Thiết kế, chế tạo mô hình tay máy gắp sản phẩm

MỤC LỤC

Nội dung
Trang

CHƯƠNG I : DẪN NHẬP
1.1. Đặt vấn đề 1
1.2. Tầm quan trọng của đề tài 1
1.3. Điểm mới của đề tài 2
1.4. Giới hạn đề tài 2
1.5. Mục đích nghiên cứu 2
1.6. Phương pháp nghiên cứu 3
1.7. Thời gian nghiên cứu 3

chương 2 : Cơ sở lý luận
2.1. Sự xuất hiện của thuật ngữ robot và tình hình nghiên cứu sử dụng robot
của các nước trên thế giới 4
2.2. Tình hình phát triển của robot ở Việt Nam 5
2.3. Nhu cầu thực tế về vấn đề sử dụng robot trong sự nghiệp CNH-HĐH ở
nước ta
7
2.4. Những công việc đòi hỏi nên đưa vào sử dụng các cơ cấu robot 8
2.5. Các loại robot trong công nghiệp và phạm vi ứng dụng của từng loại 9
2.5.1. Robot Scara 4 bậc tự do 9
2.5.2. Robot Puma 10
2.5.3. Robot Stanford 10
2.5.4. Một số khó khăn khi tính toán và chế tạo robot ở nước ta trong
giai đoạn hiện nay 11
2.6. Cơ sở lý thuyết về ma trận chuyển, phương trình cơ bản của robot 12
2.6.1. Ma trận chuyển đổi tònh tiến giữa hai toạ độ 12
2.6.2. Ma trận biến đổi xoay giữa hai toạ độ. 13

2.7. Ma trận biến đổi xoay quay các trục đặc biệt 15
2.7.1. Ma trận biến đổi khi xoay hệ trục toạ độ OX
1
Y
1
Z
1
quanh trục X một
góc
α so với hệ trục toạ độ OXYZ 15
2.7.2. Ma trận biến đổi khi xoay hệ trục toạ độ OX
1
Y
1
Z
1
quanh trục Y một
góc
β so với hệ trục toạ độ OXYZ 16
2.7.3. Ma trận biến đổi khi xoay hệ trục toạ độ OX
1
Y
1
Z
1
quanh trục Z
một góc θ so với hệ trục toạ độ OXYZ 16
2.7.4. Bộ thông số DH(Denavit. J & Hartenberg R.S) 17
2.7.5. Thiết lập hệ trục toạ độ 18
2.7.6. Mô hình biến đổi 19

2.7.7. Phương trình động học 19
2.8. Cơ sở lý thuyết về ma trận Jacobi 20
2.9. Phương trình Lagarange bậc II ứng dụng trong phân tích động lực học
cho robot 23
2.10. Cơ sở lý thuyết về họ vi xử lý 8051 24
2.10.1. Giới thiệu chung 24
2.10.2. Cấu Trúc AT89S52 25
2.10.3. Sơ đồ khối 26
2.10.4. Sơ đồ chân 27
2.10.5. Cấu trúc của vùng Ram 28
2.10.6. Ngôn ngữ điều khiển 28
2.10.7. Kết nối với máy tính 29
2.10.8. Cấu trúc cổng xuất nhập và mô tả chức năng các chân trên vi điều
khiển 33
2.11. Giới thiệu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ bước 36
2.11.1. Nguyên tắc hoạt động chung của động cơ bước 36
2.11.2. Nguyên tắc họat động của động cơ bước dạng từ dẫn thay đổi 37
2.11.3. Điều khiển động cơ bước 41
2.12. Cơ sở lý thuyết về giao tiếp máy tính 42
2.12.1.Các phương pháp giao tiếp 42
2.12.2.Các hình thức giao tiếp trên máy tính 43
2.12.3. Tiêu chuẩn giao tiếp cổng nối tiếp 43
2.12.4. Chức năng của các chân trên các cổng giao tiếp 43
2.12.5. Phương pháp kết nối 44
2.12.6. Nguyên lý truyền dữ liệu. 46
2.13. Khái quát về giao tiếp nối tiếp trong matlab 46
2.14. Trình tự thực hiện giao tiếp giữa thiết bò với cổng nối tiếp. 47
Chương III: Chọn sơ đồ cơ cấu, tính toán động học và động lực học
cho robot 6 bậc tự do 49
3.1. Chọn sơ đồ kết cấu cho robot 6 bậc tự do 49

3.2. Các kích thước ban đầu. 50
3.3. Tính toán động học thuận cho robot 6 bậc tự do 50
3.3.1. Nhiệm vụ 50
3.3.2 Sơ đồ của robot gắp sản phẩm, bộ thông số DH 51
3.3.3. Phân tích động học thuận cho robot 51
3.4. Phân tích động học ngược cho robot. 55
3.5. Ứng dụng ma trận Jacobi quay vít để tính toán vận tốc cho các
khớp và bộ tác động cuối 60
3.6. Tính toán động lực học cho robot 6 bậc tự do 65
3.6.1. Tính bền cho toàn bộ cơ cấu dựa trên cơ sở tónh học 65
3.6.2. Kiểm tra động lực học cho tay máy khi đang thực hiện nhiệm vụ 72
Chương IV: Thiết kế bộ điều khiển và chương trình giao tiếp máy tính 78
4.1. Phân tích bộ điều khiển tay máy. 78
4.2 Thiết kế mạch điện cho các bộ giải mã. 80
4.2.1: Nhiệm vụ 80
4.2.2. Sơ đồ mạch điện điều khiển vi bước 80
4.3. Thiết kế mạch điều khiển chính 81
4.3.1.Nhiệm vụ 81
4.3.2. Thiết kế mạch điều khiển chính. 81
4.4. Thiết kế mạch xử lý tín hiệu từ cảm biến. 82
4.4.1. Nhiệm vụ 82
4.4.2. Sơ đồ mạch điện xử lý tín hiệu cảm biến 82
4.5. Thiết kế giao diện điều khiển 83
4.5.1. Nhiệm vụ 83
4.5.2. Xử lý số liệu nhập 84
4.5.3. Giao diện điều khiển 84
4.6. Trình tự lập trình hoạt động cho tay máy. 85
4.7. Mô phỏng hoạt động 85
4.7.1. Giới thiệu về phần mềm Solid edge 85
4.7.2. Giới thiệu về phần mềm Visual Natran 86

4.8. Thuật toán điều khiển cho robot gắp sản phẩm 87
Chương V: Thực Nghiệm 88
5.1. Chế tạo các bộ giải mã. 88
5.1.1. Sơ đồ mạch in 88
5.1.2. Sơ đồ thực tế. 88
5.2. Chế tạo bộ điều khiển trung tâm, Bộ điều khiển trung gian và
card giao tiếp. 89
5.2.1. Sơ đồ mạch in 89
5.2.2. Sơ đồ thực tế. 89
5.3. Chế tạo mạch cảm biến 90
5.3.1. Sơ đồ mạch in 90
5.3.1. Sơ đồ thực tế 90
5.4. Cấu tạo bộ điều khiển và mô hình thực tế 90
5.5. Giải quyết một bài toán thực tế 92
Chương VI: Kết luận và hướng phát triển 96
6.1. Kết luận 96
6.2. Hướng phát triển của đề tài 96
Phụ lục 1. Chương trình viết cho bộ điều khiển trung tâm và bộ điều
khiển trung gian 97
1. Chương trình viết cho bộ điều khiển trung tâm 97
2 Chương trình viết cho bộ điều khiển trung gian 1 102
3 Chương trình viết cho bộ điều khiển trung gian 2 113
Phụ lục 2: Thuật toán điều khiển động cơ vi bước, chương trình viết cho
vi bước bằng hợp ngữ và chương trình matlab tính toán các dữ liệu vào 117
1. Thuật toán điều khiển vi bước 117
2. Chương trình điều khiển vi bước 117
3. Chương trình tạo giao diện và tính toán dữ liệu vào 123
Phụ lục 3: Các hệ số trong phương trình động lực học cho robot 6 bậc tự do 134
Tài liệu tham khảo 141

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN

TRANG 1
CHƯƠNG I
DẪN NHẬP
1.1. Đặt vấn đề
Hiện nay tình hình robot trên thế giới đang ở đỉnh cao của sự phát triển, việc ứng
dụng robot trong nhiều lónh vực khác nhau của đời sống được thể hiện rõ rệt. Nhu cầu thay
thế dần các công việc của con người bằng các tay máy có chức năng tương tự đã và đang
tiếp tục được thực hiện, Trong khi đó, sự tiếp cận về lónh vực này ở Việt Nam tính đến nay
vẫn còn rất nhiều hạn chế, chúng ta thiếu cả về số lượng cũng như chất lượng các sản
phẩm robot thực tế, thiếu về các tài liệu tính toán, về thiết bò điều khiển cũng như công
nghệ chế tạo sản phẩm robot hoàn chỉnh. Vì vậy, để tăng tốc độ tiếp cận và áp dụng rộng
rãi công nghệ mới này chúng ta cần phải đẩy mạnh tốc độ phát triển cả về vấn đề tính
toán cũng như công nghệ chế tạo các thiết bò hiện đại này, mà trước hết là phải triển khai
và phát triển các đề tài trong nước làm tiền đề cho sự phát triển các sản phẩm thực tế sau
này. Đứng trước tình hình đó nhiệm vụ của các trung tâm nghiên cứu, các trường Đại học,
cao đẳng trong nước đối với vấn đề này, phải được đặt lên tầm quan trọng hàng đầu, các
trường phải có nhiều đề tài nghiên cứu cả về lónh vực thiết kế cũng như chế tạo, làm cơ sở
đào tạo ra các cán bộ kỹ thuật có năng lực, đáp ứng được nhu cầu phát triển ngành của
robot trong tương lai gần. Trên cơ sở đó, đề tài “Thiết kế, chế tạo tay máy gắp sản phẩm”,
với sự trình bày một cách khá tổng quát về trình tự thiết kế, chế tạo một robot hoàn chỉnh
6 bậc tự do, sẽ là một đề tài rất có ý nghóa cho quá trình đào tạo về lónh vực robot ở
Việt Nam, đồng thời nó còn là tiền đề cho các nhà máy, các xí nghiệp khi thực hiện quá
trình sản xuất tay máy ứng dụng vào thực tế đời sống.

1.2 Tầm quan trọng của đề tài
Sự thay thế dần sức người bằng sức máy là một vấn đề cực kỳ quan trọng trong
quá trình đất nước chuẩn bò hoàn thành giai đoạn CNH-HĐH và tiến lên chủ nghóa xã
hội, với đề tài “Thiết kế, chế tạo tay máy gắp sản phẩm” không những sẽ làm sáng

tỏ các vấn đề về mối liên quan giữa các lónh vực Công nghệ thông tin – Điện tử – Cơ
khí mà nó còn thể hiện mức độ rút ngắn khoảng cách sự tiếp cận các công nghệ mới ở
Việt Nam so với các nước trên thế giới, cũng như tạo ra một đòn bẩy thúc đẩy sự phát
triển nhanh lónh vực robot ở nước ta.
Với kết cấu 6 bậc tự do, cơ cấu tay máy sẽ rất linh hoạt, điểm tác động cuối có
thể chuyển động theo bất cứ một quỹ đạo nào và quay theo bất cứ một trục nào nằm
trong vùng không gian hoạt động của nó. Điều này rất có ý nghóa khi kiểm tra và thể
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN

TRANG
2
hiện một giải thuật điều khiển từ máy tính. Đồng thời nó cũng không kém phần quan
trọng để sinh viên có thể thử nghiệm khi viết chương trình điều khiển quỹ đạo của
robot theo ý muốn.
Nếu trong dây truyền sản xuất tự động, có sự trang bò của loại robot linh hoạt
này, khi có yêu cầu về thay đổi chu trình làm việc, thay vì phải thay thế bằng một cơ
cấu robot khác, cơ cấu robot này chỉ cần nạp vào một chương trình điều khiển mới là
có thể đáp ứng được. Điều này sẽ giúp các nhà máy giảm chi phí về thời gian, tiền
của cũng như nắm bắt được các thời cơ trong chu kỳ phát triển của sản phẩm.

1.3. Điểm mới của đề tài
Phần tính toán lý thuyết về động học, động lực học được thể hiện trong đề tài,
không có gì mới so với các đề tài trước đây, chủ yếu vẫn dựa trên cơ sở lý thuyết tính
toán của các tài liệu đã có, các lý thuyết về vi xử lý nói riêng và kỹ thuật điện tử nói
chung cũng chủ yếu mang tính ứng dụng vào thực tế.
Tuy nhiên, với phần lập trình điều khiển, người nghiên cứu đã sử dụng trực tiếp công
cụ tính toán là phần mềm Matlab để truyền tải dữ liệu cho các khối vi xử lý, các khối vi xử
lý này sẽ trực tiếp điều khiển cơ cấu chấp hành. Có thể nhấn mạnh rằng, điểm mới của đề
tài là : người nghiên cứu đã tổng hợp và nối kết được các mảng kiến thức của 3 lónh vực :
Công nghệ thông tin – Điện tử – Cơ khí, để tạo nên một sản phẩm robot khá hoàn chỉnh.

Ngoài ra, với sự ứng dụng của các phần mềm : Autocad, Inventer, Solid egle, Visual nastran
vào việc vẽ và mô phỏng sẽ làm cho vấn đề lý thuyết được sáng tỏ hơn, thêm vào đó các
công cụ tạo giao diện sẽ đơn giản hoá quá trình thiết lập quy luật điều khiển cho tay máy,
điều này sẽ giảm thiểu thời gian cho người sử dụng cũng như độc giả có quan tâm.
1.4. Giới hạn đề tài
Do thời gian nghiên cứu và điều kiện vật chất có hạn nên trong đề tài này người
nghiên cứu mới chỉ tính toán, thiết kế và chế tạo thử nghiệm một mô hình robot 6 bậc tự
do. Mô hình này có thể nâng vật nặng tối đa là 1kg, và vận tốc tối đa là 0.05m/s, bộ tác
động cuối là bộ phận chỉ gắp các chi tiết dạng hộp có kích thước tối đa là 60 x 60 x 60
và tối thiểu là 30 x 30 x 30 và ứng dụng chủ yếu trong công tác đào tạo ở các trường Đại
Học, Cao Đẳng và Trung Học Trong nước.

1.5. Mục đích nghiên cứu.
Với đề tài ““Thiết kế, chế tạo tay máy gắp sản phẩm” người nghiên cứu thể
hiện với các mục đích sau:
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN

TRANG
3
- Hoàn thiện một lượng kiến thức khá lớn về tin học và điện tử nói chung,
công nghệ tự động hoá nói riêng.
- Giới thiệu cho học sinh các trường kỹ thuật một sản phẩm khá hoàn chỉnh về
một tay máy với 6 bậc tự do bao gồm phần tính toán cơ học, thiết kế mạch điều
khiển, các chương trình điều khiển.
- Góp phần phát triển nghành công nghệ tự động của nước nhà.
1.6. Phương pháp nghiên cứu.
- Phương pháp tham khảo tài liệu : Tài liệu về robot công nghiệp, tài liệu về thiết
kế mô phỏng, tài liệu về lập trình bằng ngôn ngữ matlab, tài liệu về động cơ
bước, động cơ Servo, tài liệu về vi xử lý và các linh kiện bán dẫn, linh kiện điện
tử công suất.

- Phương pháp thực nghiệm : Lắp ráp và thí nghiệm các mạch điều khiển động cơ
bước, Bộ điều khiển chính, cổng truyền thông nối tiếp với phần mềm matlab, gia
công toàn bộ các chi tiết và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình robot 6 bậc tự do.
1.7. Thời gian nghiên cứu.
- Từ tháng 2/2006 đến tháng 3/2006, tham khảo các tài liệu và tính toán các thông
số cơ bản để thiết kế và chế tạo mô hình robot.
- Từ tháng 3/2006 đến tháng 6/2006, thiết kế và chế tạo mô hình robot 6 bâc tự do.
- Từ tháng 6/2006 đến tháng 8/2006, thử nghiệm và chế tạo bộ điều khiển, Card
giao tiếp với phần mềm matlab.
- Từ tháng 8/2006 đến 15/9/2006,Tổng kết và hoàn thành thuyết minh.
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN

TRANG
4
CHƯƠNG II
CƠ SỞ LÝ LUẬN
2.1. Sự xuất hiện của thuật ngữ robot và tình hình nghiên cứu sử dụng robot của
các nước trên thế giới
Thuật ngữ “robot” bắt đầu xuất hiện vào khoảng năm 1922 trong tác phẩm
“Rossum’s Universal Robot” của Karel Capek. Theo tiếng séc có nghóa là người tạp
dòch. Trong tác phẩm này nhân vật Rossum và con trai ông ta đã tạo ra những chiếc
máy gần giống như con người để hầu hạ con người.
Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu trở thành hiện
thực. Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những tay máy
chép hình điểu khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ.
Vào giữa những năm 50 thì hàng loạt các tay máy dạng chép hình đã xuất hiện
nhưng mãi đến năm 1975 công ty Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ những sản
phẩm robot đầu tiên.
Khái niệm robot công nghiệp được ra đời và đưa vào ứng dụng đầu tiên vào năm
1961 ở hoa kỳ.

Năm 1967 nhật bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF
tại hoa kỳ, và đến năm 1990 có hơn 40 công ty nhật bản, trong đó có những công ty
khổng lồ như công ty Hitachi và công ty Mitsubishi, đã đưa ra thò trường quốc tế nhiều
loại robot nổi tiếng.
Từ ngay sau đó việc đưa vào ứng dụng những loại robot được phát triển rất mạch
ở nhật, trong khi mỹ thì nghiêng về phần tính toán cơ sở lý thuyết.
Từ những năm 70 việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều
đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc, các
robot này có thể có một vài chức năng nhận biết giống như con người. Tại trường đại
học tổng hợp Stanford người ta đã tạo ra loại robot lắp ráp tự động điều khiển bằng máy
vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thò giác. Cũng vào thời gian này
công ty IBM đã chế tạo loại robot có các cảm biến xúc giác và cảm biến lực, điều
khiển bằng máy vi tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết.
Từ những năm 80 nhất là vào khoảng những năm 90 do áp dụng rộng rãi các tiến
bộ về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, giá
thành giảm rõ rệt so với trước đó nhưng các tính năng được phát triển vượt bậc, hầu
như có thể thay thế toàn bộ các công việc nặng nhọc và độc hại cho con người.
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN

TRANG
5
Chính từ những ứng dụng này lên chuyên ngành khoa học về robot “Robotics” đã trở
thành một lónh vực rộng rãi trong khoa học, bao gồm các vấn đề về động học, động lực
học, tính toán điều khiển theo quỹ đạo, cảm biến tín hiệu điều khiển chuyển động v.v…
Việc ứng dụng robot trên thế giới đã được nghiên cứu và phát triển mạnh ở các
nước : Pháp, Đức, Italia, Nhật, Anh, Mỹ và đến nay thì đã lan rộng sang các nước châu
Á như : Hàn Quốc, Singapo, Đài Loan. Tuy nhiên, trong những năm 1991 thì việc ứng
dụng công nghệ robot ở các nước ở Châu Á còn thấp nhưng đến năm 2000 thì mức độ
sử dụng và phát triển gần ngang bằng với các nước phát triển.
Robot được ứng dụng nhiều nhất ở các nước trên thế giới là trong công nghệ chế

tạo lắp ráp xe hơi và lắp ráp một số sản phẩm khác.
Cho đến nay công nghệ sử dụng robot ở các nước phát triển đã ở giai đoạn phát
triển cao nhất, từ các công việc như giúp việc nhà, trang trí, khuôn dỡ hàng hoá, lắp
ráp kiểm tra sản phẩm, an ninh quốc phòng, thám hiểm v.v.v đều có sự tham gia của
robot. Đặc biệt là các công việc nặng nhọc và mang tính độc hại thì sử dụng robot là
một trong các phương pháp nâng cao hiệu quả nhất.
Các công ty nhật cho đến hiện nay nhờ sự phát triển với tốc độ rất nhanh của
nghành điện tử và công nghệ thông tin họ đã giới thiệu các sản phẩm robot với hình
dạng và các tính năng giống hệt như con người, ví dụ như robot leo cầu thang, vỗ tay,
cúi chào khán giả v.vv
Robot có thể ứng dụng trong nhiều công việc khác nhau, như đã đề cập, những
khái niệm robot công nghiệp vẫn luôn là điểm mấu chốt trong công nghệ chế tạo
robot, thuật ngữ robot công nghiệp được rất nhiều các tác giả đònh nghóa khác nhau
nhưng theo ISO thì robot công nghiệp là một tay máy đa mục tiêu, có một số bậc tự
do, dễ dàng lập trình, điều khiển trợ động, dùng để tháo lắp phôi, dụng cụ hoặc các
vật dụng khá. Do chương trình thao tác có thể thay đổi nên thực hiện nhiều nhiệm vụ
đa dạng. Nói một cách đầy đủ hơn, Robot công nghiệp là những thiết bò tự động linh
hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người.

2.2. Tình hình phát triển của robot ở Việt Nam
Đối với nước ta, việc đưa vào sử dụng robot có thể nói là một trong những nước
chậm nhất tuy vậy với mục tiêu tiếp cận kỹ thuật mới về lónh vực này, trong nước đã
triển khai các đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước : 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
khong những đáp ứng được nhu cầu tiếp cận mà còn có những ứng dụng ban đầu trong
kỹ thuật bảo hộ lao động và phục vụ công tác đào tạo cán bộ kỹ thuật ở nước ta.
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN

TRANG 6
Trong giai đoạn tiếp theo từ năm 1990 các nghành công nghiệp trong nước bắt

đầu được đổi mới. Nhiều cơ sở cần phải trang bò một số các hệ thống thiết bò mới
nhưng chủ yếu là nhập dây truyền từ các nước phát triển để phục vụ cho một số các
công việc sau đây:
- Tháo lắp các dụng cụ cho các trung tâm gia công và các máy CNC.
- Lắp ráp các linh kiện điện tử.
- Tháo các sản phẩm ở máy ép nhựa tự động, trong đó có loại thao tác phối hợp
với hệ thống giám sát, điều khiển bằng camera.
- Hàn vỏ xe hơi.
- Phun sơn, phủ các bề mặt.
Từ tháng 4/98 nhà máy Rorze/Robotech đã bước vào hoạt động ở khu công nghiệp
Nonura Hải Phòng. Đây là nhà máy đầu tiên ở Việt Nam chế tạo và lắp ráp robot. Đó là
loại robot có cấu trúc đơn giản nhưng rất chính xác trong sản xuất chất bán dẫn. Nhà
máy Rorze Robotech có vốn đầu tư là 46 triệu đôla mỹ do Nhật Bản đầu tư.
Trong những năm gần đây Trung Tâm Nghiên Cứu Kỹ Thuật (NCKT) tự động
hoá, trường Đại Học Bách Khoa (ĐHBK) – Hà Nội đã nghiên cứu tính toán thiết kế
một kiểu robot mới ký hiệu là robot RP. Robot RP thuộc loại robot phỏng sinh (Bắt
trứơc cơ cấu tay người). Sự khác biệt của robot này với các kiểu robot phỏng sinh khác
là ở đây dùng cơ cấu pantograph với 2 con trượt dẫn động làm mô đun chủ yếu của cơ
cấu tay máy.
Trung tâm nghiên cứu đã chế tạo thử nghiệm các robot với tên RPS-406 dùng để
phun men, Robot RPS – 4102 dùng trong công nghệ bề mặt có 6 bậc tự do, Robot SCA
mini dùng để phục vụ cho các trường tham khảo và nghiên cứu, ngoài ra trung tâm
còn xây dựng một thư viện tính toán mô phỏng một số loại robot hiện có trên thế giới.
Một số các trường đại học cao đẳng ở phía nam và miền trung trong thời gian này
thì mới chỉ trong giai đoạn nghiên cứu lại những thành quả robot đã có sẵn của trung
tâm nghiên cứu và của các trường đại học nổi tiếng trên thế giới.
Từ sau năm 2003 thì tình hình phát triển và ứng dụng robot ở phía nam đã phát triển
những bước vượt bậc, các trường chủ chốt như Đại học Bách Khoa TP.HCM và Đại học
Sư Phạm Kỹ Thuật đã mở ra một lónh vực hoàn toàn mới đó là lónh vực về điều khiển tự
động rất thích hợp cho sự phát triển về robot. Trong những năm gần đây để lónh vực robot

của nước nhà hàng năm chính phủ phát động cuộc thi robocon, cuộc thi này được các sinh
viên hưởng ứng và tham gia tích cực. Tuy nhiên, đây chỉ là sự phát triển về ý tưởng sáng
tạo về robot chưa đi sâu vào chế tạo và tính toán kết cấu thực tế của robot, trong khi đó ở
các nước phát triển trong thời gian này họ chủ yếu nghiên cứu về công nghệ ứng dụng các
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN

TRANG
7
loại robot mới và các thiết bò trang bò trên nó nhằm nâng cao tốc độ và độ chính xác cùng
với năng suất làm việc. Nhưng cũng cần phải nhấn mạnh đây là bước đi đầu tiên tạo tiền
đề vững chắc cho lónh vực phát triển về robot sau này.
Trong các nhà máy xí nghiệp thì sự ứng dụng của robot trong các dây truyền sản
xuất đã trong giai đoạn phổ biến, việc nghiên cứu tính toán thì hầu như không xuất
hiện ở đây mà chủ yếu là ở các trung tâm nghiên cứu và ở các trường đại học sau đó
chuyển giao công nghệ cho các nhà máy xí nghiệp.
Gần đây nhất là sự ra đời của robot song song với độ cứng vững rất cao do viện
nghiên cứu cơ học Hà Nội chế tạo sử dụng trong việc gia công chính xác các chi tiết.
Nói chung sự phát triển của lónh vực robot đối với Việt Nam hiện nay là một
bước phát triển vượt bặc so với trước đây, nhưng so với các nước trên thế giới thì vẫn
còn thua kém rất nhiều đặc biệt là trong công nghệ chế tạo và điều khiển robot.

2.3. Nhu cầu thực tế về vấn đề sử dụng robot trong sự nghiệp CNH-HĐH ở nước ta
Trong sự nghiệp công nghiệp hoá và hiện đại hoá của nước nhà và đồng thời để
theo kòp đà tiến của các nước phát triển đặc biệt là các nước láng giềng như Trung
Quốc thì nhu cầu hiện đại hoá và sử dụng các dây truyền sản xuất hoàn toàn tự động
là cực kỳ bức thiết. Tất cả các công nghệ tiên tiến ở nước ta hiện có hầu như đều nhập
từ các nước trên thế giới mà bản thân nước nhà hầu như chưa thể thực hiện được.
Trong các nhà máy xí nghiệp đặc biệt đối với xí nghiệp có môi trường làm việc
độc hại và nóng bức thì hiện nay công nhân vẫn phải trực tiếp thực hiện, các công
việc đơn điệu trong các dây truyền như phân loại sản phẩm theo hình dáng số lượng,

hoạc khối lượng và ngay cả các công việc tỉ mỉ như lắp ráp những linh kiện nhỏ vào
trong bo mạch, khuân dỡ hàng hoá ở các cảng v.v vẫn là công việc của con người,
các công việc mang tính lặp đi lặp lại nếu được thực hiện bởi con người thì không
những năng suất mà chất lượng sẽ giảm đáng kể, nếu thay bằng hệ thống các robot tự
động thì không những tăng năng suất, chất lượng và nhòp độ sản xuất không đổi mà
còn có thể tăng được một khoảng thời gian lớn nếu robot làm việc 24/24. Tuy năm thứ
nhất mức đầu tư cho một robot so với mức thuê mướn nhân công thì có thể việc đầu tư
cho một robot trong giai đoạn hiện nay có giá thành cao hơn rất nhiều, nhưng nếu so
sánh trong những năm tiếp theo thì lợi nhuận từ robot sẽ lại cao hơn rất nhiều so với
mức thuê mướn nhân công. Nếu xét trong một khía cạnh khác của mức độ ổn đònh sản
xuất thì sử dụng robot trong tất cả các công đoạn cũng sẽ giảm đi một số lượng lớn bộ
phận nhân sự khi đào tạo đầu vào của nhân công, Trong khi với robot thì việc học việc
chỉ đơn giản là nạp chương trình vào bộ nhớ của nó.v.v
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN

TRANG 8
Với các công việc nguy hiểm như làm việc trực tiếp với các hoá chất độc hại có
thể gây cháy nổ, thám hiểm núi lửa mặt trăng, hay một hành tinh lạ nào đóv.v thì
chắc chắn sự tham gia của robot là phù hợp hơn cả. Mặt khác, để tiến tới mức độ tự
động hoá hoàn toàn các khâu trong sản xuất và trong hầu hết các lónh vực về xã hội
và nhằm nâng cao năng lực sáng tạo của con người thì sự phát triển các robot tự động
là hoàn toàn phù hợp. Trên cơ sở này thì giờ đây công việc của con người chỉ là ở mức
độ lập trình hướng dẫn cho robot làm việc.
Lónh vực y tế hiện nay cũng đã đưa vào sử dụng rất nhiều các hệ thống robot,
Điều này là do với sự phát triển như vũ bão của hệ thống thông tin, sự đa dạng về các
chíp điện tử, sự phát triển của các vi mạch có ổn đònh cao, sự gia công chính xác của
các phương pháp gia công tiên tiến, sự ra đời của các loại vật liệu nhẹ nhưng có độ
cứng và bền cao v.v với sự tổng hợp của các yếu tố này thì độ chính xác và độ tin
cậy của robot đã được nâng lên rất cao và h ầu như không gặp bất cứ một sự cố gì
trong quá trình thực hiện công việc.

Trong giai đoạn đất nước đang chuẩn bò tham gia tổ chức thương mại quốc tế
“WTO” thì giá thành hàng hoá có xu hướng giảm đi rất nhiều, nếu dây truyền sản
xuất hiện nay của các xí nghiệp trong nước không được thay đổi và trang bò thêm các
hệ thống tự động thì chắc chắn rằng hàng hoá trong nước sẽ không thể cạch tranh
được với hàng hoá từ các nước khác đưa vào. Khi đó, nền kinh tế của nước ta có thể bò
phụ thuộc nhiều vào các nước khác, điều này sẽ ảnh hưởng không tốt đến vấn đề an
ninh độc lập chủ quyền của nước ta mà bao đời nay đã giữ vững được.
Từ những yếu tố trên chúng ta có thể khẳng đònh rằng, việc đầu tư nghiên cứu và
phát triển các hệ thống tự động nói chung và các hệ thống robot nói riêng phải là vấn
đề được quan tâm hàng đầu, việc đầu tư cho lónh vực này chính là một trong những
phương pháp nhanh nhất để nước ta hoàn thành sớm sự nghiệp CNH – HĐH đất nước.

2.4. Những công việc đòi hỏi nên đưa vào sử dụng các cơ cấu robot
Như đã đề cập ở phần trên chúng ta có thể đưa ra những công việc mà nếu sử
dụng robot thì hiệu quả công việc sẽ tăng lên rất nhiều cụ thể như :
- Những công việc mang tính đơn điều nhàm chán như : lắp ráp các linh kiện
điện tử, lắp ráp những chi tiết bulông đai ốc, chuyển sản phẩm từ vò trí này
đến một vò trí khác.
- Những công việc mang tính nguy hiểm như : thám hiểm núi nửa, đại dương,
thăm dò những hành tinh mới, mài cơ với tốc độ cao.
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN

TRANG
9
- Những công việc mang tính độc hại và môi trường làm việc nóng bức như:
vận chuyển hoá chất, gắp sản phẩm trong các lò nung, tôi, đúc vv
- Những công việc cần độ chính xác cao và mang tính ổn đònh.
Những công việc này trong giai đoạn hiện nay thì nên đưa vào sử dụng các cơ
cấu robot và trong tương lai thì chắc chắn rằng phải có sự tham gia của robot thì mới
đảm bảo được các vấn đề về sức khoẻ cho con người, hiệu quả sản xuất cũng như vấn

đề về tiếp cận các công nghệ mới của thời đại.

2.5. Các loại robot trong công nghiệp và phạm vi ứng dụng của từng loại
Tuỳ theo từng loại và đặc điểm của công việc mà đưa vào kết cấu robot cho phù
hợp, cho đến nay do tính đa dạng của các loại công việc và hình thức sử dụng robot
trong các lónh vực khác nhau lên có rất nhiều kết cấu robot khác nhau, nhưng xét cho
cùng thì chỉ có 2 dạng kết cấu đó là robot với kết cấu nối tiếp và robot với kết cấu
song song.
Với robot nối tiếp thì các khâu sẽ nối tiếp nhau, từ khâu có đònh đến khâu cuối
cùng, xét về nguyên lý máy thì đó là cơ cấu hở, loại robot này có tính uyển chuyển rất
cao và kết cấu cũng khá gọn lên thường ứng dụng trong các công việc như lắp ráp, di
chuyển các sản phẩm, phun sơn, hàn các kết cấu phức tạp v.v… tuy nhiên do là cơ cấu
hở lên độ cứng vững và độ ổn đònh không được cao vì vậy để đảm bảo độ chính xác
thì tốc độ của các robot này thường là rất thấp.
Với robot song song thì tất cả các khâu sẽ tạo thành một chuỗi khép kín, xét về
nguyên lý máy thì đó là cơ cấu kín, vì là cơ cấu kín lên độ cứng vững rất cao nó được
ứng dụng trong các công việc cần độ ổn
đònh lớn và tải trọng cao ví dụ như làm bàn
dao cho các máy phay CNC hay các máy
gia công tia lửa điện. Mặt khác tốc độ của
robot song song cũng cao hơn nhiều do độ
cứng vững và việc sử dụng các loại vật liệu
nhẹ, nên nó còn được ứng dụng trong các
công việc cần tốc độ cao như lắp ráp các
linh kiện trong công nghệ lắp ráp tốc độ
cao, tuy nhiên do kết cấu phức tạp lên độ
linh động của cơ cấu thấp thường phải làm
việc ở vùng không gian ít chướng ngại vật.
2.5.1. Robot Scara 4 bậc tự do
Hình 1: Robot Scara 4 bậc tự do

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN

TRANG 10
Ưu điểm: Kết cấu khá đơn giản, dễ chế tạo, vùng không gian hoạt động tương đối rộng.
Nhược điểm: độ linh hoạt không cao, hướng của cơ cấu tác động cuối chỉ có thể xoay quanh
trục thẳng đứng.
Phạm vi ứng dụng: ứng dụng trong các dây truyền lắp ráp các chi tiết có đònh hướng
theo một phương, di chuyển sản phẩm giữa các dây truyền, đóng gói, phân chia sản
phẩm, máy cắt bằng tia nước.
2.5.2. Robot Puma.
Ưu điểm: Với kết cấu 6
bậc tự do toàn khớp quay,
sự linh hoạt của tay máy
này rất cao, nó có thể
chuyển động theo mọi
quỹ đạo trong vùng làm
việc, đáp ứng được nhu
cầu thay đổi của hệ thống
công nghệ.
Nhược điểm: Kết cấu
phức tạp, giá thành cao, tính
toán phức tạp,
Phạm vi ứng dụng: Ứng
dụng trong các dây truyền
lắp ráp phức tạp, công nghệ
phun sơn tự động, công nghệ
hàn v.vv.
2.5.3. Robot
Stanford
ưu điểm: Với kết cấu 6 bậc

tự do( 5 khớp quay, một khớp
Hình 2: Robot Puma 6 bậc tự do
Hình 3: Robot Stanford 6 bậc tự do
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN

TRANG 11
tònh tiến), robot này cũng có độ linh hoạt cao hơn nhiều so với robot Scara, kết cấu
đơn giản hơn robot Puma.
Nhược điểm: Kết cấu tương đối phức tạp, độ linh hoạt thấp hơn robot Puma.
Phạm vi ứng dụng: Ứng dụng trong công nghệ lắp ráp tương đối phức tạp, công nghệ
hànv.v
2.5.4. Một số khó khăn khi tính toán và chế tạo robot ở nước ta trong giai
đoạn hiện nay.
Trong giai đoạn của nước ta hiện nay đối với toàn bộ quá trình thiết kế và sản xuất
robot là còn rất thấp, chủ yếu vẫn còn dừng ở phần thiết kế tính toán và mô phỏng
trên máy tính, còn hạn chế nhiều ở khâu chế tạo hoàn chỉnh một robot cụ thể, ở các
trưỡng đại học, cao đẳng thì với các mô hình robot mang tính mô phỏng thử nghiệm
các lý thuyết đã tính toán tức mô hình chỉ mang tính kiểm nghiệm là chủ yếu, sở dó
như vậy là do tình hình phát triển robot của đất nước ta còn gặp nhiều các khó khăn
mà điển hình nhất là các khó khăn sau đây:
- Sản phẩm robot là sản phẩm của nghành cơ điện tử, tức là phải có sự phối hợp
hài hoà cả về nghành công nghệ thông tin, công nghệ truyền tải dữ liệu từ máy tính,
cả về lónh vực về điện tử, công nghệ vi xử lý đồng thời cả một lý thyết tính toán rộng
lớn của cơ học và sức bền vật liệu. Chính vì vậy với các nghành đạo tạo hiện có ở các
trường thì một học viên không thể lónh hội được một mảng tri thức khổng lồ như thế
với thời gian đào tạo không quá 5 năm. Đứng trước vấn đề này thì hiện nay các trường
cũng đã bổ sung thêm một nghành mới với tên là ngành cơ điện tử hoạc ngành điều
khiển tự động, nhưng như thế vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu đặt ra, mặt khác nếu
làm việc theo tập thể dựa trên sự phối hợp của 3 mảng kiến thức thì chúng ta lại gặp
phải những khó khăn về cách thức tổ chức làm việc.

- Kinh phí để cho ra một sản phẩm robot hoàn hảo là rất lớn, đặc biệt là trong
thời gian thử nghiệm, trong khi đó nhà nước vẫn chưa có một chính sách về vốn đầu tư
thoả đáng cho lónh vực này.
- Công nghệ chế tạo các chi tiết của nước ta còn quá lạc hậu, cụ thể là với các
công nghệ này chúng ta không thể chế tạo được các chi tiết trang bò trên robot điển
hình với các chi tiết đòi hỏi phải có trọng lượng nhẹ có độ cứng vững cao, chòu mài
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN

TRANG 12
Hình 1.1
b
a
c
Y1
X1
Z1
O1
O
Z
X
Y
mòn và phải làm việc tốt trong môi trường có điều kiện khắc nghiệt mà vẫn phải giữ
được độ chính xác về hình dạng hơn nữa các thiết bò về cảm biến ngoại vi cho đến
nay hầu như chúng ta vẫn phải nhập từ nước ngoài lên giá thành còn rất cao.
- Nhu cầu sử dụng robot trong các dây truyền ở các xí nghiệp nói chung là còn
rất thấp, bởi vì để lập trình điều khiển được các hệ thống này đòi hỏi phải có một nền
tảng kiến thức tầm cỡ.
- Các lý thuyết tính toán về robot với các tài liệu tiếng việt còn hạn chế vì vậy
việc tính toán về sức bền độ ổn đònh còn rất nhiều khó khăn, chưa mang tính phổ biến
cho các cán bộ kỹ thuật có trình độ tương đối.

Với một vài lý do trên, nên hiện nay sự phát triển về lónh vực robot của nước ta
vẫn còn bò hạn chế và cản trở nhiều, trong các cuộc triển lãm về công nghệ tự động
mới của thế giới hầu như vẫn chưa thấy sự có mặt của nước nhà, đó là một thiệt thòi
to lớn trong sự nghiệp phát triển của đất nước.
2.6. Cơ sở lý thuyết về ma trận chuyển, phương trình cơ bản của robot
2.6.1. Ma trận chuyển đổi tònh tiến giữa hai toạ độ.
Cho toạ độ gốc OXYZ, một hệ tọa độ O
1
X
1
Y
1
Z
1
tònh tiến so với hệ toạ độ gốc
theo các trục X,Y,Z lần lượt là a,b,c, như vậy các điểm trong toạ độ O
1
X
1
Y
1
Z
1
được
xác đònh trong toạ độ gốc là:
X = X
1
+ a ; Y = Y
1
+ b ; Z = Z

1
+c
Hay viết dưới dạng khai triển.
X=1 × X
1
+ 0 × Y
1
+ 0 × Z
1
+1× a
Y=0 × X
1
+1 × Y
1
+ 0 × Z
1
+ 1× b
Z=0 × X
1
+ 0 × Y
1
+1× Z
1
+1× c
Hay dưới dạng ma trận.
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤

⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
1
1
1
100

010
001
Z
Y
X
c
b
a
Z
Y
X

Hình 4: Sơ đồ tònh tiến 2 toạ độ
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN

TRANG 13
Ma trận
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
c
b

a
T
100
010
001
được gọi là ma trận biến đổi tònh tiến từ hệ trục toạ độ
O
1
X
1
Y
1
Z
1
về hệ trục toạ độ gốc OXYZ.
Để đơn giản trong tính toán người ta đưa ma trận trên về ma trận vuông bằng
cách thêm một phương trình như sau: 1 = 0 × X
1
+ 0 × Y
1
+ 0 × Z
1
+ 1 × 1.
Khi đó ma trận trên được viết lại như sau :
()
1.2
1000
100
010
001

⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
c
b
a
T

2.6.2. Ma trận biến đổi xoay giữa hai toạ độ.
Cho một hệ toạ độ cố đònh OXYZ và một hệ toạ độ động OX
1
Y
1
Z
1
xoay tương
đối so với hệ toạ độ gốc theo các phương X, Y, Z với các góc lần lượt là α, β, θ. Một
điểm M được xác đònh trong hai hệ toạ độ này thông qua vector R thể hiện như sau:
()
2.2

111
1
0
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
++=
++=
ZYX
ZYX
RRRR
RRRR
rr
v
r
rrrr

Gọi i, j, k và i
1
, j
1
, k
1
lần lượt là vector chỉ phương của hai hệ toạ độ trên thì
phương trình (II) được viết lại như sau:
()
3.2
***

***
1111111
0
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
++=
++=
kZjYiXR
kZjYiXR
r
rr
r
r
rr
r

Thực chất R
1
chính là R
0
và bằng R, cân bằng
2 phương trình (III) ta được:
(
)
4.2*****
111111
kZjYiXkZjYiX

r
r
r
r
r
r
++=++

Lần lượt nhân 2 vế của phương trình (IV) với
véc tơ i, j, k ta thu được hệ 3 phương trình sau:
()
5.2
******
******
******
111111
111111
111111
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
++=
++=
++=
kkZkjYkiXZ
jkZjjYjiXY

ikZijYiiXX
rrr
r
r
r
r
r
rrrr
r
r
r
r
v
r

Hay viết dưới dạng ma trận:
Hình 5: Sơ đồ xoay 2 hệ toạ độ
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN

TRANG 14
()
6.2*
),cos(),cos(),cos(
),cos(),cos(),cos(
),cos(),cos(),cos(
*
***
***
***
1

1
1
111
111
111
1
1
1
111
111
111
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣

⎡
=
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⇔
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢

⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
Z
Y
X
kkkjki
jkjjji
ikijii
Z
Y
X
Z
Y
X
kkkjki
jkjjji
ikijii
Z

Y
X
rrr
r
r
r
r
r
rrrr
r
r
r
r
r
r
rrr
r
r
r
r
r
rrrr
r
r
r
r
r
r

Như vậy ma trận xoay R:

⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
),cos(),cos(),cos(
),cos(),cos(),cos(
),cos(),cos(),cos(
***
***
***
111
111

111
111
111
111
kkkjki
jkjjji
ikijii
kkkjki
jkjjji
ikijii
R
rrr
r
r
r
r
r
rrrr
r
r
r
r
r
r
rrr
r
r
r
r
r

rrrr
r
r
r
r
r
r
sẽ biến đổi toạ độ trong hệ
OX
1
Y
1
Z
1
về hệ OXYZ.
Tương tự chúng ta cũng thiết lập được ma trận xoay R
1
, ma trận này sẽ biến toạ
độ trong hệ OXYZ về hệ OX
1
Y
1
Z
1
.
()
7.2
),cos(),cos(),cos(
),cos(),cos(),cos(
),cos(),cos(),cos(

***
***
***
111
111
111
111
111
111
1
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣

⎡
=
kkkjki
jkjjji
ikijii
kkkjki
jkjjji
ikijii
R
rrr
r
r
r
r
r
rrrr
r
r
r
r
r
r
rrr
r
r
r
r
r
rrrr
r

r
r
r
r
r

Cũng như ma trận biến đổi tònh tiến, để đơn giản và thuận lợi trong tính toán người
ta đưa thêm vào ma trận trên các hệ số để trở thành ma trận 4x4 như sau:
)8.2(
1000
0),cos(),cos(),cos(
0),cos(),cos(),cos(
0),cos(),cos(),cos(
1000
0),cos(),cos(),cos(
0),cos(),cos(),cos(
0),cos(),cos(),cos(
111
111
111
111
111
111
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢

⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
zzzyzx
yzyyyx
xzxyxx
kkkjki
jkjjji
ikijii
R
rrr
r

r
r
r
r
rrrr
r
r
r
r
r
r

Để thiết lập một ma trận tổng quát biểu hiện mối tương quan của hệ toạ độ
OX
1
Y
1
Z
1
vừa tònh tiến vừa xoay so với hệ toạ độ OXYZ chúng ta có thể dựa vào 2 ma
trận vừa tìm trên bằng 2 cách:
Cách 1: Ma trận biến đổi tổng quát nếu hệ toạ độ tònh tiến trước, xoay sau.
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢

⎢
⎢
⎣
⎡
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
==
1000
0),cos(),cos(),cos(
0),cos(),cos(),cos(
0),cos(),cos(),cos(
1000
100
010
001
*
111
111
111
zzzyzx

yzyyyx
xzxyxx
c
b
a
RTTR

⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
1000
),cos(),cos(),cos(
),cos(),cos(),cos(
),cos(),cos(),cos(
111
111
111
czzzyzx
byzyyyx
axzxyxx

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN

TRANG 15
Cách 2: Ma trận biến đổi tổng quát nếu hệ toạ độ xoay trước tònh tiến sau.
=
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡

==
1000
100
010
001
1000
0),cos(),cos(),cos(
0),cos(),cos(),cos(
0),cos(),cos(),cos(
*
111
111
111
c
b
a
zzzyzx
yzyyyx
xzxyxx
TRRT

⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢

⎢
⎣
⎡
=
1000
),cos(),cos(),cos(),cos(),cos(),cos(
),cos(),cos(),cos(),cos(),cos(),cos(
),cos(),cos(),cos(),cos(),cos(),cos(
111111
111111
111111
czzzyzxzzzyzx
byzyyyxyzyyyx
axzxyxxxzxyxx

Thông thường ma trận tổng quát thường được tính theo cách 1 để kết quả được đơn
giản hơn, đồng thời có thể hiểu rằng ma trận tổng quát được ghép từ ma trận xoay và ma
trận tònh tiến.
()
9.2
10
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
TR
R

tongquat


2.7. Ma trận biến đổi xoay quay các trục đặc biệt.
Trên quan điểm của khớp xoay hoạc tònh tiến đối với những khớp thường dùng
trong robot chỉ có số bậc tự do là 1 vì vậy ma trận biến đổi xoay tổng quát được thiết
lập ở trên sẽ được đơn giản hoá cho từng trường hợp quay quanh các trục cụ thể.
2.7.1. Ma trận biến đổi khi xoay hệ trục toạ độ OX
1
Y
1
Z
1
quanh trục X một
góc
α so với hệ trục toạ độ
OXYZ.
Từ phương trình (2.7) ta có:
Cos(x
1
,x) = 1.
Cos(y
1
,x) = 0.
Cos(z
1
,x) = 0.
Cos(x
1
,y) = 0.

Cos(y
1
,y) = Cosα = C
α
.
Cos(z
1
,y) = -Sinα = -S
α
.
Cos(x
1
,z) = 0.
O
α
α
Y
1
Z
1
Z
Y
X
≡
X1
Hình 1.3
Hình 6: Sơ đồ quay quanh trục X
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN

TRANG 1

6
Cos(y
1
,z) = Sinα = S
α
.
Cos(z
1
,z) = Cosα = C
α
.
Vậy ma trận xoay ở dạng này có thể được viết lại như sau:
()
10.2
1000
00
00
0001
),(
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣

⎡
−
=
αα
αα
α
CS
SC
xR
2.7.2. Ma trận biến đổi khi xoay hệ trục toạ độ OX
1
Y
1
Z
1
quanh trục Y một
góc
β so với hệ trục toạ độ OXYZ.
Tương tự như trên ta cũng có:
Cos(x
1
,x) = Cosβ = C
β
Cos(y
1
,x) = 0.
Cos(z
1
,x) = Sinβ = S
β.

Cos(x
1
,y) = 0.
Cos(y
1
,y) = 1.
Cos(z
1
,y) = 0.
Cos(x
1
,z) = -Sinβ = -S
β.
Cos(y
1
,z) = 0.
Cos(z
1
,z) = Cosβ = C
β

Vậy ma trận xoay ở trường hợp này có thể viết lại như sau:
()
11.2
1000
00
0010
00
),(
⎥

⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
=
ββ
ββ
β
CS
SC
yR


2.7.3. Ma trận biến đổi khi xoay hệ
trục toạ độ OX
1
Y
1
Z
1
quanh trục Z
một góc

θ so với hệ trục toạ độ
OXYZ.
Cũng như hai trường hợp trên ta lại có:
Cos(x
1
,x) = Cosθ = C
θ
; Cos(y
1
,x) = -
β
β
X1
O
Z
1
Z
Y
≡Y1
X
Hình 1.4
Z≡Z1
Y1
θ
θ
X1
O
Hình 1.5
Y
X

Hình 7:Sơ đồ quay quanh trục Y
Hình 8:Sơ đồ quay quanh trục Z
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN

TRANG 1
7
Sinθ = -S
θ
; Cos(z
1
,x) = 0
.

Cos(x
1
,y) = Sinθ = S
θ
; Cos(y
1
,y) = Cosθ = C
θ
; Cos(z
1
,y) = 0.
Cos(x
1
,z) = 0 ; Cos(y
1
,z) = 0 ; Cos(z
1

,z) = 1.
Ma trận biến đổi xoay trong trường hợp này là :

()
12.2
1000
0100
00
00
),(
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
=
θθ
θθ
θ
CS
SC
zR

2.7.4. Bộ thông số DH(Denavit. J & Hartenberg R.S)
Vò trí của khâu cuối được xác đònh thông qua vò trí toạ độ và hướng của khâu cuối
và nó được xác đònh thông qua ma trận tổng quát sau:
()
13.2
1000
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
zzzz
yyyy
xxxx
E
pwvu
pwvu
pwvu
T
.

Trong đó P = (P
x
, P
y
, P
z
) là thành phần xác đònh vò trí điểm đầu mút của khâu
cuối, (u
x
,u
y
,u
z
) là véc tơ đơn vò chỉ phương của trục U so với hệ trục toạ độ cố đònh
XYZ, tương tự (v
x
,v
y
,v
z
), (w
x
,w
y
,w
z
) là vector chỉ phương của trục V, W so với hệ trục
toạ độ cố đònh XYZ, ở đây UVW là hệ toạ độ động gắn trên khâu cuối.
Như vậy từ vò trí biến khớp của các khâu thành phần chúng ta phải đi xác đònh 12
thành phần trong ma trận T

E
. Trong 12 thành phần này thì chỉ có 6 thành phần là độc
lập tuyến tính, các thành phần còn lại là phụ thuộc tuyến tính với các thành phần
trên.
Để xác đònh vò trí của khâu cuối so với khâu thành phần, trước tiên ta đi xác đònh
vò trí tương quan của 2 khâu kế tiếp nhau, vấn đề này có thể bắt nguồn từ các phương
pháp biến đổi toạ độ như đã trình bày ở phần trên, nhưng để đơn giản hơn chúng ta sử
dụng bộ thông số DH do Denavit. J & Hartenberg R.S đã thiết lập để mô tả mối quan
hệ giữa 2 khâu liên tiếp trong cơ cấu không gian thông qua ma trận thuần nhất 4x4.
Bộ thông số DH bao gồm 4 thành phần :
1. Khoảng cách đường vuông góc chung của trục khớp động thứ i và thứ i+1, a
i

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN

TRANG 18
2. Góc chéo giữa 2 trục khớp động i và i +1,α
i

3. Khoảng cách đo dọc trục khớp động thứ I từ đường vuông góc chung giữa
trục khớp động thứ i – 1 với trục khớp động thứ i tới đường vuông góc chung
giữa trục khớp động thứ i và trục khớp động thứ i+1. d
i

4. Góc giữa 2 đường vuông góc chung nói trên,
θ
i

2.7.5. Thiết lập hệ trục toạ độ.
Để sử dụng đươc bộ thông số DH đã đề cập ở trên thì khi thiết lập hệ trục toạ độ
cho các khâu, chúng ta phải tuân thủ theo những nguyên tắc sau đây:
- Gốc của hệ toạ độ gắn liền với khâu thứ i, gọi là gốc toạ độ thứ i đặt tại giao
điểm giữa đường vuông góc chung thứ a
i
và trục khớp động thứ i+1. Trường hợp
2 trục giao nhau thì gốc toạ độ độ đặt tại giao điểm đó. Trường hợp 2 trục song
song với nhau thì gốc toạ độ đặt tại điểm bất kỳ trên trục khớp động thứ i+1.
- Trục Z
i
của hệ toạ độ thứ i, Nằm dọc theo trục khớp động thứ i+1.
- Trục X
i
của hệ toạ độ thứ i, hướng dọc theo đường vuông góc chung a
i
,
Trường hợp 2 trục giao nhau thì hướng của trục X
i
trùng với hướng của tích 2
véc tơ Z
i
x Z
i-1
, nghóa là vuông góc với mặt phẳng chứa Z
i
và Z
i-1.

- Trục Y

i
được xác đònh theo quy tắc bàn tay phải.
Hình 9: Thiết lập mối tương quan giữa 2 hệ trục toạ độ,
khi sử dụng bộ thông số DH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN

TRANG 19
2.7.6. Mô hình biến đổi.
Trên cơ sở đã xây dựng các hệ toạ độ với hai khâu động liên tiếp như trên đã
trình bày, Có thể thiết lập mối quan hệ giữa 2 hệ toạ độ liên tiếp theo 4 bước sau đây:
1. Quay quanh trục Z
i-1
, một góc
θ
i
.
2. Tònh tiến dọc trục Z
i-1
một lượng d
i
.
3. Tònh tiến dọc trục X
i-1
đã trùng với X
i
một đoạn a
i.

4. Quay quanh trục X
i

một góc
α
i

Bốn bước biến đổi này được biểu hiện bằng tích các ma trận thuần nhất sau:
A
i
= R(z,
θ
I
) x T
P
(0,0,d
i
) x T
P
( a
i
,0,0) x R(x,α
I
). (*)
- Biểu thức I là quan hệ giữa hệ toạ độ i so với hệ toạ độ i-1, và được gọi là
mô hình DH, cách thiết lập mô hình động học theo kiểu mô hình DH tỏ ra
khá thuận tiện trong việc giải quyết các vấn đề về robot.
- Các ma trận ở vế phải của phương trình (*) tính theo các công thức đã thiết
lập ở trên và sau khi thực hiện phép nhân ta có:
()
14.2
1000
0

⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
=
iii
iiiiiii
iiiiiii
i
dCS
SaSCCCS
CaSSCSC
A
αα
θαθαθθ
θαθαθθ

Đối với khớp quay thì θ
i
là biến khớp.

2.7.7. Phương trình động học.
Ma trận T
i
là tích của các ma trận A
i
, và là ma trận mô tả vò trí và hướng của hệ
toạ độ gắn liền với khâu thứ i, so với hệ tọa độ cố đònh. Trong trường hợp i = n, với n
là số hiệu chỉ hệ toạ độ gắn liền với điểm tác động cuối (E) thì ta có.
T
n
= A
1
.A
2
….A
n
.
Mặt khác hệ toạ độ tại điểm tác động cuối được mô tả bằng ma trận T
E
, vì vậy
hiển nhiên là T
E
= T
n
.
Hay:
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN

TRANG

2
0
()
15.2
1000
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
zzzz
yyyy
xxxx
n
Pasn
Pasn
Pasn
T

Phương trình II là phương trình động học cơ bản của robot.

2.8. Cơ sở lý thuyết về ma trận Jacobi.

Gọi v
0
là vận tốc của 1 điểm trên bộ tác động cuối của cơ cấu nối tiếp trùng với
gốc tức thời hệ quy chiếu cố đònh. Khi đó vận tốc của bộ tác động cuối được tính theo
công thức sau:
()
16.2$
1
i
n
i
i
n
n
q
v
x
)
&&
∑
=
=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
ω

Với sự quay đơn vò được xác đònh theo các công thức sau:
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
×
=
ss
s
0
$
ˆ
với khớp lăng trụ và
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
s
0
$
ˆ
với khớp tònh tiến. (2.17)
Phương trình (2.16), ma trận Jacobi đơn giản là tập hợp các sự quay vít đơn vò liên
hệ với các trục khớp. Các toạ độ của các khớp quay đơn vò là các phần tử của ma trận

Jacobi:
[
]
n
J $
ˆ
$
ˆ
,$
ˆ
1 2
= (2.18)
Để tính ma trận jacobi, trước tiên cần xác đònh chiều và vò trí của các trục khớp
ứng với hệ quy chiếu bằng cách xét hình học của cơ cấu. Nếu các hệ toạ độ khớp
(x
0
,y
0
,z
0
) đến (x
6
,y
6
,z
6
) được thiết lập theo quy ước DH, s
i
và s
oi

được lấy từ cột thứ 3
và thứ tư của ma trận
1
0
−i
A

Các toạ độ quay có thể xác đònh trong hệ quy chiếu bất kỳvà ma trận Jacobi có
thể được đơn giản hóa nếu hệ quy chiếu được chọn tại điểm trùng hợp tức thời với một
trong các hệ toạ độ khâu trung gian, thường là khâu 3 hoặc khâu 4, nếu hình học khâu
gồm các khớp đồng quy, cần chọn gốc hệ quy chiếu tức thời tại điểm đồng quy đó.
Nếu hình học khâu gồm các trục khớp song song, các trục toạ độ hệ quy chiếu tức thời
thẳng hàng với các trục song song này.
Xét hệ quy chiếu tức thời
()
000
,, zyx
′
′
′
trùng với hệ toạ độ khâu (x
j
,y
j
,z
j
) chiều và vò
trí các trục khớp theo hệ quy chiếu
(
)

000
,, zyx
′
′
′
được cho tương ứng theo cột thứ 3 và cột
thứ tư của
i
j
A :
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ SƯ : NGUYỄN VĂN ĐOÀN

TRANG
2
1
() ()
30.2
1
0
0
0
1
;19.2
0
1
0
0
0
1,0
1

⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣

⎡
=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
+
i
j
i
i
j
i
A
s
A
s

Các toạ độ quay trên được tính bằng các công thức đệ quy:
1. Điều kiện ban đầu: Bắt đầu với s
j+1
=[0,0,1]
T
,s
0,j+1
=[0,0,0]
T

2. Tính toán thuận: với i = j + 1, j + 2 đến n-1, tính được:
(
)
(
)
()()
()
()( )
11
,01,0
1
31.2
++
+
+
=
+=
=
i
j
i
j
i
j
i
i
i
j
ii

i
i
i
j
i
RRR
rRss
zRs

3. Tính toán ngược. Với i = j -1, j - 2 cho tới 0, tính được:
(
)
(
)
()( )
()
()( )
11
1
1
12,01,0
1
32.2
−−
+
+
+++
+
=
−=

=
i
j
i
j
i
j
i
i
i
j
ii
i
i
i
j
i
RRR
rRss
zRs

với
i
i
R
1−
là ma trận quay của khâu i ứng với i-1,
(
)
T

i
i
i
i
RR
1
1
−
−
=
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
1
0
0
i
i
z
là vector đơn vò trên trục z
i
và được biểu diễn trong hệ toạ độ khâu thứ i

⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
=
ii
ii
i
i
i
cd
sd
a
r
α
α
là vector vò trí xác đònh từ O
i-1
đến O
i
và được biểu diễn trong toạ độ khâu thứ i.
Tập hợp các sự quay đơn vò tính từ các công thức đệ quy nêu trên:
()
33.2

0
qJ
v
j
j
n
j
&
=
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
ω

Ký hiệu j trong phương trình (2.33) cho biết trạng thái vận tốc của bộ tác động cuối
được biểu diễn trong hệ quy chiếu trùng hợp tức thời với hệ toạ độ khâu thứ j, nếu biết trước
tỷ suất của các khớp, pt (2.33) dùng để tính trạng thái vận tốc bộ tác động cuối. Nếu biết
trước trạng thái vận tốc bộ tác động cuối, cần biến đổi ngược phương trình (2.33) để tính các
tỷ suất khớp. Tuy nhiên trong thực tế, trạng thái vận tốc của bộ tác động cuối thường được
thể hiện so với hệ toạ độ cố đònh gốc (x
0
,y
0
,z
0

) do đó phải biến đổi trạng thái vận tốc từ hệ
quy chiếu cố đònh sang hệ quy chiếu tức thời, để có thể tính các tỷ suất khớp.