Thiết kế mô hình và mô phỏng động lực học robot công nghiệp 3 bậc tự do

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong trường Đại học
Giao thông Vận tải nói chung và các thầy cô giáo trong chuyên ngành Cơ điện tử nói
riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em nhưng kiến thức, kinh nghiệm quý báu
trong thời gian qua.
Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo TS.Phạm Hoàng
Vương đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo và trực tiếp hướng dẫn em trong thời gian qua để
em hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp của mình.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đã luôn tạo
điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành
đề tài tốt nghiệp.
Mặc dù đã rất cố gắng nhưng chắc chắn luận văn này của em không tránh khỏi
những sai sót. Kính mong nhận được sự chỉ bảo của thầy cô và sự góp ý của các bạn.

Hà nội, Ngày 10 tháng 05 năm 2015.
Sinh viên thực hiện.
Nguyễn Hữu Khánh.

1
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương


TÓM TẮT
Được sự hướng dẫn của TS. Phạm Hoàng Vương em đã tiến hành nghiên cứu và
trình bày luận văn trong 6 chương:
 Chương I. “Nghiên cứu tổng quan về robot”. Nội dung chủ yếu của chương là
tìm hiều sự ra đời; các định nghĩa về robot; tay máy robot; ưu điểm của robot; tình
hình tiếp cận và ứng dụng robot công nghiệp ở Việt Nam.

 Chương II. “Xây dựng mô hình 3D robot công nghiệp”. Nội dung chủ yếu của
chương này là xây dựng mô hình 3D robot 3 bậc tự do RRR dựa trên phần mềm Catia
và đồng bộ mô hình trên Matlab.
Chương III. “Xây dựng phương trình động học và động lực học cho robot công
nghiệp 3 bậc tự do”. Nội dung chủ yếu của chương này là tập trung phân tích mô hình;
tính toán động học thuận và động học ngược robot 3 bậc tự do; thành lập và giải bài
toán động lực học ngược trong không gian thao tác.
Chương IV. “Ứng dụng Matlab Simulink để mô phỏng robot công nghiệp 3 bậc tự
do”. Nội chung chủ yếu của chương này là tập chung nghiên cứu vấn đề động học
robot dựa trên thư viện Simulink trong phần mềm Matlab. Thông qua quá trình mô
phỏng này, đưa ra các đồ thị về vị trí, vận tốc, gia tốc của các biên khớp robot.
Chương V: “Nghiên cứu phương pháp thiết kế quỹ đạo cho robot công nghiệp”. Nội
dung chủ yếu của chương là thiết kế quỹ đạo cho robot.
Chương VI: “Kết luận và hương phát triển”

2
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương


MỤC LỤC

3
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương


CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT

STT
1
2
3

Kí hiệu

ai

Diễn giải nội dung đầy đủ
Lượng tịnh tiến dọc theo trục Ox
Góc quay quanh trục Ox

αi
di

Lượng tịnh tiến dọc theo trục Oz

4

θi

Góc quay quanh trục Oz

5
6

DH

Denavit Hartenberg

Biến khớp thứ i

7

qi
i −1
i

T

Ma trận chuyển giữa khâu (i-1) và khâu i

4
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương


8
9

Ma trận quay

Ri

Vector tịnh tiến

Pi

10

sqi

sin(q1 )

11

cqi

cos(q1 )

12

s(q2 − q3 )

sin(q2 − q3 )

13

c(q2 − q3 )

cos(q2 − q3 )

14

0
n

Phương trình động học

15

Tr

Vết của ma trận

16

g

Gia tốc trọng trường

17

K

Động năng

18

P

Thế năng

19

J

Moment giả quán tính

20

T

uur
rGi

Vector biểu diễn trọng tâm khâu i

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

5
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương


DANH MỤC BẢNG BIỂU

6
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương


MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Robot là một phát minh vĩ đại của con người vì mục đích thay thế con người làm
những công việc nặng nhọc, sự nhàm chán của công việc (do sự lặp lại các thao tác
của một công việc nào đó nhiều lần), nguy hiểm của môi trường lao động như môi

trường nóng bức trong các lò hơi, sự ô nhiễm bụi bặm của các hầm mỏ, hay sự nguy
hiểm ở dưới đáy đại dương, trên không gian vũ trụ… cũng như tăng tính tự động hóa
trong các dây truyền sản xuất.
Ở nhiều nước trên thế giới, robot được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong nhiều
ngành công nghiệp khác nhau như vận chuyển, bốc dỡ vật liệu, gia công, lắp ráp thăm
dò... Tuy nhiên, để chế tạo và đưa vào sử dụng một robot hoàn chỉnh phải qua rất
nhiều công đoạn quan trọng, từ thiết kế tính toán các thông số tới chế tạo: tìm hiểu các
loại robot, lựa chọn loại, kết cấu robot tối ưu nhất, tính toán động học, động lực học,
mô phỏng trên máy tính... Trong đó công việc mô phỏng robot đóng vai trò quan trọng
bởi vì sau quá trình thiết kế chúng ta rất cần một cách nào đó xem hệ thống có hoạt
động đúng như mong đợi không, tránh việc đi vào sản xuất luôn mà chẳng may gặp lỗi
thiết kế, tính toán nào đó gây lãng phí cả về vật chất lẫn thời gian.
Nhằm đáp ứng phần nào những công việc để có thể thiết kế ra một robot thực hoàn
chỉnh có thể ứng dụng vào thực tế em đã tập trung nghiên cứu vào đề tài:
“Thiết kế mô hình và mô phỏng động lực học robot công nghiệp 3 bậc tự do”
2. Đối tượng và nội dung nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là robot RRR (gồm 3 khớp quay ) 3 bậc tự do. Đây
là loại robot được ứng dụng nhiều trong sản xuất.

7
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương


CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ROBOT
1.1 Sự ra đời của robot công nghiệp
Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng
rộng rãi các phương tiện tự động hóa sản xuất. Xu hướng tạo ra những dây chuyền về
thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang hình thành. Các thiết bị này đang thay thế

dần các máy tự động “cứng” chỉ đáp ứng một việc nhất định trong lúc thị trường luôn
luôn đòi hỏi thay đổi mặt hàng về chủng loại, về kích cỡ và về tính năng v.v… Vì thế
ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng robot để tạo ra các hệ thống sản xuất linh
hoạt.
Thuật ngữ “robot” lần đầu tiên xuất hiện vào khoảng năm 1921 trong tác phẩm
“Rossum’s Universal Robot” của nhà viễn tưởng người Sec Karel Capek. Trong vở
kịch này, ông dùng từ “robot”, biến thể của từ gốc Slavơ “Robota”, để gọi một thiết bị
do con người tạo ta.
Vào những năm 40 nhà văn viễn tưởng người Nga, Issac Asimov, mô tả robot là
một chiếc máy tự động, mang diện mạo của con người. Asimov cũng đặt tên cho
ngành nghiên cứu về robot là Robotics, trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản:
 Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người.
 Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra. Các quy tắc
này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất.
 Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhưng không được vi phạm 2
nguyên tắc trước.
Và cũng trong những năm này, ước mơ viễn tưởng của Kerel Capek đã bắt đầu
thành hiện thực. Ngay sau chiến tranh thế giới thứ 2, ở Hoa Kì đã xuất hiện những tay
máy chép hình điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ.

8
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương


Vào những năm 1950 bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đã xuất hiện các
loại tay máy chép hình thủy lực và điện từ, như tay máy Minotaur I hoặc tay máy
Handyman của General Electric.
Năm 1954 George C. Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là “cơ cấu bản lề dùng

để chuyển hàng theo chương trình”
Đến năm 1956 Devol cùng với một kĩ sư trẻ của công nghiệp hàng không Joseph
F.Engelber, đã tạo ra loại robot đầu tiên năm 1959 ở công ty Unimation. Chỉ đến năm
1975 công ty Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ các sản phẩm robot đầu tiên này.
Chiếc robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên năm 1961 ở một nhà
máy ô tô của General Motors tại Trenton, New Jersey Hoa Kỳ.
Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp từ công ty AMF của Hoa
Kỳ (American Machine and Foundry Company).
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 thị trường quốc tế nhiều loại
robot.
1.2 Các định nghĩa về robot công nghiệp
Các nhà khoa học đã đưa ra rất nhiều định nghĩa về robot:
 Theo viện kỹ thuật robot của Hoa Kỳ: “Robot là loại tay máy nhiều chức năng,
với chương trình làm việc thay đổi được, dùng để thực hiện một số thao tác sản xuất.”
 Theo ISO (International Standards Organization): “Robot công nghiệp là một tay
máy đa mục tiêu, có một số bậc tự do dễ dàng lập trình, điều khiển, dùng để tháo lắp
phôi, dụng cụ hoặc các vật dụng khác. Do chương trình thao tác có thể thay đổi nên
thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng.”
 Theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): “ Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển
động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt
ra trên các trục tọa độ; có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật

9
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương


chất: chi tiết, dao cụ, gá lắp… theo những hành trình thay đổi đã chương trình hóa

nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.”
 Theo RIA (Robot institute of America): “Robot là một tay máy vạn năng có thể
lặp lại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các
thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn
thành các nhiệm vụ khác nhau.”
 Theo ΓOCT 25686-85 (Nga): “Robot công nghiệp là một tay máy tự động, được
đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển
theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều
khiển trong quá trình sản xuất.”
 Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD: “ Robot là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện
các chuyển động có thể chương trình hóa và nối ghép các chuyển động của chúng
trong những khoảng cách tuyến tính hay tuyến tính của động trình. Chúng được điều
khiển bởi các bộ phận hợp nhất ghép kết nối với nhau, có khả năng học và nhớ các
chương trình; chúng được trang bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác để
thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp và gián tiếp.”
 Theo tiêu chuẩn GHOST 1980: “Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy
và một cụm điều khiển chương trình hóa, thực hiện một chu trình công nghệ một cách
chủ động với sự điều khiển có thể thay thế chức năng tương tự của con người.”
Bản chất của các định nghĩa khác nhau trên đây giúp ta thấy được một ý nghĩa
quan trọng là: Riêng một mình robot thì không thể hoàn thành tốt được công việc. Nó
phải được liên hệ chặt chẽ với máy móc, công cụ và các thiết bị công nghệ tự động
khác trong một hệ thống tự động tổng hợp. Do đó trong quá trình phân tích và thiết kế,
không thể quan niệm robot như một đơn vị cấu trúc biệt lập, trái lại đó phải là những
thiết kế tổng thể của “hệ thống tự động linh hoạt robot hóa” cho phép thích ứng nhanh
và đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi.
1.3 Tay máy robot
1.3.1 Kết cấu của tay máy
10
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương


Tay máy là phần cơ sở nó quyết định đến khả năng làm việc của robot. Đó là
thiết bị cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian để thực hiện
các nhiệm vụ như nâng hạ, vận chuyển, lắp ráp.. Tay máy robot thông thường là cơ cấu
hở gồm một chuỗi các khâu liên kết với nhau bằng các khớp, khâu đầu tiên được nối
với giá cố định. Khớp tạo sự linh hoạt giữa các khâu với nhau nói riêng và toàn bộ
toàn bộ tay máy robot công nghiệp nói chung. Thông qua khớp nối, các khâu trong cơ
cấu tay máy được chuyển động tương đối với nhau. Tùy theo yêu cầu về kết cấu của
robot mà ta lựa chọn loại khớp liên kết giữa các khâu khác nhau. Trong robot công
nghiệp hiện nay, người ta thường dùng chủ yếu hai loại khớp là khớp quay và khớp
trượt.
Khớp quay: (thường được kí hiệu là R) loại khớp này cho phép chuyển động
quay của khâu này và khâu khác quanh một trục quay. Loại khớp này hạn chế năm khả
năng chuyển động giữa hai thành phần khớp do đó có một bậc tự do.

Hình 1. 1: Khớp quay
Khớp trượt: (thường được kí hiệu là T) loại khớp này cho phép hai khâu trượt
tương đối với nhau theo phương của một trục nào đó và hạn chế năm khả năng chuyển
động do đó khớp có một bậc tự do.

11
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương


Hình 1. 2: Khớp trượt
Ngoài ra trong một số trường hợp người ta còn dùng khớp cầu để tăng tính linh

hoạt cho robot. Với loại khớp này cho phép các khâu thực hiện các chuyển động quay
theo tất cả các hướng qua tâm khớp, và hạn chế chuyển động tịnh tiến giữa các khâu.
Do đó khớp cầu có số bậc tự do là ba.
Trong quá trình thiết kế tay máy robot, người ta quan tâm đến các thông số ảnh
hưởng lớn đến khả năng làm việc của robot như:
 Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay…
 Tầm với hay vùng làm việc: kích thước và hình dáng vùng mà phần
công tác có thể với tới.
 Sự khéo léo của robot: thông số này liên quan đến bậc tự do của
robot
1.3.2 Bậc tự do của robot
Bậc tự do là số khả năng chuyển động tịnh tiến hoặc quay của cơ cấu. Để dịch
chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được
một số bậc tự do. Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở nên số bậc tự do của nó
có thể tính theo công thức:
5

w = 6n − ∑ ipi
i =1

Trong đó:

n: Số khâu động
pi : Số khớp loại i (i=1,2,…,5: Số bậc tự do bị hạn chế)

12
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương

Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh
tiến (khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động. Đối với cơ cấu hở, số
bậc tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động.
Số bậc tự do của robot quyết định đến tính linh hoạt của robot trong quá trình
làm việc. Số bậc tự do càng lớn robot càng linh hoạt, càng nhiều phương án để điểm
thao tác thực hiện được yêu cầu công việc, điều này rất có ý nghĩa trong trường hợp
robot làm việc trong môi trường có nhiều chướng ngại vật. Tuy nhiên số bậc tự do
chuyển động này không nên lớn hơn sáu, bởi vì nếu sáu bậc tự do nếu bố trí một cách
hợp lý sẽ đủ để tạo ra khả năng linh hoạt của khâu tác động cuối nhằm có thể tiếp cận
đối tượng theo mọi hướng. Mặt khác cũng phải thừa nhận rằng số bậc tự do lớn kéo
theo hệ quả là: tăng sai số dịch chuyển, tăng chi phí, thời gian sản xuất và bảo dưỡng
robot. Do đó tùy theo yêu cầu, chức năng mà người ta lựa chọn số bậc tự do cho robot
thích hợp.
1.3.3 Vùng làm việc của robot
Vùng làm việc của robot hay không gian làm việc của robot là toàn bộ thể tích
được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể.
Vùng làm việc bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràng
buộc cơ học của các khớp. Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả vùng làm
việc của một robot.

Hình 1. 3: Biểu diễn vùng làm việc của robot
1.4 Ưu điểm của robot công nghiệp
 Làm việc không biết mệt mỏi, ít xảy ra nhầm lẫn trong quá trình làm việc.
13
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương

 Làm việc được trong môi trường nguy hiểm, khắc nghiệt như: môi trường có
nhiều phóng xạ, môi trường có khí độc, dưới đáy đại dương, ngoài vũ trụ,…
 Thay đổi các thao tác bằng cách thay đổi chương trình điều khiển.
1.5 Tình hình tiếp cận robot ở Việt Nam và ứng dụng của robot công nghiệp
1.5.1 Tình hình tiếp cận robot ở Việt Nam
Trong giai đoạn trước năm 1990 hầu như trong nước hoàn toàn chưa du nhập về
kỹ thuật robot, thậm chí chưa nhận được nhiều thông tin kỹ thuật về lĩnh vực này.
Nhưng với mục tiêu chủ yếu là tiếp cận kỹ thuật mới mẻ, 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 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 công tác đào tạo cán bộ kỹ thuật ở nước ta.
Giai đoạn tiếp theo từ năm 1990 các ngành công nghiệp trong nước bắt đầu
được đổi mới. Nhiều cơ sở đã nhập ngoại nhiều dây chuyền thiết bị mới. Đặc biệt là ở
một số cơ sở liên doanh với nước ngoài đã nhập ngoại nhiều loại robot phục vụ các
công việc.
1.5.2 Ứng dụng của robot công nghiệp

Robot được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, dưới góc độ thay thế sức người. Mục đích
sử dụng trong các dây chuyển sản xuất nhằm nâng cao năng suất, chất lượng và hiểu
quả sản xuất từ đó giảm giá thành sản phẩm, nâng cao khả năng cạnh tranh.
-

Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng trong nhiều trong công nghệ đúc, hàn,

-

cắt kim loại, vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm,…
Robot được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất từ động nhằm tạo ra linh
hoạt và tự động cao nhất cho dây chuyền, các robot này được điểu khiển bằng

-

một hệ thông các phương trình được lâp trình sẵn.
Robot còn được sử dụng trong lĩnh vực y học, quốc phòng, vũ trụ, ….

14
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương


Hình 1. 4: Robot hàn trong công nghiệp

Hình 1. 5: Robot phục vụ máy phay CNC
Robot có vai trò và ý nghĩa rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực đời sống xã hội của
con người. Tuy nhiên, để chế tạo và đưa vào sử dụng một robot hoàn chỉnh phải qua
rất nhều quan trọng, từ thiết kế tính toán các thông số tới chế tạo. Một trong nhưng
công viêc đó là nghiên cứu, tính toán giải bài toán động học của robot.

15
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương


CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3D ROBOT CÔNG NGHIỆP 3 BẬC TỰ DO

2. 1 Tổng quan về phần mềm catia
2.1.1 Khái niệm và phạm vi ứng dụng của phần mềm catia

Phần mềm Catia là hệ thống CAD/CAM/CAE 3D hoàn chỉnh và mạnh mẽ nhất hiện
nay do hãng Dassault System phát triển. Hiện nay phần mềm này được ứng dụng trong
hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật như cơ khí, tự động hóa công nghiệp ôtô, tàu thủy, hàng
không... Ưu điểm của phần mềm là khả năng đồ họa mạnh, thư viện phần tử lớn thuận
lợi trong thiết kế, thực hiện quá trình vẽ và đưa ra mô hình cấu trúc nhanh, chính
xác… Ngoài ra với phần mềm catia, ta có thể xuất ra kết quả dưới nhiều định dạng
dạng thuận lợi cho việc liên kết với những phần mềm khác, phần mềm còn có khả
năng giải và mô phỏng được nhiều bài toán trong kỹ thuật.
2.1.2 Giới thiệu về môi trường làm việc Part Design trong phần mềm catia
Cách mở 1 file part
 Chọn File - > chọn new (hoặc là biểu tượng trên màn hình

trên màn

hình). Hộp thoại xuất hiện cho phép chọn lĩnh vực mà chúng ta cần thiết kế.
 Chọn Part trong danh sách những lĩnh vực khác nhau và click OK. Lúc đó
môi trường làm việc part được mở

16
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương


Hình 2. 1: Môi trường làm việc
Môi trường làm việc của Part được phân chia như sau:





Cây để thể hiện các thao tác mà ta đã thực hiện
Khu vực giành cho việc thiết kế
Những nút lệnh có sẵn trên màn hình dùng cho việc thiết kế
Có thể chọn lệnh cho quá trình thiết kế từ các menu

Catia sẽ cung cấp cho ta 3 mặt phẳng để thiết kế. Thật sự để thiết kế một khối part
hoàn chỉnh thì ta phải bắt đầu từ biên dạng sketch. Tạo biên dạng sketch được thực
hiện ở môi trường sketch. Để mở nó, ta chỉ cần chọn vào biểu tượng

và chọn mặt

phẳng cần vẽ biên dạng sketch.
Môi trường sketch cung cấp hầu hết các công cụ cho phép chúng ta có thể thiết kế
những biên dạng 2D mà chúng ta cần.
2.1.3 Các khối lệnh cơ bản trong dựng hình
Một khối Part được thiết kế bằng cách là thêm vật liệu, loại bỏ bớt vật liệu, trong
phần này em sẽ trình bày cách để thiết kế một khối Part:
 Tạo một pad Definition: Click vào biểu tượng

chọn mặt phẳng cần đùn

theo biên dạng 2D tạo trước và điền những thông số cần thiết trong hộp
thoại.
17
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương

 Tạo một Multi-Pad: Click vào biểu tượng

, chọn biên dạng cần được đùn

và định nghĩa chiều dài.
 Tạo một Pocket (lấy bớt đi phần vật liệu): Click biểu tượng

chọn biên

dạng và nhập những thông số cần thiết trong hộp thoại.
 Tạo một Hole: Click biểu tượng
chọn bề mặt cần được tạo lỗ và nhập
vào những thông số cần thiết trong hộp thoại.
 Tạo một Groove (Lấy bớt một phần vật liệu) Click vào biểu tượng

chọn

biên dạng cần được quay tròn quanh một trục và nhập vào giá trị của một
góc.
 Tạo một Rib: Click vào biểu tượng

chọn biên dạng mà cần chạy theo

một biên dạng dẫn hướng cho trước, chọn biên dạng cho trước và chọn các vị
trí trong hộp thoại.
 Tạo một Slot: Click vào biểu tượng

chọn biên dạng cần chạy theo một

biên dạng dẫn hướng, chọn đường dẫn hướng và chọn những vị trí khác nhau

trong hộp thoại.
 Tạo một Stiffener: Click vào biểu tượng

chọn biên dạng cần được đùn

và định nghĩa biên dạng cần đùn theo 2 hoặc 3 hướng.
 Lấy bớt vật liệu bằng lệnh Loft: Click vào biểu tượng

, chọn những biên

dạng, chọn biên dạng dẫn hướng.
2.2 Xây dựng mô hình
Xây dựng mô hình là một nhiệm vụ quan trọng trước khi lập phương trình động
học, và mô phỏng robot. Việc xây dựng mô hình có ý nghĩa quan trọng nó giúp cho
nhà thiết kế có thể nghiên cứu biết được đặc điểm, kết cấu của từng khâu trên robot
cũng như toàn thể robot. Tùy theo yêu cầu làm việc mà ta xây dựng mô hình với hình
dáng, kích thước mô hình robot khác nhau sao cho hợp lý, đảm bảo được các yêu cầu
như: độ cứng vững, thao tác dễ dàng trong quá trình làm việc …..
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là máy tính điện tử với
sự trợ giúp của nhiều phần mềm vẽ, thiết kế mô hình 3D giúp cho việc xây dựng mô
18
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương


hình robot trở nên dễ dàng. Điển hình trong số đó phải kể đến các phần mềm như:
AutoCAD, Soliworks, CATIA, Topsolid...
Trong nội dung nghiên cứu khoa học sử dụng phần mềm Catia (Computer
Aided Three Dimensional Interactive Application) “xử lý tương tác trong không gian 3

chiều có sự hỗ trợ của máy tính” để xây dựng mô hình robot nhờ những ưu điểm như
khả năng đồ họa mạnh, vẽ và đưa ra mô hình cấu trúc nhanh, chính xác, thư viện phần
tử lớn thuận lợi trong thiết kế, cho phép xuất ra kết quả dưới nhiều dạng khác nhau,
giải và mô phỏng được nhiều bài toán trong kỹ thuật. Phần mềm Catia là hệ thống
CAD/CAM/CAE 3D hoàn chỉnh và mạnh mẽ nhất hiện nay do hãng Dassault System
phát triển, hiện nay phần mềm này được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật
như cơ khí, tự động hóa công nghiệp ôtô, tàu thủy, hàng không.
Với phần mềm Catia, người dùng có thể dễ dàng thực hiện các chức năng cơ
bản trong cơ khí như vẽ phác biên dạng bề mặt, thiết kế vật thể 3D, thiết kế thép tấm,
lắp ráp chi tiết, chú giải sai số, gia công và phân khuôn.
Do đặc điểm của tay máy robot gồm các khâu liên kết với nhau thông qua các
khớp động. Do đó ta sử dụng phần mềm Catia để xây dựng từng khâu của robot, sau
đó sử dụng công cụ hỗ trợ lắp ghép để thành một tay robot hoàn chỉnh.

19
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương


2.2.1 Chân đế cố định

Hình 2. 2: Chân đế cố định
2.2.2 Khâu 1

20
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương

Hình 2. 3: Khâu 1
2.2.3 Khâu 2

Hình 2. 4: Khâu 2
2.2.4 Khâu 3

Hình 2. 5: Khâu 3
21
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương


2.2.5 Mô hình robot công nghiệp 3 bậc tự do

Hình 2. 6: Mô hình robot công nghiệp 3 bậc tự do
2.3 Đồng bộ mô hình trên Matlab
2.3.1 Giới thiệu về phần mềm Matlab
Matlab là một bộ phần mềm dùng để tính toán các bài toán kỹ thuật, được viết
bằng ngôn ngữ C do hãng Math Works Inc sản xuất. Nó được tạo trên cơ sở những
phần mềm do các nhà lập trình của các dự án Linpack và Eispack viết ra bằng ngôn
ngữ Fortran dùng cho việc thực hiện các phép tính và thao tác trên ma trận.
Tên của phần mềm Matlab là chữ viết tắt của “matrix laboratory” có nghĩa là
“phương pháp ma trận”. Đến khi thực hành sử dụng phần mềm ta sẽ thấy mỗi phần tử
cơ bản của Matlab là một ma trận.
Matlab là một phần mềm rất mạnh, cho phép giải rất nhanh các bài toán phân
tích số liệu, tính toán ma trận, xử lí tín hiệu, mô phỏng và tạo vẽ đồ thị ... Lí do vì
Matlab đã có một loạt các hàm chuyên giải quyết các vấn đề đó được đặt trong
Toolbox. Thêm nữa, Matlab lại rất dễ sử dụng: nó không cần khai báo biến, các câu

22
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương


lệnh được viết rất gần gũi như khi viết các biểu thức toán học, tiết kiệm rất nhiều thời
gian cho việc lập trình.
Một số ứng dụng điển hình của Matlab là: phát triển tính toán, mô hình và mô
phỏng, khảo sát phân tích số liệu, đồ họa khoa học kỹ thuật. Trong môi trường học tập
nó là một công cụ hữu ích để giải các bài toán. Trong công nghiệp nó là công cụ được
lựa chọn cho việc phân tích, phát triển và nghiên cứu đạt hiệu suất cao.
Simulink là phần chương trình mở rộng của Matlab nhằm mục đích mô hình
hóa, mô phỏng và khảo sát các hệ thống động học. Giao diện đồ họa trên màn hình của
Simulink cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệu với các khối chức năng
quen thuộc. Simulink cung cấp cho người sử dụng một thư viện rất phong phú, người
dùng có thể thực hiện các phép tính toán cơ bản, ghép nối tín hiệu, hiển thị kết quả
dưới nhiều dạng đồ thị.., các khối chức năng cho hệ tuyến tính, phi tuyến hay gián
đoạn. Ngoài ra người dùng còn có thể tạo nên các khối riêng của mình.
Đặc biệt với Simulink người thiết kế có thể xây dựng các mô hình vật thể 3D
hay liên kết dễ dàng với các file mô hình 3D đã xây dựng ở các phần mềm chuyên
dụng như Catia, SoliWork, Inventor.
2.3.2 Đồng bộ mô hình trên Matlab Simulink
Bước 1: Liên kết mô hình robot thiết kế dùng phần mềm Catia vào Matlab
Simulink. Để Matlab có thể liên kết được thì ta phải lưu file mô hình dạng .wrl

23
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương


Hình 2. 7: Liên kết file (.wrl) vào môi trường Matlab Simulink
Một số chế độ tùy chọn:
-

Browse: Chỉ đường dẫn tới vị trí đặt file (.wrl)

-

View : Hiển thị cửa sổ mô phỏng

-

Edit: Vào môi trường V-Realm builder, tại đây ta có thể chỉnh sửa mô hình

robot cũng như thiết lập các liên kết khâu, khớp của robot.
-

Sample time (-1 for inherit): Điều chỉnh bước nhảy thời gian trong quá trình mô

phỏng.
Bước 2: Thiết lập mối quan hệ, vị trí giữa các khâu, khớp của robot trong môi
trường V-Realm builder.

24
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương

Hình 2. 8: Mô hình robot sau khi đồng bộ trên Matlab Simulink

CHƯƠNG III : XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC VÀ
ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT CÔNG NGHIỆP 3 BẬC TỰ DO
3.1 Bài toán động học
Nghiên cứu động học robot là bước cơ sở cho việc thiết kế robot, từ đó có thể
giải các bài toán điều khiển robot theo các quỹ đạo. Động học robot nghiên cứu
chuyển động của robot nhưng không xét đến các lực và moment gây ra chuyển động.
Động học chỉ xét vị trí, vận tốc và gia tốc của một điểm nào đó trên robot thông
25
Sinh viên: Nguyễn Hữu Khánh

Giáo viên hướng dẫn: TS.Phạm Hoàng Vương