Do an tot nghiep dai hoc bach khoa ha noi

Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

MỤC LỤC
Lời mở đầu .............................................................................................................4
Chương I. Tổng quan về robot công nghiệp ......................................................6
I. Giới thiệu chung về robot.....................................................................................6
1. Khái quát về robot ........................................................................................6
2. Các cấu trúc động học của robot ..................................................................8
3. Bậc tự do của robot .....................................................................................11
4. Phân loại robot ............................................................................................11
5. Ứng dụng của robot trong cuộc sống .........................................................16
II. Giới thiệu về robot di động...............................................................................20
1. Tổng quan ....................................................................................................20
2. Sự ứng dụng của robot tự hành....................................................................21
3.Cơ sở lí thuyết khảo sát robot tự hành..........................................................21
Chương II. Nghiên cứu mô hình và kết cấu mẫu robot RoPC01 ..................22
I. Khái quát về cấu trúc và kết cấu mẫu robot RoPC01 .......................................22
II. Một số yêu cẩu trong tích hợp các môđun mẫu robot RoPC01 ......................23
III. Thiết kế mô hình và cấu trúc mẫu robot RoPC01 ..........................................25
Chương III. Tính toán động học mẫu robot RoPC01 .....................................29
I. Cơ sở lý thuyết tính toán động học robot ..........................................................29
1. Ma trận cosin chỉ hướng ..............................................................................29
1.1 Định nghĩa ma trận cosin chỉ hướng ...................................................29
1.2 Các ma trận quay cơ bản ......................................................................31
1.3 Ý nghĩa ma trận cosin chỉ hướng .........................................................32
1.4 Một số tính chất của ma trận cosin chỉ hướng ....................................33
2. Các tọa độ thuần nhất và các ma trận biến đổi ...........................................34
2.1 Các tọa độ thuần nhất ...........................................................................34
2.2 Ma trận biến đổi hệ tọa độ thuần nhất .................................................35

3. Các phương pháp xác định ma trận cosin chỉ hướng ..................................37
3.1 Phép quay theo 3 góc Euler .................................................................37
3.2 Phép quay theo 3 góc Cardan ..............................................................39
Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-1-


Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

3.3 Phép quay theo góc Roll - Pitch- Yaw (RPY) .........................................40
4. Phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg .................................................41
4.1 Các tham số động học Denavit-Hartenberg.........................................41
4.2 Ma trận Denavit-Hartenberg.................................................................44
4.3 Ma trận quan hệ....................................................................................45
II. Bài toán động học thuận ...................................................................................45
1. Phương pháp ma trận truyền .......................................................................45
11. Các ma trận truyền cơ bản ...................................................................45
1.2. Tính toán động học thuận robot RoPC01 ...........................................47
2. Phương pháp Denavit-Hartenberg ...............................................................50
2.1. Đặt trục tọa độ và lập bảng thông số Denavit-Hartenberg .................50
2.2. Giải bài toán động học thuận ..............................................................52
III. Bài toán động học ngược ................................................................................55
1. Xây dựng phương trình quỹ đạo làm việc của robot ..................................55
2. Giải bài toán động học ngược .....................................................................57

2.1 Điều khiển theo biến khớp q2...............................................................59
2.2 Điều khiển theo biến khớp q3...............................................................62
3. Thời gian làm việc của 1 chu trình ..............................................................66
4. Vận tốc và gia tốc di chuyển của điểm làm việc ........................................67
4.1. Vận tốc.................................................................................................67
4.2. Gia tốc..................................................................................................67
5. Vận tốc góc tuyệt đối của các khâu .............................................................68
5.1 Tính trực tiếp ........................................................................................68
5.2 Tính gián tiếp .......................................................................................71
6. Tọa độ trọng tâm của các khâu ....................................................................79
7. Vận tốc khối tâm của các khâu ....................................................................88
8. Kiểm tra kết quả tính toán............................................................................96
9. So sánh giữa các phương án ........................................................................96
Chương IV. Mô phỏng hoạt động của robot RoPC01 .....................................97
I. Khái quát công việc mô phỏng robot ................................................................97
II. Các bước mô phỏng robot ................................................................................98
Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-2-


Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

1. Xuất đối tượng sang file định dạng*.STL ...................................................98
2. Biên dịch file *.STL sang dạng file lưu trữ các tọa độ .............................100

III. Đọc dữ liệu tính toán .....................................................................................100
IV. Cấu trúc chương trình mô phỏng robot RoPC01..........................................103
V. Vẽ lại quỹ đạo làm việc ..................................................................................106
Chương V. Tính toán động lực học robot RoPC01 .......................................110
I. Cơ sở lí thuyết ..................................................................................................110
1. Biểu thức động năng và thế năng của rôbôt công nghiệp xác định từ các ma
trận Denavit – Hartenberg
........................................................................................................................110
2. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của rôbôt công nghiệp bằng
phương pháp Lagrange loại hai
.........................................................................................................................111
3.Giải bài toán động học thuận robot công nghiệp .......................................115
4.Giải bài toán động học ngược robot công nghiệp ......................................116
III.Thiết lập phương trình vi phânchuyển động .................................................116
IV.Giải bài toán động học thuận .........................................................................126
V.Giải bài toán động học ngược..........................................................................127
So sánh giữa 2 mẫu RoPc01 gốc và RoPC01-vòi lắc ngang ..........................129
Những vấn đề cần mở rộng và nghiên cứu .....................................................130
Kết luận ..............................................................................................................131
Phụ lục ................................................................................................................132
Tài liệu tham khảo ............................................................................................150

Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-3-

Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời đại ngày nay, với sự phát triển như vũ bão của khoa học công
nghệ Robot đã có mặt ở khắp mọi nơi, trong mọi lĩnh vực sản xuất và đời sống.
Đến thời điểm này không ai có thể phủ nhận lợi ích to lớn mà Robot mang đến
cho con người., chúng được ứng dụng vào hầu hết các lĩnh vực của cuộc sống,
đặc biệt là vào nền công nghiệp sản xuất. Robot có những ưu điểm là tính ổn
định, độ hoạt động chính xác cao, có khả năng chuyên sâu cũng như linh động
trong mọi công việc. Do đó sự ứng dụng của Robot trong các ngành công nghiệp
giúp nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, giảm giá thành, tăng sức cạnh
tranh cho sản phẩm. Khi nền công nghiệp càng phát triển thì sự ứng dụng và vai
trò của Robot là càng to lớn. Xuất phát thêm từ thực tế hiện nay là có rất nhiều
công việc phải tiến hành trong những điều kiện môi trường đặc biệt mà con người
không thực hiện được như : làm việc trong không gian hạn hẹp, đòi hỏi phải di
chuyển nhiều hoặc những không gian làm việc ảnh hưởng đến sức khỏe của con
người như nóng ẩm, ồn ào, khói bụi, khí độc, phóng xạ. Trong những điều kiện
như vậy thì việc nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng những mẫu Robot di động được
điều khiển từ xa thay thế con người để làm việc trong những môi trường như vậy
là rất thực tế và cấp thiết.
Là một sinh viên Đại Học Bách Khoa Hà Nội được đào tạo chuyên ngành Cơ
Điện Tử được trang bị những kiến thức về cơ học, tin học, điện và điện tử cho
phép em có khả năng tìm hiểu nghiên cứu về Robot. Vì vậy em đã quyết định
chọn đề tài Robot để làm Đồ án tốt nghiệp nhằm vận dụng, trau đồi những kiến
thức đã học để nghiên cứu và xây dựng, chế tạo một mẫu Robot có ứng dụng
thực tế. Qua thực tế và tìm hiểu thông qua các phương tiện truyền thông hiện nay
em được biết rằng ngành công nghiệp đóng tàu của Việt Nam hiện nay đang rất
phát triển và đòi hỏi sự ứng dụng rất nhiều của Robot. Chẳng hạn như trong công

đoạn làm sạch bề mặt vỏ tàu rất cần đến sự ứng dụng của Robot do điều kiện làm
việc với cái bụi ảnh hưởng đến sức khỏe của người lao động. Vì vậy dẫn đến nhu
cầu chế tạo mọt loại Robot di động có khả năng thay thế người lao động trong
Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-4-


Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

việc phun cát làm sạch bề mặt của các tấm bề mặt vỏ tàu. Và hiện nay mẫu Robot
RoPC01 đang được nghiên cứu, chế tạo để phục vụ những yêu cầu đó.
Theo thiết kế ban đầu mẫu robot RoPC01 do Viện Khoa Học Kỹ Thuật và
Bảo Hộ Lao Động làm chủ đề tài nghiên cứu thì tay máy con robot này có 6
khâu, 6 bậc tự do, gồm 1 khớp trụ xoay dưới cùng, 4 khớp quay bản lề và 1 khớp
tịnh tiến dọc trục phía trên. Mẫu robot này hiện nay đã được chế tạo thành công
và những bước đầu thử nghiệm đã cho kết quả khả quan về cấu trúc cũng như độ
chính xác hoạt động. Từ những kết quả thu được có thể thấy rằng mẫu robot
RoPC01 là 1 mẫu robot rất có triển vọng. Và từ mô hình của mẫu robot này ta có
thể xây dựng nên những mẫu robot đa năng khác. Trong thời gian thực tập em đã
được tiếp cận với đề tài robot RoPC01 này và khi thực hiện đồ án tốt nghiệp dưới
sự hướng dẫn của GS.TSKH Đỗ Sanh em đã được thầy gợi ý và hướng theo 1
mẫu mới cho robot RoPC01 đó là mẫu robot RoPC01 – vòi lắc ngang. Và em đã
quyết định chọn đề tài “Tính toán động học và mô phỏng mẫu robot RoPC01 –
vòi lắc ngang”.

Trong thời gian làm đồ án mặc dù đã cố gắng và nỗ lực hết sức nhưng do
kiến thức còn có hạn nên đồ án của em không tránh khỏi những hạn chế và sai
sót. Em mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô để đồ án của em được
hoàn chỉnh hơn nữa.
Em xin chân thành cảm ơn GS-TSKH ĐỖ SANH, TS.TRIỆU QUỐC LỘC
và các thầy trong bộ môn đã hướng dẫn tận tình hướng dẫn, giúp em hoàn thành
đồ án tốt nghiệp này.
Sinh viên thực hiện.
Ngô Trung Dũng.

CHƯƠNG I
Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-5-


Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT
1. Khái quát về Robot
1.1 Định nghĩa Robot
• Là một thiết bị cơ khí đôi khi giống một con người và có thể thức hiện nhiều
nhiệm
vụ phức tạp của con người bởi các lệnh hoặc chương trình điều khiển.

• Là một cái máy hoặc một thiết bi có thể hoạt động tự động hoặc đươc điều
khiển từ
xa.
• Nó như là một con người làm việc một cách cơ học ngoài ý thức, tức là trả
lời một
cách tự động bởi các lệnh điều khiển của ai khác.
1.2 Lịch sử ra đời và sự phát triển của Robot
Từ khi robot đầu tiên xuất hiện, hơn 20 năm sau ước mơ viễn tưởng của Kerel
Capek ( Zech - 1922 ) về việc tạo ra những robot làm nhiệm vụ tạp dịch trong
nhà, đến nay đã trải qua một quá trình cải tiến và hoàn thiện rất nhanh chóng. Bắt
đầu là cơ cấu tay máy chép hình cơ khí, thủy lực hoặc điện từ được điều khiển từ
xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ ở Hoa Kỳ như tay máy
Minotaur I hoặc tay máy Handyman

Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-6-


Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

Hình1.1 Robot Handyman
1938 Harolh Roselund và Willard người Mỹ đã thiết kế ra cơ cấu phun sơn có
thể lập trình đầu tiền cho công ty DeVibiss
1942 Isaac Asimov xuất bản cuốn “Runaround” trong đó ông đưa ra 3 quy tắc về

robot
1951 ở Pháp RayMond Goertz đã thiết kế một cánh tay có khớp có thể hoạt động
từ xa cho dự án năng lượng nguyên tử. Thiết kế này dựa toàn bộ vào các mối nối
cơ học giữa cánh tay chính và cánh tay phụ (sử dụng cáp bằng thép và ròng rọc).
Mẫu thiết kế này ngày nay vẫn được sử dụng khi cànn sử lý các mẫu hạt nhân.
Nói chung đây được coi như một bước ngoặc trong kỹ thuật phản hồi lực
1954 Goerge C. Devol đã thiết kế ra một cơ cấu robot có thể lập trình đầu tiên và
đặt tên là Universal Automation, và cũng chính là nguồn gốc tên công ty sau này
của ông là Unimation
1959 Marvin Minsky và John McCarthy thành lập phòng thí nghiệm trí tuệ nhân
tạo tại MIT ( Massachusetts Institute of Technology)
1959 C.DeVol và các công sự cho ra đời chiếc robot công nghiệp đầu tiên có tên
là Unimate .
1960 Tập đoàn Codec đã mua lại công ty Unimation của C.Devol và bắt đầu phát
triển hệ thống robot Uminate

Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-7-


Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

1961 General Motors đa mua lại chiếc robot công nghiệp đầu tiên Unimate tư
công ty Unimation và lắp đặt cho dây truyền sản xuất. Robot điều khiển bằng tay

chính là loại đầu tiên của thế hệ robot Unimate
1963 John McCarthy đứng ra lãnh đạo phòng thí nghiệm tí tuệ nhân tạo tại
trường đại học Stanford
1964 Các phòng thí nghiệm nghiên cứu trí tuệ nhân tạo nhân tạo được mở tại
MIT,SRI(Stanford Research Institute), Trường Đai học Stanford, và trường đại
học Edinburgh
1964 hãng C&D Robotics được thành lập
1964 Carnegie Mellon University thành lập học viện về robot ( Robotics
Institute)
1965 phép biến đổi thuần nhất được ứng dụng cho cách tính động học robot –
Nguồn gốc hình thành học thuyết robot ngày
1967 Nhật bản nhập khẩu chiếc robot Versatran từ hạng AMF( đây là chiếc robot
được nhập khẩu đầu tiên vào Nhật)
1968 Kawasaki đã cấp giấy phép thiết kế chiếc robot thủy lực bởi công ty
Unimation và bắt đầu sản xuất tại Nhật
1968 SRI đã thiết kế ra Shakey, một robot di động có khả năng quan sát và được
điều khiển bởi một máy cỡ lớn như một cái phòng
1970 Giáo sư Victor Scheinman của đại học Stanford đã thiết kế ra mẫu robot
Standard Arm. Mà ngày nay cơ cấu động học của nó đứoc xem như là cách tay
robot tiêu chuẩn.
1973 Cincinnati Milacron đã phát minh ra loại T3, loại robot công nghiệp mang
tính thương mại được điều khiển bởi một máy tính mini commercially available
(designed by Richard Hohn).
1974 Giao su Victor Scheinman, nhà phát triển loại cánh tay Stanford , đã thành
lập công ty Vicarm nhắm đưa ra thị trường một phiên bản cánh tay robot cho các
ứng dụng công nghiệp. Loại cánh tay mới này được điều khiển bởi một máy tính
mini

Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-8-


Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

1976 Cánh tay robot được sủ dụng trên các tàu tham do vũ trụ Viking 1 và 2.
Trong các thiết này công ty Vicarm đã sư dụng các vi tính máy tính
(microcomputer)
1977 ASEA, một công ty robot của Châu Âu đã giới thiệu 2 loại robot công
nghiệp chạy bằng điện. Cả 2 đều sử dụng máy vi tính cho việc lập trình và điều
khiển hoạt động
1977 Unimation đã mua lại Công ty Vicarm
1978 Sử dụng công nghệ của Vicarm, Unimation đã sản xuất robot PUMA
(Programmable Universal Machine for Assembly ). Ngày nay chúng ta có thể
thấy Puma vẫn có ở trong một số phòng thí nghiệm
1979 Sankyo va IBM đã đưa ra thị trường mẫu robot Scara (Selective compliant
articulated robot arm) tại trường Yamanashi của Nhật
Cho đến nay nhờ áp dụng có các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ
thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, tính năng có nhiều bước tiến
vượt bậc. Do đó robot công nghiệp đã chiếm vị trí quan trọng trong cá dây truyền
sản xuất.
Đã có rất nhiều chủng loại robot với nhiều hình dáng, kích cỡ và được ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực của xã hội, như : công nghiệp, khoa học , y tế , an ninh…
2.Các cấu trúc động học của robot.
Về cấu trúc động học Robot là một hệ nhiều khâu ghép nối với nhau bằng các

khớp.
_Khâu: là những bộ phận có chuyển động tương đối với nhau. Khâu có thể
là một hay nhiều chi tiết máy ghép cứng với nhau. Chi tiết máy là các bộ phận
không thể tháo rời nữa của máy.
_Khớp: Là chỗ nối động giữa hai khâu, nghĩa là có chuyển động tương đối
với nhau. Như vậy cứ hai khâu nối với nhau tạo thành một khớp động và chỗ tiếp
xúc giữa hai khâu tạo thành khớp động gọi là hai thành phần khớp động. Khớp
có các ràng buộc vật lý về chuyển động tương đối giữa hai thành phần của khớp.
Các loại khớp thường được sử dụng:

Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-9-


Đồ án tốt nghiệp

•

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

Khớp quay (Revolute Joint-R): Cho phép hai thành phần của khớp chuyển

động quay tương đối với nhau theo một trục được xác định bằng dạng hình học
của khớp. Khớp quay hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thành
phần khớp. Khớp quay còn gọi là khớp bản lề.

Hình 1. 2
•

Khớp lăng trụ (Prismatic-P) : Cho phép hai thành phần của khớp trượt với

nhau theo một trục được xác định bằng dạng hình học của khớp. Do đó khớp lăng
trụ hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thành phần khớp. Khớp
lăng trụ còn gọi là khớp tịnh tiến.

Hình 1. 3
•

Khớp trụ (Cylindrical Joint-C) : Cho phép hai thành phần của khớp có hai

chuyển động độc lập, gồm một chuyển động quay quanh một trục và một chuyển
động tịnh tiến dọc theo trục quay đó. Do đó khớp trụ hạn chế 4 khả năng chuyển
động giữa hai thành phần của khớp.

Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-10-


Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

Hình 1.4
•

Khớp ren (Helical Joint-H) : Cho phép hai thành phần của khớp chuyển

động quay quanh một trục đồng thời tịnh tiến theo trục quay. Tuy nhiên chuyển
động tịnh tiến phụ thuộc chuyển động quay bởi bước vít. Do đó khớp ren hạn chế
5 khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp.

Hình 1.5
•

Khớp cầu (Spherical Joint-S) : Cho phép hai thành phần của khớp thực

hiện chuyển động quay giữa hai khâu quanh tâm cầu theo tất cả các hướng. Do
đó khớp cầu hạn chế ba khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp.

Hình 1.6
•

Khớp phẳng (Plane Joint-P) : Cho phép hai thành phần của khớp chuyển

động tịnh tiến theo hai trục trong mặt tiếp xúc và một khả năng quay quanh trục
vuông góc với mặt phẳng tiếp xúc. Do đó khớp phẳng hạn chế ba khả năng
chuyển động giữa hai thành phần của khớp.
Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-11-


Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

Hình 1.7
•

Khớp bánh răng phẳng (Gear Pair-G): Hai bánh răng ăn khớp, cho phép

một bánh răng lăn và trượt với bánh răng kia tại điểm tiếp xúc giữa hai bánh răng
ăn khớp. Do đó khớp bánh răng phẳng hạn chế 4 khả năng chuyển động.

Hình 1.8
3. Bậc tự do của Robot.
Bậc tự do của một cơ cấu là số thông số độc lập cần thiết để xác định hoàn
toàn vị trí của cơ cấu, nó cũng là khả năng chuyển động tương đối độc lập của cơ
cấu đó.
Robot thực ra cũng là một cơ cấu tay máy, do đó bậc tự do của robot trong
không gian được tính theo công thức sau:
 5

w = 6n-  ∑ kp k − Ro ÷
 k=2


Trong đó:
W: Bậc tự do của cơ cấu robot

n: số khâu động
k: loại khớp động
Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-12-


Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

Ro:Số ràng buộc trùng
Pk: Số khớp loại k
4. Phân loại robot.
Robot có thể phân ra nhiều loại khác nhau tùy theo cấu trúc, ứng dụng.
4.1 Về cấu trúc robot lại đựoc phân ra thành :
• Robot liên tục hoặc song song

Hình 1.9
Mẫu robot liên tục 5 bậc tự do

Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-13-

Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

Hinh 1.10
Robot song song RPS

• Theo số bậc tự do của robot

Hình 1.11
Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-14-


Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

Robot 4 bậc tự do

Hình 1.12
Robot 6 bậc tự do
• Cấu trúc mạch động học robot: mạch hở hoặc mạch kín
4.2 Theo cấu trúc cơ khí, robot có thể được phân chia thành các loại chính như

sau:
_Cartesian robot/ Gantry robot:

Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-15-


Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

Hình 1.13
Cartesian robot

Loại robot này thích hợp với công việc gắp vật thể và đặt chúng vào vị trí khác.
Các ứng dụng có thể là đóng gói, lắp ráp máy móc, cầm nắm các máy công cụ
hoặc hàn theo hình cung. Đối với loại robot này, cánh tay được tạo thành từ 3
khớp trượt mà trục của chúng trùng với hệ trục tọa độ Đê-các-tơ.
_Cylindrical robot:

Hình 1.14
Cylindrical robot

Sử dụng trong công nghệ lắp ráp, cầm nắm các máy công cụ, hàn điểm. Loại
robot này, trục có dạng hệ tọa độ trụ
Ngô Trung Dũng

K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-16-


Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

_Spherical/Polar robot:

Hình 1.15
Spherical robot
Được sử dụng để cầm nắm các dụng cụ, hàn điểm, đánh bóng, hàn hơi hoặc hàn
theo cung. Trục của robot tạo thành hệ tọa độ cầu.
_SCARA robot:

Hình 1.16
SCARA robot
Được sử dụng để gắp nhả vật, đóng gói, lắp ráp hay cầm nắm máy công cụ.
Robot có 2 khớp xoay song song với nhau cho phép thao tác trên mặt phẳng.
_Articulated robot.

Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-17-


Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

Hình 1.17
Articulated robot
Sử dụng để lắp ráp, đánh bóng, hàn hơi, hàn theo cung, sơn phun. Loại robot
này có tối thiểu 3 khớp xoay
_Parallel robot:

Hình 1.18
Parallel robot
Thường được ứng dụng để tạo ra khung đế xoay tự do trong mô phỏng bay. Loại
robot này có các khớp trượt và xoay đồng thời
5. Ứng dụng của Robot trong cuộc sống.
Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-18-


Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

Hiện nay khi xã hội loài người càng phát triển, cuộc sống càng văn minh
hiện đại hơn thì Robot không chỉ dừng lại ở ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất
công nghiệp mà nó ngày càng được ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhau của xã
hội để phục vụ cuộc sống của con người. Dưới đây là hình ảnh một số Robot hiện
đại đang được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống :
_ Trong công nghiệp sản xuất :

Hình 1.19.
Robot assisted plasmatron welding.
Dây chuyền Robot lắp ráp mới được đưa vào hoạt động của Ford Việt Nam.

Hình 1.20.
Robot công nghiệp trong nhà 1 dây chuyền sản xuất xe hơi của BMW.

Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-19-


Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

Hình 1.21.
Robot hàn AW005CL do Panasonic sản xuất.

Hình 1.22.

Motoman_ sk16 – Được ứng dụng trong các
dây truyền sản xuất công nghiệp.
_Trong lĩnh vực an ninh, quân sự :

Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-20-


Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

Hình 1.23.
Mẫu Robot bảo vệ “Asendro” của quân đội Đức.

Hình 1.24.
Hai mẫu Robot quân sự mới nhất của Mỹ.
_Trong lĩnh vực y tế, chăm sóc con người :

Hình 1.25.
Robot MRI dùng trong các ca phẫu thuật não.

Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-21-


Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

Hình 1.26
Robot uBOT-5 giúp chăm sóc và cấp cứu người cao tuổi.

II. GIỚI THIỆU VỀ ROBOT DI ĐỘNG
1. Tổng quan
1.1. Giới thiệu chung
Robot tự hành (Mobile Robot) ngày nay được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi
trên thế giới. Rôbốt này dùng để nghiên cứu và tìm hiểu ở các môi trường nguy
hiểm hoặc ở những nơi mà con người không thể trực tiếp tham gia. Ví dụ: Loại
rôbốt này được sử dụng tại các nhà máy hạt nhân để thu gom rác thải hạt nhân,
đặc biệt rôbốt này đã được đưa lên sao Hoả, hay được sử dụng đưa vào các
đường ống ngầm nguy hiểm… Trong các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS
(Flexible Manufacturing System) , robot làm những công việc chuyển tiếp giữa
các máy công tác.
Trong các nhà máy hiện đại, phương tiện dẫn đường tự động AGV (Automatic
Guided Vehicles) đã trở nên phổ biến. Loại đơn giản là những chiếc xe vận
chuyển trong nội bộ phân xưởng được điều khiển theo chương trình với một quỹ
đạo định sẵn. Đó là những robot di động, còn gọi là robocar.
1.2. Cấu trúc rôbốt tự hành
Robot tự hành đơn giản gồm một robot có cấu trúc liên tục kết nối trên xe tự
hành có thể tự di chuyển trong vùng làm việc. Sự hoạt động của toàn bộ hệ thống
xe tự hành và robot được thực hiện nhờ kỹ thuật vi điều khiển thông qua hệ thống

kết nối bằng dây dẫn từ thiết bị đến máy tính. Việc điều khiển robot được thực
Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-22-


Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

hiện bằng các chương trình lập sẵn hoặc kết hợp chương trình lập sẵn với sự can
thiệp của con người.
 Xe tự hành (giá mang cánh tay rôbốt) di chuyển được nhờ các bánh xe. Động
cơ một chiều hoặc động cơ bước được sử dụng để truyền chuyển động cho xe
thông qua bộ truyền xích.
 Cánh tay rôbốt có cấu trúc liên tục, là một chuỗi động học hở có khả năng
thao tác linh hoạt, mô phỏng gần giống cánh tay con người. Do đó có độ cơ
động rất cao.
2. Sự ứng dụng của rôbốt tự hành
Nhờ có cơ cấu chấp hành linh hoạt và chính xác, khả năng di chuyển tự do
theo ý muốn nên rôbốt tự hành được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực. Ta có thể
chia ra ứng dụng của robot tự hành trong phạm vi những không gian kín (trong
nhà) và nhưng không gian mở (ngoài trời).
 Trong nhà : phục vụ an ninh, giám sát các tòa nhà, các robot thong minh phục
vụ công việc nhà như lau chùi dọn dẹp nhà cửa, giúp đỡ người già, trẻ em,
vận chuyển hàng hóa tại các kho hàng bến bãi…
 Ngoài trời : robot dò đường, chỉ dẫn, robot quân sự, robot dùng trong các

ngành công nghiệp khai khoáng, robot dùng trong công nghiệp vũ trụ, robot
phục vụ cho xây dựng, thủy lợi, công trình ngầm, chữa cháy, cứu người…
3. Cơ sở lý thuyết khảo sát động học rôbốt tự hành
Từ cấu trúc của rôbốt tự hành đã nói đến trong phần 1.2 ta thấy chuyển động
của rôbốt tự hành gồm 2 chuyển động cơ bản. Đó là chuyển động của xe tự hành
và chuyển động của cánh tay rôbốt. Nhiệm vụ của rôbốt tự hành là di chuyển tới
vị trí cần thao tác và cánh tay rôbốt thực hiện những dịch chuyển để thao tác với
đối tượng. Như vậy chuyển động của xe tự hành độc lập với chuyển động của
rôbốt. Việc điều khiển chuyển động của xe tự hành được thực hiện thông qua
việc điều khiển các động cơ bước gắn với các bánh xe. Khi rôbốt tự hành đã đến
vị trí cần thao tác, cánh tay rôbốt cần di chuyển theo một quỹ đạo nhất định để
bàn tay rôbốt có thể hướng tới đối tượng để kẹp được đối tượng thao tác. Sau đó
Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-23-


Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

cánh tay rôbốt thực hiện những chuyển động cần thiết để đưa đối tượng tới vị trí
mới. Do đó bài toán động học cần khảo sát trong đồ án này chủ yếu là khảo sát
chuyển động của cánh tay rôbốt.
Để khảo sát bài toán động học của cánh tay rôbốt ta sử dụng cơ sở lý thuyết
chung về khảo sát động học rôbốt. Tức là cần xây dựng các hệ toạ độ cho rôbốt,
xây dựng các ma trận biến đổi toạ độ và sử dụng các phương pháp giải bài toán

động học rôbốt.

CHƯƠNG II
NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH VÀ KẾT CẤU MẪU
ROBOT RoPC01
I. KHÁI QUÁT VỀ CẤU TRÚC VÀ KẾT CẤU MẪU
ROBOT RoPC01
RoPC01 là loại robot di động, được sử dụng để thay thế cho người lao động
trong công đoạn phun cát làm sạch bề mặt kim loại trong nghành sửa chữa và
đóng mới tàu thủy. Tuy nhiên với yêu cầu mẫu robot này có khả năng ứng dụng
khá linh hoạt và chỉ cần một số thay đổi , điều chỉnh nhất định là hoàn toàn có thể
ứng dụng cho các nguyên công, hoặc công đoạn khác nhau trong sản xuất như
phun sơn, mài bavia, cọ gỉ bề mặt v.v. Chính vì vậy mẫu robot RoPC01 sẽ được
thiết kế tích hợp từ bốn môđun khác nhau: môđun di chuyển M1; môđun công
tác- M2; môđun điều khiển-M3 và môđun quan sát định vị -M4.
Như vậy về cấu tạo, robot RoPC01 sẽ có kết cấu gồm bốn môđun cơ bản sau:
• Môđun di chuyển – M1: Là loại xe di chuyển bằng 6 bánh lốp hoặc đai xích,
có tính năng cơ bản là không bị trơn, trượt khi di chuyển trên bề mặt phủ cát và
với nguồn động lực là các động cơ DC, thông qua truyền động đai, hoặc xích,
đồng thời được điều khiển không dây từ xa theo 2 chế độ tự động và bằng tay.
Điều khiển tự động được sử dụng trong quá trình robot thực hiện nguyên công
phun cát (được lập trình điều khiển theo công nghệ); còn điều khiển bằng tay
Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-24-

Đồ án tốt nghiệp

Tính toán mô phỏng mẫu động học robot RoPC01.

dùng để di chuyển “ thô ” robot tới vị trí thao tác công nghệ. Để nâng cao độ ổn
định của robot trong quá trình di chuyển, ở chế độ điều khiển bằng tay, các thao
tác di chuyển như tiến, lùi, quay, rẽ trái và phải… đều có thể thực hiện ở 3 cấp độ
khác nhau: nhanh (F- Fast), trung bình (N- Normal) và chậm (S- Slow).
• Môđun công tác – M2: Về bản chất là một tay máy 6 bậc tự do, có cấu trúc
động học hở dạng cây. Với 6 khâu và 6 bậc tự do, robot RoPC01 hoàn toàn có thể
di chuyển khâu cuối (khâu thao tác công nghệ) tới một điểm bất kỳ trong không
gian thao tác tương ứng của robot, đảm bảo cả về vị trí và hướng.
Để truyền động và dẫn động môđun công tác, ở đây đã sử dụng 6 động cơ bước
hoặc servo tương ứng với 6 khâu công tác. Toàn bộ hoạt động của môđun công
tác – M2 cũng được điều khiển từ xa với hai chế độ: tự động và bằng tay. Hai
chức năng điều khiển này tương tự như đối với môđun di chuyển.
• Môđun điều khiển – M3: Bao gồm bộ điều khiển trung tâm được thiết kế lắp
đặt ngay bên trong robot và thiết bị điều khiển từ xa nằm ngoài robot (bảng điều
khiển cầm tay hoặc laptop kết nối không dây). Dựa trên yêu cầu về chế độ điều
khiển, cũng như những thông số cụ thể về đặc tính động học và động lực học đặt
ra đối với robot RoPC01, tiến hành tính toán thiết kế và lập trình điều khiển cho
từng môđun cụ thể, sau đó được tích hợp để tạo ra hệ thống mạch điều khiển
chung cho toàn bộ hoạt động của robot.
• Môđun quan sát định vị - M4: Gồm có hai cụm thiết bị: cụm định vị - là các
sensor siêu âm dùng để xác định các vị trí khoảng cách theo yêu cầu của công
nghệ đặt ra, duy trì và đảm bảo độ chính xác thao tác khâu cuối của robot, đặc
biệt trong chế độ điều khiển làm việc tự động; cụm quan sát – là một camera
quan sát (loai thông thường, hoặc hồng ngoại – khi làm việc trong điều kiện môi
trường ánh sáng yếu), truyền tín hiệu hình ảnh của đối tượng công nghệ và khu
vực hoạt động làm việc của robot về thiết bị điều khiển từ xa, giúp cho việc điều

khiển bằng tay di chuyển robot được thuận lợi, dễ dàng, cũng như cho phép giám
sát quá trình làm việc tự động của robot một cách chặt chẽ và với độ tin cậy cao.

Ngô Trung Dũng
K49.

Lớp Cơ Điện Tử 1-

-25-