ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT BỐN BẬC TỰ DO

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
---------------------------------------

ĐỒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ

TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT
BỐN BẬC TỰ DO

GVHD: TS.PHAN ĐÌNH HIẾU
Nhóm sinh viên:
1. Nguyễn Quang Trung - 0941020287
2. Phạm Thị Bích

- 0941020267

3. Nguyễn Văn Hùng

- 0941020253

4. Trương Phi Thường

- 0941020277

Hà Nội – 2018

BỘ CÔNG THƯƠNG
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
ĐỒ ÁN
MÔN HỌC CÔNG NGHỆ CƠ ĐIỆN TỬ
Số: 01
Họ và tên sinh viên:
1. Phạm Thị Bích
2. Trương Phi Thường
3. Nguyễn Quang Trung
4. Nguyễn Văn Hùng
Lớp: ĐH CĐT3

Khoá: 9

Khoa: Cơ khí

Giáo viên hướng dẫn: Phan Đình Hiếu
NỘI DUNG
1. Tên đề tài: Nghiên cứu điều khiển cánh tay robot bốn bậc tự do
2. Phần bản vẽ
TT

Tên bản vẽ

Khổ giấy

Số lượng

1

Bản vẽ lắp hệ thống cơ khí

A3

1

2

Bản vẽ sơ đồ khối hệ thống điều khiển

A3

1

3

Lưu đồ thuật toán điều khiển

A3

1

3. Phần thuyết minh
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống

Ngày giao đề:
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngày hoàn thành:
DUYỆT



LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, các thiết bị đa năng đã trở nên phổ biến trong cuộc sống và sản
xuất. Với sự kết hợp mạnh mẽ của Cơ khí - Điện tử - Tin học trong thời gian gần
đây, các thiết bị ngày càng thông minh, linh hoạt và hữu ích trong cuộc sống của
chúng ta. Với xu thế đó, Cơ Điện Tử là một chuyên ngành phát triển rất mạnh trên
thế giới cũng như ở Việt Nam. Với tư cách là sinh viên ngành Cơ Điện Tử, trải qua
những năm học ở trường, chúng em đã có những kiến thức tổng quát về Cơ khí Điện tử - Tin học, có thể kết hợp những lĩnh vực được học để thiết kế các thiết bị
với tính năng hiện đại, hoạt động bền vững với độ tin cậy cao
Với đề tài được giao là “Nghiên cứu điều khiển cánh tay robot 4 bậc tự
do”, chúng em đã nghiên cứu ứng dụng Arduino giao tiếp với máy tính cùng
phương pháp điều khiển PID vào mô hình tay máy thiết kế. Nội dung tìm hiểu được
chúng em viết trong ba chương:
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 2: Cơ sở robot công nghiệp
Chương 3: Mô hình hóa và mô phỏng điều khiển
Chương 4: Thiết kế và thi công hệ thống
Chương 5: Kết quả và đánh giá
Trong quá trình hoàn thành đồ án môn Cơ điện tử, mặ dù rất cố gắng tìm hiểu,
thiết kế, tính toán nhưng chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, chúng em rất mong
được sự góp ý của các thầy để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn sự nhiệt tình hướng dẫn của thầy Phan
Đình Hiếu và các thầy trong khoa Cơ khí trường Đại học Công nghiệp Hà Nội.
MỤC LỤ

LỜI NÓI ĐẦU..........................................................................................................i
MỤC LỤC................................................................................................................ ii
DANH MỤC HÌNH ẢNH.......................................................................................v
DANH MỤC BẢNG..............................................................................................vii
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG.....................................................................1
1.1. Lịch sử hình thành............................................................................................1
1.2. Xu hướng phát triển..........................................................................................1
1.3. Nội dung nghiên cứu........................................................................................3
1.4. Phương pháp nghiên cứu của đề tài.................................................................3
1.4.1. Lý thuyết.................................................................................................3
1.4.2. Thực nghiệm...........................................................................................3
1.5. Phạm vi nghiên cứu đề tài................................................................................4
1.6. Lý thuyết............................................................................................................4
1.6.1. Thiết kế mô hình.....................................................................................4
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ ROBOT CÔNG NGHIỆP..................................................5
2.1. Một số định nghĩa về robot...............................................................................5
2.1.1. Bậc tự do của robot (DOF : Degrees Of Freedom)...............................5
2.1.2. Hệ toạ độ (Coordinate frames)...............................................................5
2.1.3. Trường công tác của robot (Workspace or Range of motion).................6
2.2. Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp.........................................................6
2.2.1. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp..................................................6
2.2.2. Phân loại robot.......................................................................................8
2.3. Động học và động lực hoc robot.....................................................................11
2.3.1. Động học robot.....................................................................................11
2.3.2. Động lực học robot...............................................................................14
2.4. Thiết kế quỹ đạo robot.....................................................................................15
2.5. Cơ sở điều khiển robot....................................................................................17
2.5.1. Yêu cầu điều khiển robot.......................................................................17
2.5.2. Nguyên tắc điều khiển..................................................................................18

2.5.3. Các phương pháp điều khiển Robot......................................................18


2.5.4. Điều khiển lực.......................................................................................24
CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN.......................25
3.1. Mô hình hóa hệ thống cơ khí..........................................................................25
3.1.1. Yêu cầu bài toán thiết kế.......................................................................25
3.1.2. Mô hình cánh tay robot.........................................................................25
3.1.3. Trường công tác....................................................................................29
3.2. Giải các bài toán robot 4 bậc tự do.................................................................29
3.2.1. Bài toán động học thuận.......................................................................29
3.2.2. Bài toán động học ngược......................................................................31
3.2.3. Bài toán động lực học...........................................................................33
3.2.4. Bài toán thiết kế quỹ dạo......................................................................39
3.3. Mô hình hóa hệ thống điều khiển...................................................................42
3.3.1. Điều khiển phản hồi..............................................................................42
3.3.2. Sơ đồ hệ thống điều khiển.....................................................................43
3.3.3. Thiết kế bộ điều khiển...........................................................................44
3.4. Sơ đồ khối hệ thống và tính toán chọn động cơ.............................................52
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG.....................................54
4.1. Thiết kế hệ thống và thi công hệ thống cơ khí...............................................54
4.1.1. Thiết kế hệ thống cơ khí........................................................................54
4.1.2. Thi công cơ khí.....................................................................................58
4.2. Thiết kế mạch điều khiển................................................................................65
4.2.1. Chọn vi điều khiển................................................................................65
4.2.2. Mạch công suất module L298:..............................................................67
4.2.3. LCD và giao tiếp I2C............................................................................68
4.2.4. Tính toán chọn động cơ........................................................................69
4.3. Thiết kế giao diện điều khiển..........................................................................71
4.3.1. Ý tưởng thiết kế giao diện....................................................................71

4.3.2 Các chế độ điều khiển............................................................................73
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ............................................................78
5.1. Kết quả, phân tích và đánh giá.......................................................................78
5.1.1. Kết quả nghiên cứu cơ học...................................................................78
5.1.2. Kết quả xây dựng mô hình....................................................................79


5.2. Hướng phát triển.............................................................................................79
5.2.1.Đánh giá kết quả đạt được.....................................................................79
5.2.2. Hướng phát triển..................................................................................80
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................81
PHỤ LỤC............................................................................................................... 82


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1. Hệ tọa độ khớp robot..............................................................................5
Hình 2.2. Trường công tác của robot......................................................................6
Hình 2.3. Cấu trúc chung của hệ robot..................................................................7
Hình 2.4. Robot tọa độ kiểu Descarte.....................................................................8
Hình 2.5 Robot tọa độ trụ.......................................................................................8
Hình 2.6. Robot tọa độ cầu......................................................................................9
Hình 2.7. Robot kiểu SCARA.................................................................................9
Hình 2.8. Cấu trúc hệ điều khiển hở....................................................................10
Hình 2.9. Cấu trúc hệ điều khiển phản hồi..........................................................11
Hình 2.10. Quy tắc đặt trục tọa độ Denavit - Hartenberg..................................12
Hình 2.11. Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi...................................................19
Hình 2.12. Sơ đồ tổng quát của hệ thống điều khiển phản hồi...........................20
Hình 2.13. Cấu trúc bộ điều khiển PID................................................................21
Hình 2.14. Hệ điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu.....................................23
Hình 2.15. Hệ điều khiển thích nghi tự chỉnh......................................................23

Hình 3.1. Mô hình yêu cầu làm việc.....................................................................25
Hình 3.2. Mô hình cánh tay robot........................................................................26
Hình 3.3. Không gian làm việc của robot.............................................................29
Hình 3.4. Hệ trục tọa độ theo quy tắc Denavit – Hatenberg..............................29
Hình 3.5. Cấu trúc điều khiển...............................................................................44
Hình 3.6. Cấu trúc bộ điều khiển PD...................................................................44
Hình 3.7. Sơ đồ hệ điều khiển PID.......................................................................45
Hình 3.8. Đồ thị đáp ứng góc quay các khớp.......................................................50
Hình 3.9. Đồ thị đáp ứng vận tốc góc các khớp...................................................51
Hình 3.10. Đồ thị momen điều khiển các khớp....................................................51
Hình 3.11. Sơ đồ khối hệ điều khiển.....................................................................52
Hình 4.1. Bộ truyền bánh răng............................................................................56
Hình 4.2. Khung đế robot.....................................................................................58
Hình 4.3. Khâu 1....................................................................................................60
Hình 4.4. Khâu 2....................................................................................................62


Hình 4.5. Khâu 3....................................................................................................63
Hình 4.6. Tay kẹp V2.............................................................................................65
Hình 4.7. Vi điều khiển Arduino Mega 2560........................................................65
Hình 4.8. Giao tiếp USB 2.0..................................................................................67
Hình 4.9. Sơ đồ nguyên lý L298............................................................................68
Hình 4.10. Nguyên lý của Encoder.......................................................................70
Hình 4.11. Các bước thực hiện nhiệm vụ điều khiển..........................................72
Hình 4.12. Giao diện chương trình điều khiển cánh tay robot...........................73
Hình 4.13. Cửa số chọn cổng kết nối....................................................................73
Hình 4.14. Màn hình điều khiển Manual (Teach)...............................................74
Hình 4.15. Màn hình điều khiển Auto..................................................................76

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Mô hình các khâu của cánh tay robot.................................................28
Bảng 1.2. Thông số kĩ thuật của robot.................................................................29
Bảng 1.3. Bảng thông số động học D-H:..............................................................31
Bảng 4.1. Các chi tiết của bộ truyền đai..............................................................61
Bảng 4.2. Chi tiết cơ bản và phương pháp gia công khung đế...........................63
Bảng 4.3. Chi tiết cơ bản và phương pháp gia công khâu 1...............................65
Bảng 4.4. Chi tiết cơ bản và phương pháp gia công khâu 2...............................67
Bảng 4.5. Chi tiết cơ bản và phương pháp gia công khâu 3...............................69


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Lịch sử hình thành
Thuật ngữ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rosum’s
Universal Robot” của Karel Capek. Theo tiếng Czech thì Robot là người làm tạp
dịch. Trong tác phẩm này nhân vật Rosum và con trai ông 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 hiện thực.
Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Mỹ đã xuất hiện những tay máy chép
hình điều khiển từ xa, trong các phòng thí nghiệm phóng xạ.
Năm 1959, Devol và Engelber đã chế tạo Robot công nghiệp đầu tiên tại công
ty Unimation.
Tiếp theo Mỹ, các nước khác cũng bắt đầu sản xuất Robot Công Nghiệp: Anh
– (1967), Thụy Điển – (1968), CHLB Đức – (1971), Pháp – (1972), Ý – (1973),…
Năm 1967, Nhật Bản mới nhập chiếc Robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF
(American Machine and Foundry Company) của Mỹ.
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.

Năm 1967, tại trường đại học tổng hợp Stanford, người ta đã tạo ra loại Robot
lắp ráp tự động điều khiển bằng vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến
lực và thị giác.
Năm 1976, hãng General Motor đã chế tạo thành công cánh tay robot được sử
dụng trên tàu Viking của cơ quan hàng không vũ trụ NASA nhằm lấy mẫu đất trên
sao hỏa.
Ngày nay, chuyên ngành khoa học nghiên cứu về Robot “Robotics” đã trở
thành một lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu động
học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động
v.v…
1.2. Xu hướng phát triển


Robot đã có những tiến bộ đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua. Robot đầu tiên
được ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm các
công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại.
Có thể kể đến một số loại robot được quan tâm nhiều thời gian qua là: Tay
máy robot (Robot Manipulators), Robot di động (Mobile Robots), Robot phỏng sinh
học (Bio Inspired Robots) và Robot cá nhân (Personal Robots). Robot di động được
nghiên cứu nhiều như xe tự hành trên mặt đất AGV (Autonomous Guided Vehicles),
Robot tự hành dưới nước AUV (Autonomous Underwater Vehicles), Máy bay
không người lái UAV (Unmanned Arial Vehicles).
Ngày nay, ngoài ứng dụng sơ khai ban đầu của robot trong chế tạo máy thì các
ứng dụng khác như trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây
dựng, an ninh quốc phòng và gia đình đang có nhu cầu gia tăng là động lực cho các
robot địa hình và robot dịch vụ phát triển.
Tình hình nghiên cứu phát triển robot ở Việt Nam :
Các công trình nghiên cứu khoa học về robot được công bố của các nhà khoa
học Việt Nam rất đa dạng và theo sát được các hướng nghiên cứu của thế giới, liên
quan nhiều đến các vấn đề về động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông

tin cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển và phát triển trí thông minh cho robot.
Lĩnh vực điều khiển robot rất phong phú từ các phương pháp điều khiển
truyền thống như PID, phương pháp tính momen, phương pháp điều khiển trượt đến
các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic
mờ, thuật gen và các phương pháp điều khiển tự thích nghi, các phương pháp dạy
học cho robot …
Các nghiên cứu về thị giác robot được quan tâm cả ở robot công nghiệp và
robot di động, nhất là lĩnh vực nhận dạng và điều khiển robot trên cơ sở thông tin
hình ảnh. Các vấn đề về xử lý ngôn ngữ tự nhiên, nhận dạng và tổng hợp tiếng nói
tiếng Việt bắt đầu được chú ý cho các loại robot dịch vụ.
Mặc dù có nhiều loại robot đã được Nhà nước hỗ trợ cho nghiên cứu chế tạo
qua các đề tài nghiên cứu các cấp suốt 25 năm qua nhưng hầu như các robot đó ít
được ứng dụng vào thực tiễn sản xuất. Nhiều nhóm nghiên cứu phát triển robot
được hình thành ở các trường đại học, viện nghiên cứu ở 3 miền đất nước nhưng
chủ yếu phục vụ cho nghiên cứu và đào tạo. Ứng dụng mạnh mẽ của robot trong sản


xuất chỉ có hiệu quả khi dây chuyền sản xuất có nhu cầu tự động hóa hóa cao trong
khi đó nền sản xuất của Việt Nam đang ở giai đoạn công nghiệp hóa sử dụng lao
động thủ công với giá nhân công rẻ. Mặc dù vậy các nghiên cứu phát triển robot ở
Việt Nam vẫn phát triển mạnh đáp ứng nhu cầu đào tạo nguồn nhân lực công nghệ
cao đang rất thiếu cho quá trình phát triển của đất nước.
1.3. Nội dung nghiên cứu
Với đề tài được giao nhóm xác định các vấn đề phải giải quyết sau:
a.Cơ khí:
- Tính toán, thiết kế robot có cấu hình phù hợp cho yêu cầu linh hoạt về công
việc đặt ra.
- Hệ thống cơ khí, truyền động chính xác, gia công phải đảm bảo độ chuẩn
theo yêu cầu kích thước bản vẽ. Đảm bảo cho robot chạy êm, đúng yêu cầu kĩ thuật.
- Các khâu đảm bảo không gian làm việc ổn định, tự do, không va chạm, đảm

bảo gắp phôi được ở vị trí mong muốn.
b.Mạch điều khiển :
- Mạch điều khiển thiết kế hoạt động ổn định, hạn chế được tối đa ảnh hưởng
của các yếu tố nhiễu.
- Thiết kế giao diện điều khiển đơn giản, trực quan.
c.Phương pháp điều khiển:
- Xây dựng mô hình toán học cho robot. Từ đó lựa chọn, thiết kế giải thuật
điều khiển đảm bảo cánh tay robot bám quỹ đạo mong muốn và hoạt động ổn định
dưới tác động của các yếu tố nhiễu.
- Mô phỏng để đánh giá giải thuật.
1.4. Phương pháp nghiên cứu của đề tài
1.4.1. Lý thuyết
Về phần lý thuyết chúng em nghiên cứu các mảng sau:
- Nghiên cứu các bài toán động học thuận (ngược), bài toán động lực học
- Thiết kế quỹ đạo cho robot và bài toán nội suy
- Một số phương pháp điều khiển robot
1.4.2. Thực nghiệm
Ứng dụng những thứ đã học được trong chuyên ngành “cơ điện tử” vào nghiên
cứu:


- Thiết kế hệ thống đồng thời song song cả phần cơ khí, điện, điện tử, lập
trình.
- Mô hình hóa phần cơ khí, phần điện.
- Tối ưu hóa tất cả từ phần lên ý tưởng đến phần gia công hoàn chỉnh sản
phẩm.
1.5. Phạm vi nghiên cứu đề tài
Đây là đề tài có nhiều ứng dụng trong thực tế, vì vậy sẽ có rất nhiều phương
pháp, cũng như là hướng giải quyết, phát triển khác nhau. Nhóm quyết định xây
dựng mô hình cánh tay robot gắp vật và di chuyển theo quỹ đạo định trước.

1.6. Lý thuyết
- Giải quyết các bài toán động học ngược, động học thuận của robot.
- Giải quyết các bài toán động lực học tay máy.
- Giải quyết bài toán nội suy theo đường thẳng và theo đường cong.
- Nghiên cứu thuật toán điều khiển robot.
1.6.1. Thiết kế mô hình
- Tính toán, thiết kế mô hình cánh tay robot 4 bậc tự do di chuyển gắp thả vật
ở các vị trí, đồng thời di chuyển theo quỹ đạo đường thẳng, đường tròn.
- Mạch điều khiển cánh tay robot sử dụng modul Arduino Mega 2560 làm nền
tảng, cùng với module L298 điều khiển động cơ.
- Giao diện điều khiển trên máy tính thông qua cổng nối tiếp.


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ ROBOT CÔNG NGHIỆP
2.1. Một số định nghĩa về robot
2.1.1. Bậc tự do của robot (DOF : Degrees Of Freedom)
Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay
hoặc tịnh tiến). Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp
hành của robot phải đạt được một số bậc tự do. Nhìn chung cơ hệ của robot thường
là một cơ cấu hở. Do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức :
(2.1)
Ở đây: n - Số khâu động;
pi - Số khớp loại i (i = 1,2,. . .,5 : Số bậc tự do bị hạn chế).

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.
2.1.2. Hệ toạ độ (Coordinate frames)
Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các khớp
(joints), tạo thành một chuỗi động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng

yên. Hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn).
Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng. Các
hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo quy tắc bàn tay phải.

Hình 2.1. Hệ tọa độ khớp robot


2.1.3. Trường công tác của robot (Workspace or Range of motion)
Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) 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. Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng
như các ràng buộc cơ học của các khớp, ví dụ một khớp có thể quay 1 góc nhỏ hơn
360�. Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác của một robot

(Hình 2.2)

Hình 2.2. Trường công tác của robot
2.2. Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp
2.2.1. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp
2.2.1.1. Cấu tạo chung
Một Robot công nghiệp được cấu thành bởi các thành phần sau:
+ Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình
thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt
và bàn tay (End Effecr) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng.
+ Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Thường sử
dụng các loại động cơ: điện, thủy lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng.
+ Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết
khác. Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các
cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường.
+ Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát và

điều khiển hoạt động của robot.


Hình 2.3. Cấu trúc chung của hệ robot
2.2.1.2. Kết cấu tay máy
Tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của robot.
Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta cần quan tâm đến các thông số hình động học, là những thông số liên quan đến khả năng làm việc của robot như: tầm
với (hay trường công tác), số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt của robot),
độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp,...
Các khâu của Robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản:
+ Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Descarte, thông
thường tạo nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu là T hoặc P.
+ Chuyển động quay quanh các trục x, y, z ký hiệu là R.
Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có
các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thường gặp của
Robot là robot kiểu toạ độ Descarte, toạ độ trụ, toạ độ cầu, Robot kiểu SCARA,
kiểu tay người...


2.2.2. Phân loại robot
2.2.2.1. Phân loại theo dạng không gian hoạt động
a. Tọa độ Descarte
Tay máy kiểu tọa độ Descarte là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến
theo phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình T.T.T). Trường công tác có dạng
khối chữ nhật. Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ
chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp
ráp, hàn trong mặt phẳng.

Hình 2.4. Robot tọa độ kiểu Descarte
b. Robot tọa độ trụ

Tay máy kiểu tọa độ trụ khác với kiểu tay máy Descartes ở khớp đầu tiên,
dùng khớp quay thay cho khớp trượt. Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng.
Độ cứng vững của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng, nhưng độ chính xác định
vị trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng.

Hình 2.5 Robot tọa độ trụ


c. Robot tọa độ cầu
Tay máy kiểu tọa độ cầu khác với kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được
thay bằng khớp quay. Nếu quỹ đạo của phần công tác được mô tả trong tọa độ cầu
thì mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc của
nó là một khối cầu rỗng. Độ cứng vững của tay máy này thấp hơn hai loại trên và độ
chính xác phụ thuộc vào tầm với. Tuy nhiên loại này có thể gắp được các vật dưới
sàn.

Hình 2.6. Robot tọa độ cầu
d. Robot kiểu Scara
Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanaski ( Nhật Bản)
dùng cho công việc lắp ráp. Đó là kiểu tay máy đặc biệt gồm hai khớp quay và một
khớp trượt, nhưng cả ba khớp đều có trục song song với nhau. Kết cấu này làm cho
tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững hơn theo
phương được chọn, là phương ngang. Loại này chuyên dùng trong công việc lắp ráp
với tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng. Từ SCARA là viết tắt của chữ “Selective
Compliance Articulated Robot Actuator” để mô tả các đặc điểm trên.

Hình 2.7. Robot kiểu SCARA


e. Robot kiểu tay người

Tất cả các khớp đều là khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với hai
trục kia. Do sự tương tự với tay người, khớp thứ hai được gọi là khớp vai (Shoulder
joint), khớp thứ ba là khớp khủy (Elbow joint), nối cẳng tay với khuỷu tay. Tay máy
làm việc rất khéo léo nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vị trí của vùng làm
việc.
2.2.2.2. Phân loại theo điều khiển
Có 2 loại điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín.
a. Điều khiển hở
Đây là phương pháp điều khiển không có phản hồi về trạng thái cũng như môi
trường làm việc của tay máy robot công nghiệp. Do đó độ chính xác không cao.
Phương pháp điều khiển này tương đối đơn giản, thường được áp dụng trong những
trường hợp không đòi hỏi cao về độ chính xác, như vận chuyển phôi liệu hay hàng
hóa… Động cơ được sử dụng trên tay máy robot dạng điều khiển này thường là
động cơ bước, động cơ điện thông thường không phản hồi.
Hệ thống điều khiển

Tay máy robot công

Môi trường làm việc

nghiệp

Hình 2.8. Cấu trúc hệ điều khiển hở
b. Điều khiển kín (hay điều khiển servo)
Khác với phương pháp điều khiển theo mạch hở, ở phương pháp điều khiển
theo vòng kín có phản hồi về trạng thái làm việc của tay máy cũng như môi trường
mà tay máy tương tác. Do đó điều khiển tay máy hay robot công nghiệp sẽ chính
xác hơn. So với phương pháp điều khiển mạch hở, phương pháp này điều khiển
phức tạp hơn do phải trang bị hệ thống cảm biến để đo các giá trị trạng thái của tay
máy như: vị trí, vận tốc, momen..và các thông số môi trường làm việc.

Với ưu điểm là có độ chính xác cao, tin cậy trong quá trình làm việc nên
phương pháp điều khiển theo vòng kín ngày càng được sử dụng nhiều trên các tay
máy robot công nghiệp.


Hình 2.9. Cấu trúc hệ điều khiển phản hồi
2.2.2.3. Phân loại theo ứng dụng
Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có robot sơn, robot hàn, robot lắp
ráp, robot chuyển phôi v.v...
2.3. Động học và động lực học robot
2.3.1. Động học robot
2.3.1.1. Động học thuận
Bài toán động học thuận sử dụng phương pháp do Denavit – Hartenberg đề
xuất. Phương pháp đó được sử dụng để biểu thị mối quan hệ giữa 2 khâu với nhau:
Quy tắc đặt hệ trục tọa độ theo D-H:
Một cách tổng quát tay máy coi là có n khâu, trong đó khâu thứ i liên kết khớp
(i) với khớp (i+1) như hình vẽ. Theo quy tắc D-H các hệ tọa độ được xác định theo
quy ước sau:
- Trục tọa độ zi cùng hướng với hướng của trục khớp i+1.
- xi cùng phương với phương pháp tuyến chung của trục zi-1 và trục zi
- Gốc tọa độ trên khâu là được xác định bởi giao điểm của truc z và trục x đã
xác định của khâu đó. Hướng của trục y được chọn theo hướng của trục z, x theo
quy tắc bàn tay phải.
- Hệ tọa độ gốc: x0 được chọn tùy ý vuông góc với z0.
Quy tắc rời trục tọa độ theo Denavit-Hartenberg:
- Tịnh tiến một đoạn di theo trục zi-1 để xi-1 nằm trên mặt phẳng pháp tuyến của
zi-1 chứa xi.
- Quay một góc i quanh trục zi-1 để xi-1 cùng phương với xi.
- Tịnh tiến một đoạn ai theo trục xi-1 để xi-1 trùng với xi.
- Quay một góc αi quanh trục xi-1 (trùng với xi) để zi-1 trùng với zi.

Hình 2.10. Quy tắc đặt trục tọa độ Denavit - Hartenberg
Ma trận biến đổi thuần nhất các hệ trục tọa độ theo D-H
Tương ứng với các phép tịnh tiến và phép quay trên ta có các ma trận biến đổi
thuần nhất giữa các hệ trục tọa độ liên tiếp theo quy tắc D-H là các ma trận Hii-1

H ii 1  Tranz (i 1) (di ).Rot z (i 1) (i ).Tranx (i 1) (ai ).Rot x (i 1) ( i )
1
�
�
0
Tz (i 1) (di )  �
�
0
�
0
�

0 0
1 0
0 1
0 0

0�
cos i
�
�
0�
sin  i

�Rz (i 1) (i )  �
�0
di �
�
�
1�
�0

1
�
�
0
Tx ( i 1) ( ai )  �
�
0
�
0
�

0
1
0
0

ai �
1
0
�
�
0�

0 cos  i
�Rx (i 1) ( i )  �
�
0�
0 sin  i
�
�
1�
0
0
�

cos i
�
�
sin 
i 1
Hi  � i
�0
�
�0

0
0
1
0

 sin i cos  i
cosi cos  i
sin  i

0

sin  i sin  i
 cos i sin  i
cos  i
0

 sin i
cos  i
0
0

(2.2)

0 0�
0 0�
�
1 di �
�
0 1�

0
 sin  i
cos  i
0

1�
0�
�
0�

�
1�

ai cos  i �
ai sin  i �
�
di �
�
1 �

Phương trình động học robot công nghiệp:

Dn0=H10H21H32…Hnn-1

(2.3)


Các bước lập phương trình động học robot công nghiệp theo quy tắc DenavitHartenberg:
- Bước 1: Đặt các hệ trục tọa độ lên các khâu khớp theo quy tắc
- Bước 2: Lập bảng thông số D-H
- Bước 3: Viết các ma trận biến đổi thuần nhất giữa các hệ trục tọa độ theo
công thức Denavit-Hartenberg
- Bước 4: Thiết lập phương trình động học robot công nghiệp
2.3.1.2. Động học ngược
a. Khái niệm
Động học ngược tay máy là việc giải phương trình động học robot công
nghiệp để tìm ra các giá trị của biến khớp khi cần di chuyển khâu công tác tới vị trí
xác định và hướng xác định.
b. Mục đích của bài toán động học ngược tay máy
Để điều khiển tay máy của robot công nghiệp tới vị trí làm việc và có một

hướng xác định thì chúng ta phải tính toán giá trị các biến khớp đã quay hoặc tịnh
tiến một lượng là bao nhiêu. Động học ngược tay máy là cơ sở cho việc điều khiển
robot.
c. Các phương pháp giải bài toán động học ngược
+ Hướng giải bài toán động học ngược:
Gọi ma trận mô tả robot ( định hướng và vị trí) đã biết là:
nx
�
�
n
K  �y
�
nz
�
�0

Ox
Oy
Oz
0

ax
ay
az
0

px �
py �
�
pz �

�
1�

(2.4)

Tìm một hay tất cả các nghiệm   (1 , 2 ,... n ) của phương trình sau:
0
n

T (1 ,..., n )  K

(2.5)

0
n

Trong đó: T là ma trận 4x4 từ phương trình động học thuận được xác định
theo quy tắc Dentavit – Hartenberg:
0
1
n 1
n T (1 ,..., n )  0 T (1 )...n T (1 )

(2.6)
Phương trình (2) đưa đến việc giải 12 phương trình phi tuyến với n ẩn sau:
Tij  ( i ,..., n )  kij i  1, 2,3; j  1,..., 4
,

(2.7)

0
Trong đó Tij , kij tương ứng là 12 phần tử có giá trị của n T và K (trừ hàng cuối

của ma trận). Giải hệ phương trình (2.5) ta sẽ được nghiệm là các biến khớp

  (1 , 2 ,... n )T cần tìm.
+ Phương pháp giải tích: có nhược điểm là tính toán phức tạp, không mang
tính toàn diện cho mọi robot, khó áp dụng với các robot có số bậc tự do lớn (6).
Tuy nhiên ưu điểm của phương pháp này là khi tìm được kết quả thì việc thay giá trị
để tính toán lại trở nên đơn giản.
+ Phương pháp số: có các phương pháp điển hình sau:
 Phương pháp loại trừ thẩm tách Sylvester
 Phương pháp dựa trên khai triển chuỗi Taylor
 Phương pháp RAGHAVAN và ROTH
 Phương pháp Tsai-Morgan
 Phương pháp Newton-Rapson
2.3.2. Động lực học robot
a. Khái niệm
Bài toán động lực học tay máy là bài toán nghiên cứu mối quan hệ giữa
chuyển động của tay máy và nguyên nhân gây ra các chuyển động đó.
b. Mục đích nghiên cứu bài toán động lực học tay máy
- Tính toán thiết kết cấu tay máy
- Mô phỏng chuyển động của tay máy
- Thiết kế bộ điều khiển robot công nghiệp
c. Các phương pháp giải quyết bài toán động lực học tay máy
- Phương pháp sử dụng phương trình Lagrange II
- Phương pháp Newton – Euler
*Phương pháp Lagrange
Hàm Lagrange của một hệ thống năng lượng được định nghĩa:

LK–P

(2.8)