nước xây dựng.
 Phân tích động học thuận.

 Phân tích động học nghòch.
 Phân tích ma trận Jacobi.
 Phân tích động lực học.
 Vẽ và mô phỏng cơ cấu dựa vào các phần mền : Autocad, Inventer, Solidword.
 Tính toán, thiết kế các giao diện bằng Matlab.

1.7. ĐỊNH NGHĨA MỘT SỐ THUẬT NGỮ
- Về kỹ thuật, Robot được đònh nghóa như sau : “Robot là cơ cấu chấp hành đa
năng tái lập trình được thiết kế để chuyển tải vật tư, công cụ hoặc các thiết bò chuyên
biệt thông qua các chuyển động được lập trình để thực hiện các tác vụ khác nhau”.
- Theo Viện nghiên cứu Hoa Kỳ, Robot được đònh nghóa như sau : “ Robot
là một tay máy nhiều chức năng, thay đổi được chương trình hoạt động, được dùng để
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang 9-
di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt
thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích hoàn
thành những nhiệm vụ đa dạng” ( Schlussel, 1985).
- Đònh nghóa Robot còn được Mikell P. Groover, một nhà nghiên cứu hàng đầu
trong lónh vực Robot, mở rộng như sau : “ Robot công nghiệp là những máy, thiết bò tổng
hợp hoạt động theo chương trình có những đặc điểm nhất đònh tương tự như ở con người”.
- Theo Artobolevski I. I., Vorobiov M. V. và các nhà nghiên cứu thuộc
trường phái khối SEV trước đây thì phát biểu rằng : “Robot công nghiệp là
những máy họat động tự động được điều khiển theo chương trình để thực hiện việc
thay đổi vò trí của những đối tượng thao tác khác nhau với mục đích tự động hoá
các quá trình sản xuất”.
- Theo quan điểm của người Nhật Bản : “ Robot là bất cứ thiết bò nào có
thể thay thế cho lao động của con người”.
- Các thuật ngữ tương đồng với Robot song song :
 Manupulator : tay máy

 Parallel Manupulator : tay máy song song
 Close – loop mechanism
 Parallel Kinematic Machine.
 Fully Parallel Machanism
 Hexapod
- Các thuật ngữ thường dùng để diễn tả Robot
 Chuỗi động học : là toàn bộ các khâu được nối với nhau bằng các khớp.
 Máy : là một hệ thống gồm một hoặc nhiều cơ cấu cùng với các phần tử
như : điện, thủy lực hay khí nén được dùng để biến đổi năng lượng
thành cơ năng hoặc dạng năng lượng khác.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang 10-
 Cơ cấu : là chuỗi động học trong đó có một khâu cố đònh với nền.
 Moving Platform : tấm động
 Fixed base : đế
 Prismatic actuator : Cơ cấu tác động lăng trụ
 Spherrical joint (S) : khớp cầu
 Revolute joint (R) : khớp quay
 Prismatic joint (P) : khớp lăng trụ
 Degree – of – Freedom (DOF) : bậc tự do
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang 11-
CHƯƠNG 2
GIỚI THIỆU VỀ ROBOT

2.1. GIỚI THIỆU
Hiện nay, thế giới Robot công nghệ rất đa dạng cả về cấu trúc hình học lẫn khả
năng thực hiện công việc. Tuy nhiên, theo cầu trúc hình học, chúng có thể được phân

loại theo ba kiểu sau : Robot song song, Robot nối tiếp và Robot lai (Hình 2.1.)
Trong đó, Robot nối tiếp và Robot song song đã được các tổ chức cũng như các
nhà sản suất quan tâm nghiên cứu nhiều nhất, do chúng có những ưu và nhược điểm
trong bảng 2.1 dưới đây :
Bảng 2.1
CẤU TRÚC ƯU ĐIỂM NHƯC ĐIỂM
Robot
• Không gian làm việc lớn.
• Khớp thấp giữa việc dòch
• Khả năng tải thấp.
• Gia tốc bộ tác động cuối
Khâu (Rigid Body)
Bộ tác động cuối
(End - Effector)
(a)
(b)
(c)
Khớp (Joint)
Đế (Fixed Base)


Hình 2.1 : Ví dụ về a) Robot nối tiếp ; b) Robot song song và c) Robot lai
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang 12-
nối tiếp
chuyển các chuỗi động học.
• Dễ dàng thiết lập được kiểu
động học nghòch.
thấp khi khối lượng vận

chuyển lớn.
• Độ chính xác về vò trí thấp
do các sai số của khớp dòch
chuyển cao.

Robot
song song
• Khả năng tải cao.
• Độ cứng vững của cơ cấu cao.
• Cấu trúc hình học đơn giản.
• Độ chính xác cao do sai số
của các khớp thấp.
• Bộ phát động có thể được đặt
ở đế.
• Tần số tự nhiên cao.
• Gia tốc có thể đạt được mức
cao do quán tính dòch chuyển
của hệ thống thấp.
• Không gian làm việc bò giới
hạn.
• Việc thiết lập động học
nghòch khó khăn.
• Không gian làm việc trong
phạm vi cố đònh.
• Khớp cao giữa các chuỗi
động học dòch chuyển.
• Vò trí và phương hướng của
tấm động thường được kết
hợp.

Hình 2.2 Ví dụ hình ảnh các loại robot đã được thương mại hóa.


Robot nối tiếp


Robot song song cao tốc


Robot lai
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang 13-
Tuy nhiên, theo cấu trúc hình học, mỗi loại Robot lại được phân chia theo
không gian làm việc và của chúng. Sơ đồ cây dưới đây là sự phân biệt Robot theo
cấu trúc hình học :

2.2. ROBOT NỐI TIẾP
Robot nối tiếp gồm nhiều khâu nối tiếp nhau bằng nhiều kiểu khớp, thường là
khớp quay và khớp lăng trụ. Một đầu của Robot được gắn với nền và đầu kia chuyển
động tự do trong không gian. Do đó, Robot nối tiếp thường được gọi là cơ cấu hở.
Khâu cố đònh được gọi là đế, đầu tự do có gắn bộ phận kẹp hoặc tay máy được gọi là
bộ tác động cuối. Robot nối tiếp thường được thiết kế giống như cánh tay con người.
Hiện nay, Robot nối tiếp đã được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghệ chế tạo
máy. Dưới đây là một vài ứng dụng của Robot nối tiếp trong lónh vực cơ khí.
ROBOT
ROBOT NỐI TIẾP
Được mô tả bởi cấu
hình động học hở.
ROBOT SONG SONG
Được mô tả bởi cấu
hình động học kín.
ROBOT LAI
Bao gồm cả cấu hình
động học kín và hở.
Cơ cấu song song đầy đủ
Số lượng của chuỗi
phải bằng số bậc tự do của
bộ tác động cuối.
Spatial Planar
Spatial Planar
Spatial Planar
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang 14-
2.3. ROBOT SONG SONG
Cấu tạo của Robot song song gồm một bệ chuyển động kết nối với đế cố đònh

bằng nhiều nhánh song song, số nhánh bằng số bậc tự do, nghóa là mỗi nhánh được
điều khiển bằng một cơ cấu tác động. Các cơ cấu tác động được gắn vào hoặc gần với
đế cố đònh. Cơ cấu chấp hành song song được ứng dụng khá phổ biến như là : các bộ
mô hình máy bay, các máy khai thác mỏ, … Hơn nữa, chúng còn được kết hợp thành
cụm gia công cơ khí có nhiều bậc tự do đểø đạt được độ chính xác và tốc độ cao. Đặc
điểm của Robot song song là độ cứng vững cao, quán tính thấp và khả năng tải trọng
lớn nhưng nhược điểm của chúng là không gian làm việc nhỏ và khó thiết kế.
Có thể nói một trong những tay máy song song nổi tiếng là Stewart platform
(Hình 2.4), nó được chế tạo bởi Stewart vào năm 1965 và được dùng trong công việc
mô phỏng máy bay. Sau này, các phiên bản của nó vẫn được dùng trong mục đích
này. Ngoài ra, Stewart platform còn có những ứng dụng khác như : Máy nghiền (được
Aronson chế tạo vào năm 1996); Thiết bò đào đất (được Arai chế tạo vào năm 1991);
…

Hình 2. Robot nối tiế
p
dùn
g
để xế
p
hàn
g
hóa

Hình 2.3 : Robot nối tiếp hàn khung xe
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang 15-
Thông thường, Stewart platform có sáu chân, mỗi chân được kết nối với đế và
tấm động nhờ các khớp cầu đặt cuối mỗi chân. Các tay máy có 6 chân sẽ tạo ra kết

cấu vững chắc và nhiều ưu
điểm khác (đã trình bày
trên bảng 2.1).









Nhưng, một trong những yêu cầu quan trọng của Robot song song : phải đảm bảo
tính đối xứng. Robot song song được gọi là đối xứng nếu thỏa các điều kiện dưới đây :
 Số lượng nhánh phải bằng với số bậc tự do của bệ máy di động.
 Kiểu khớp và số lượng khớp trong tất cả các nhánh được bố trí theo cấu
hình đồng nhất.
 Các nhánh cơ bản chỉ có một khớp bò động.
 Chuỗi động học cơ bản có thể được kết nối với nhiều hơn hai khâu.
Việc phân loại cấu trúc Robot có thể mở rộng hơn dựa trên nghiên cứu về
không gian làm việc : Spatial và Planar (Hình 2.5).
Trong cơ cấu không gian (Spatial), bộ tác động cuối (hay moving platform) của
Robot dòch chuyển nhiều hơn một mặt phẳng. Ngược lại, việc di chuyển bộ tác


Hình 2.4 : Một phiên bản của Stewart Platform
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang 16-
động cuối của Robot phẳng (Robot Planar) được giới hạn triệt để trên một mặt

phẳng. Người ta nói rằng, tất cả ba cấu trúc Robot song song, Robot nối tiếp và
Robot lai đều có không gian làm việc Spatial hay Planar.
Hình 2.5 trình bày chi tiết việc phân loại Robot dựa trên cấu trúc động học của
chúng.
2.4. ROBOT SONG SONG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU
Theo phân tích trong bảng 2.1, thì Robot song song phải được thiết kế sao cho
đạt được độ chính xác và tốc độ cao nhưng quán tính dòch chuyển thấp và sai số các
khớp không đáng kể. Vì thế, việc thiết kế Robot song song cần phải được tính toán
kỹ lưỡng.
Robot song song được phát triển lần đầu vào thập niên 1940 và đặc biệt phát
triển vào thập niên 1960. Platform đầu tiên được ứng dụng trong công nghệ hàng
không để kiểm tra đường bay và các phiên bản sau này được thiết kế phù hợp cho
việc mô phỏng máy bay. Ưu điểm của cơ cấu kín đối lập với cơ cấu hở đã thu hút
được nhiều nhà nghiên cứu. Việc nghiên cứu được tiến hành trong nhiều lónh vực,
Tấm động (Moving platform)
Đế (Fixed base)
Bộ tác động cuối
(End - Effector)
(a)
(b)

Hình 2.5 : a) Cơ cấu không gian ; b) Cơ cấu phẳng
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang 17-
tuy nhiên, chỉ mới bắt đầu cách đây khoảng hai thập kỷ. Ban đầu, các nhà nghiên
cứu chỉ quan tâm đến cấu trúc hình học và đặc tính của cơ cấu, sau này mới tính
đến chi phí chế tạo. Do vậy, khi thiết kế Robot song song cần phải xét đến khía
cạnh kinh tế để tránh trường hợp khi tiến hành chế tạo thì Robot lại không phù hợp
với công việc thực hiện.

Dưới đây là một số ví dụ về Robot song song điển hình đã được nghiên cứu,
thiết kế và chế tạo bởi các tổ chức trên toàn thế giới.
Bảng 2.2
TT Tên gọi Robot Tổ chức nghiên cứu Điểm nổi bật
1 Trường ĐH Maryland Robot 3 DOF
2 Trường Đại học McGill Cổ tay song song
3 Linepod Trường Đại học Stuttgart Máy phay ba trục
4 RSI hand
Controller
Trường Đại học Utah Robot 6 trục
5 UW – Hexapod Trường Đại học
Wyorming
Máy đònh vò 6 trục
6 Haptic Master Trường Đại học Tsukuba Máy đònh vò 6 trục
7 Eclipse Trường Đại học quốc gia
Seoul
Máy phay 6 DOF
8 Speed – R – Man CERT Robot 3 trục
9 Tetrapod CAT Cơ cấu Robot
10 Trường ĐH Kỹ thuật
Nanyang
Robot song song 3 DOF
11 M–850, F–206 Physik Instrumente Hệ thống đònh vò 6 trục
12 F – 100i Fanuc Robot đònh vò 6 trục
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang 18-
13 Cyber Air Base Virtogo Mô phỏng 6 DOF
14 Delta Demaurex Robot song song cao tốc có 3
hoặc 4 trục.

15 SMS, Skycam August design Mô phỏng máy bay
16 HecxaM Toyoda Máy phay 5 trục
17 Ex800 Deltalap Robot song song 6 trục thuộc
ngành giáo dục.
18 Flexpicker ABB Robotic Robot song song cao tốc có 3
hoặc 4 trục.
19 VARIAX Gilding & Lewis Máy phay 5 trục Hexapod
20 Hecxapod 100 Zeiss Máy đònh vò độ chính xác cao.

Do Robot song song có nhược điểm rất lớn là không gian làm việc bò hạn chế,
nên việc lựa chọn cấu trúc động học phải dựa vào nguyên tắc kết hợp giữa đặc
điểm và không gian làm việc của nó.
Nói chung, có thể kết luận rằng, trong suốt quá trình phát triển robot song song
và nghiên cứu khả năng ứng dụng của chúng, trong nhiều trường hợp, các phương
pháp nghiên cứu có thể là một trong những loại dưới đây :
TRƯỜNG HP 1
 Trình bày vấn đề cần thiết kế và các ứng dụng cụ thể của nó.
 Lựa chọn cấu trúc song song từ nhiều khả năng khác nhau trên cơ sở của
việc lựa chọn đánh giá sơ bộ.
 Tiến hành các bước phân tích khác nhau, đó là : động học, động lực học,
không gian làm việc và điểm kỳ dò.
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang 19-
 Thiết kế và thí nghiệm Robot để kiểm tra khả năng phù hợp cho việc các
ứng dụng hữu ích.
TRƯỜNG HP 2
 Làm mô hình cấu trúc song song mới.
 Tiến hành các bước phân tích khác nhau, đó là : động học, động lực học,
không gian làm việc và điểm kỳ dò.

 Xác đònh rõ các ứng dụng khác nhau rồi mới lựa chọn Robot song song có
thể được thực hiện.
 Thiết kế và thí nghiệm Robot (với kết cấu mới) để lực kiểm tra xem có phù
hợp với các ứng dụng tiềm năng không.
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG LUẬN VĂN NÀY
Do không chế tạo mô hình cũng như không thiết kế một loại robot song song
cao tốc ứng dụng cho riêng một lónh vực cụ thể nào, mà mục đích của luận văn này
chỉ khảo sát một loại robot song song cao tốc ba bậc tự do, để giới thiệu thêm một
loại robot khá mới mẻ trong lónh vực robot ở Việt Nam.
Hướng nghiên cứu trong luận văn này gồm các bước sau :
 Trình bày các ưu điểm của robot song song cao tốc.
 Lựa chọn cấu trúc robot song song cao tốc với ba bậc tự do.
 Phân tích động học thuận, động học nghòch, ma trận Jacobi và động lực học.
 Mô phỏng hoạt động của robot.

2.5. GIỚI THIỆU ROBOT SONG SONG CAO TỐC
Kỹ thuật tự động hóa Robot đã trở thành động lực chính trong nền phát triển
công nghiệp hiện đại. Đặc biệt là chỉ thực hiện các thao tác đơn điệu như lắp ráp
các linh kiện điện tử trên bo mạch nhưng đòi hỏi độ chính xác và cường độ làm
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang 20-
việc rất cao nên cần được thay thế người lao động bằng một loại Robot song song
cao tốc để có thể đạt được hiệu suất cao nhất.
So với Robot nối tiếp thì Robot song song cao tốc có những ưu điểm : độ cứng
vững cao, moment quán tính thấp, khả năng tải trọng cao. Còn so với Robot song
song thường thì Robot song song cao tốc được thiết kế để làm việc với tốc độ cao.
Dưới đây là một số hình ảnh về Robot song song cao tốc đã được thiết kế.
Cấu trúc hình học của Robot song song cao tốc có thể là dùng cable hoặc có
thể dùng các thanh liên kết lại có dạng hình bình hành. Tuy nhiên, đặc điểm của

Robot song song dùng cable là : vận tốc và gia tốc bò hạn chế, cần phải tính toán lực
căng dây chính xác. Cho nên, đối tượng nghiên cứu của luận văn này là tính toán
và mô phỏng Robot song song cao tốc ba bậc tự do, hình dạng của nó như sau :


Hình 1.3 : Robot song song cao tốc dùng cable

Hình 1.4 : Robot song song cao tốc
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang 21-
CHƯƠNG III
THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC

3.1. GIỚI THIỆU
Động học của tay máy nghiên cứu về chuyển động của tay máy dựa vào cấu
trúc hình học của các khâu. Quá trình phân tích động học bỏ qua lực ma sát và
moment xoắn sinh ra do chuyển động. Nghiên cứu động học tay máy được chia ra
làm hai phần : Bài toán động học thuận và bài toán động học nghòch.
Đặc điểm của bài toán động học thuận là biết trước chuyển động tương đối
giữa các khâu (còn gọi là các biến dòch chuyển), từ đó xác đònh vò trí và hướng của
khâu tác động cuối (còn gọi là các biến vò trí) theo tọa độ Descartes.
Đặc điểm của bài toán động học nghòch là biết trước quy luật của các biến vò
trí từ đó xác đònh quy luật chuyển động của các biến dòch chuyển giữa các khâu.
Đối với tay máy song song, khi số vòng động học khép kín tăng lên thì việc
giải quyết bài toán động học thuận càng khó hơn, còn giải quyết bài toán động học
nghòch lại đơn giản hơn. Điều này hoàn toàn đối lập với tay máy nối tiếp.

3.2. MÔ TẢ CẤU TRÚC CỦA ROBOT
Phần này nghiên cứu cơ cấu chấp hành song song ba bậc tự do. Cơ cấu này chỉ

sử dụng các khớp ràng buộc theo chuyển động tuyến tính.
Cấu tạo của cơ cấu như sau :
 Fixed – base : Đế cố đònh
 Moving Platform : tấm động
 A, B, C là ba khớp quay song song.