THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY RVM1 5 BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY RV-M1
5 BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARM

Họ và tên sinh viên: LÊ TẤN PHÚC
Ngành: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Niên khóa: 2008 – 2012

Tháng 06 năm 2012


THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY RV-M1
5 BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARM

Tác giả

LÊ TẤN PHÚC

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng kỹ sư ngành
ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Giáo viên hướng dẫn:
Ths. LÊ VĂN BẠN

Tháng 06 năm 2012
i

LỜI CẢM ƠN
Để đạt được kết quả như ngày hôm nay, đầu tiên con xin cảm ơn cha mẹ đã
sinh ra, nuôi dưỡng, chăm sóc, động viên, thương yêu và là chỗ dựa vững chắc cho
con trong suốt những năm học vừa qua.
Sau đó, em xin được gởi lời cảm ơn đến quý thầy cô trường đại học Nông Lâm
TP. Hồ Chí Minh, đặc biệt là toàn thể thầy cô khoa Cơ Khí – Công Nghệ đã tận tình
dạy dỗ và truyền đạt cho em những kiến thức cần thiết trong suốt 4 năm theo học ở
trường.
Em xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Ths. Lê Văn Bạn – trưởng bộ
môn Điều Khiển Tự Động đã trực tiếp giúp đỡ, hướng dẫn em trong suốt quá trình
thực hiện đề tài.
Cuối cùng, mình xin cảm ơn tập thể các bạn trong lớp DH08TD nói riêng và
các bạn nói chung đã động viên, giúp đỡ mình trong suốt những năm học vừa qua và
trong thời gian thực hiện khóa luận.
Em xin chân thành cảm ơn!

TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2012
Sinh viên thực hiện:
Lê Tấn Phúc

ii


TÓM TẮT
Trước đây, khi nền công nghiệp chưa phát triển mạnh, hầu hết tất cả các nguyên
công lao động đều do con người đảm trách, từ việc thiết kế chế tạo cho đến lắp ráp
tạo thành một sản phẩm hoàn chỉnh. Chính vì thế năng suất lao động không cao và
thường dẫn đến sai sót khi làm việc trong một thời gian dài. Ngày nay, việc áp dụng

tự động hóa, robot vào các quá trình sản xuất đã trở nên rất phổ biến ở các nước công
nghiệp, giúp giải phóng con người khỏi môi trường làm việc nặng nhọc. Tuy nhiên ở
nước ta, việc áp dụng này còn nhiều khó khăn do hầu hết các thiết bị, đặc biệt là robot
đề phải nhập từ nước ngoài với giá thành cao.
Chính vì thế, đề tài “Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển cho tay máy 5 bậc tự do
ứng dụng vi điều khiển ARM” đã được thực hiện, nhằm mục đích nghiên cứu những
vấn đề mới trong khoa học – kỹ thuật trên cơ sở ứng dụng những kiến thức được
trang bị trong những năm học vừa ở trường. Đề tài đã được tiến hành tại Bộ môn
Điều khiển tự động, khoa Cơ khí-Công nghệ, trường Đại học Nông Lâm từ ngày
28/2/2012 đến ngày 25/6/2012.
Kết quả đạt được:
 Chế tạo thành công bộ điều khiển cho tay máy RV-M1 với 5 bậc tự do:
 Robot có khả năng di chuyển điểm-điểm, đường thẳng, đường tròn và quỹ
đạo bất kỳ
 Di chuyển với độ chính xác vị trí: ± 1mm
 Độ chính xác vị trí lặp lặi: ± 1mm
 Ứng dụng vi điều khiển ARM Cortex-M3 STM32F10x để thiết kế các mạch điều
khiển động cơ servo DC với độ chính xác cao, tốc độ xử lý nhanh. Đồng thời thiết
kế các mạch điều khiển chính giao tiếp với máy tính qua cổng USB, tính toán các
bài toán động học thuận và ngược chính xác trong thời gian ngắn.
 Thiết kế được phần mềm điều khiển tay máy trên máy tính với đầy đủ chức năng,
hỗ trợ đọc mã G-code thông dụng.
Giáo viên hướng dẫn

Sinh viên thực hiện

TH.S. LÊ VĂN BẠN

LÊ TẤN PHÚC
iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii 
TÓM TẮT ................................................................................................................ iii 
DANH SÁCH CÁC HÌNH ..................................................................................... vii 
DANH SÁCH CÁC BẢNG ...................................................................................... x 
DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ - TỪ VIẾT TẮT ........................................... xi 
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 
1.1.  Đặt vấn đề ..................................................................................................... 1 
1.2.  Mục đích đề tài.............................................................................................. 1 
1.2.1.  Mục đích chung ...................................................................................... 1 
1.2.2.  Mục đích cụ thể ...................................................................................... 1 
1.3.  Giới hạn đề tài ............................................................................................... 2 
TỔNG QUAN – TRA CỨU TÀI LIỆU .................................................................. 3 
2.1.  Tổng quan về robot công nghiệp .................................................................. 3 
2.1.1.  Khái niệm chung .................................................................................... 3 
2.1.2.  Bậc tự do của Robot ............................................................................... 3 
2.1.3.  Vùng công tác ........................................................................................ 4 
2.1.4.  Phân loại robot công nghiệp................................................................... 4 
2.1.5.  Ứng dụng của robot công nghiệp ........................................................... 8 
2.2.  Các kiểu điều khiển tay robot công nghiệp................................................... 8 
2.2.1.  Điều khiển vòng hở ................................................................................ 8 
2.2.2.  Điều khiển vòng kín (servo)................................................................... 8 
2.3.  Một số kiểu robot công nghiệp của các hãng khác nhau .............................. 9 
2.4.  Tìm hiểu về động cơ servo DC ................................................................... 10 
2.5.  Tra cứu các linh kiện điện tử ...................................................................... 12 
2.5.1.  Ổn áp LD1117 – 3.3V .......................................................................... 12 
2.5.2.  Mosfet IRF8736 ................................................................................... 12 
2.5.3.  Driver cầu H-LMD18200 ..................................................................... 12 

2.5.4.  IC giao tiếp PL2303HX ....................................................................... 13 
2.6.  Nghiên cứu về vi điều khiển ARM Cortex-M3 32bit ................................. 14 
iv


2.6.1.  Giới thiệu về dòng vi điều khiển ARM Cortex-M3 ............................. 14 
2.6.2.  Tìm hiểu vi điều khiển STM32F100C8T6 ........................................... 15 
2.6.3.  Tìm hiểu vi điều khiển STM32F103RDT6 .......................................... 17 
2.7.  Tìm hiểu phần mềm Keil ARM lập trình cho vi điều khiển ARM ............. 18 
2.8.  Tìm hiểu phần mềm biên soạn chương trình Souce Insight ....................... 19 
2.9.  Chương trình Flash Loader Demonstrator nạp cho vi điều khiển .............. 20 
2.10.  Tìm hiểu phần mềm Visual Basic 2008 lập trình trên máy tính ................. 21 
PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU ..................................... 22 
3.1.  Địa điểm và thời gian thực hiện đề tài ........................................................ 22 
3.1.1.  Địa điểm ............................................................................................... 22 
3.1.2.  Thời gian .............................................................................................. 22 
3.2.  Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 22 
3.2.1.  Khảo sát tay máy RV-M1 của Mitsubishi ............................................ 22 
3.2.2.  Chọn phương pháp điều khiển các động cơ ......................................... 22 
3.2.3.  Chọn phương pháp giao tiếp và truyền nhận ....................................... 23 
3.2.4.  Chọn phương pháp điều khiển động học vị trí tay máy ....................... 23 
3.2.5.  Chọn phương pháp thiết kế phần mạch điện tử ................................... 23 
3.2.6.  Chọn phương pháp thiết kế giao diện và phần mềm điều khiển .......... 23 
3.3.  Phương tiện thực hiện ................................................................................. 24 
3.3.1.  Các thiết bị phần cứng.......................................................................... 24 
3.3.2.  Các phần mềm được sử dụng ............................................................... 24 
THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ............................................................................................ 25 
4.1.  Cấu tạo của robot RV-M1 ........................................................................... 25 
4.1.1.  Cấu tạo ngoài và bậc tự do robot RV-M1 ............................................ 25 
4.1.2.  Cấu tạo bên trong và nguồn động lực robot RV-M1 ........................... 28 

4.2.  Phương trình động học của robot RV-M1 .................................................. 29 
4.2.1.  Xây dựng hệ tọa độ cho RV-M1 .......................................................... 29 
4.2.2.  Bảng thông số D-H............................................................................... 30 
4.2.3.  Phương trình động học thuận ............................................................... 31 
4.2.4.  Cách giải bài toán động học ngược bằng phương pháp hình học ........ 34 
4.3.  Chọn sơ đồ điều khiển chung ...................................................................... 37 
v


4.4.  Thiết kế mạch điều khiển động cơ Servo DC ............................................. 39 
4.4.1.  Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ servo DC .......................... 39 
4.4.2.  Lưu đồ giải thuật khối điều khiển động cơ .......................................... 41 
4.5.  Thiết kế mạch điều khiển chính, giao tiếp máy tính ................................... 42 
4.5.1.  Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển chính .............................................. 42 
4.5.2.  Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển chính ................................. 44 
4.6.  Viết chương trình cho các vi điều khiển ..................................................... 45 
4.7.  Thiết kế giao diện, chương trình điều khiển trên máy tính với VB2008 .... 45 
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................................ 46 
5.1.  Chạy thử mạch điều khiển động cơ và mạch điều khiển chính .................. 46 
5.1.1.  Mạch điều khiển động cơ thực tế sau khi hoàn tất ............................... 46 
5.1.2.  Mạch điều khiển chính sau khi hoàn tất ............................................... 47 
5.1.3.  Hình ảnh bộ điều khiển hoàn chỉnh ..................................................... 47 
5.2.  Giao diện chương trình điều khiển, các bước dạy vị trí cho tay robot ....... 49 
5.3.  Kết quả chạy thử nghiệm tay robot ............................................................. 52 
5.3.1.  Bố trí thí nghiệm .................................................................................. 52 
5.3.2.  Chạy theo chương trình điểm-điểm ..................................................... 52 
5.3.3.  Chạy nội suy đường thẳng ................................................................... 55 
5.3.4.  Chạy nội suy các đường tròn đồng tâm................................................ 57 
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .................................................................................... 60 
6.1.  Kết luận ....................................................................................................... 60 

6.2.  Đề nghị ........................................................................................................ 60 
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 61 
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 62 
Phụ lục 1: Một số hình ảnh tay robot RV-M1 cùng bộ điều khiển ...................... 62 
Phụ lục 2: Chuẩn truyền thông giữa máy tính và mạch điều khiển chính............ 65 
Phụ lục 3: Giới thiệu phần mềm CamBam ........................................................... 66 

vi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1: Sơ đồ khối chung của một robot công nghiệp
Hình 2.2: Biểu diễn vùng làm việc của robot
Hình 2.3: Robot kiểu tọa độ Descartes
Hình 2.4: Robot kiểu tọa độ trụ
Hình 2.5: Robot kiểu tọa độ cầu
Hình 2.6: Robot kiểu tọa độ góc
Hình 2.7: Robot SCARA
Hình 2.8: Robot dẫn động bằng điện
Hình 2.9: Robot dẫn động bằng khí nén
Hình 2.10: Các thành phần bộ điều khiển vòng hở
Hình 2.11: Các thành phần bộ điều khiển vòng kín
Hình 2.12: Tay robot 6 bậc tự do của hãng ABB và Staubli
Hình 2.13: Robot 6 bậc tự do của hãng Epson và Adept
Hình 2.14: Động cơ servo DC
Hình 2.15: Cấu tạo một encoder đơn giản
Hình 2.16: Xác định chiều quay động cơ bằng 2 kênh A, B của encoder
Hình 2.17: Sơ đồ chân và hình thực tế LD1117 3.3V
Hình 2.18: Sơ đồ chân và hình thực tế IRF8736
Hình 2.19: Sơ đồ chân và hình thực tế LMD18200

Hình 2.20: Sơ đồ chân và hình thực tế PL2303HX
Hình 2.21: Sơ đồ khối chung của cấu trúc nhân ARM Cortex-M3 và các thiết bị ngoại
vi
Hình 2.22: Sơ đồ chân vi điều khiển STM32F100C8T6
Hình 2.23: Sơ đồ chân vi điều khiển STM32F103RDT6
Hình 2.24: Cửa sổ phần mềm Keil ARM
Hình 2.25: cửa sổ phần mềm Source Insight
Hình 2.26: Giao diện và các bước nạp chương trình cho vi xử lý STM32 sử dụng
chương trình Flash Loader Demonstrator
Hình 2.27: Giao diện chương trình Visual Basic 2008
vii


Hình 4.1: Cấu tạo ngoài và hướng quay các trục trên robot RV-M1
Hình 4.2: Hình chiếu vùng hoạt động của robot RV-M1
Hình 4.3: Kích thước tổng quan của robot RV-M1
Hình 4.4: Hình ảnh thực tế robot RV-M1 của Mitsubishi
Hình 4.5: Cấu tạo bên trong của tay robot RV-M1
Hình 4.6: Gắn hệ trục tọa độ lên các khớp của robot
Hình 4.7: Gắn hệ trục tọa độ lên robot
Hình 4.8: Mô tả tọa độ và góc của các khớp
Hình 4.9: Các góc φ3 và φ2 trên mặt phằng Ozy’
Hình 4.10: Tính góc φ4
Hình 4.11: Sơ đồ điều khiển chung của phần điều khiển
Hình 4.12: Khối mạch nguồn 3.3V
Hình 4.13: Khối mạch vi xử lý chính
Hình 4.14: Khối cách ly giữa mạch điều khiển và công suất
Hình 4.15: Khối mạch công suất động cơ
Hình 4.16: Khối nguồn mạch điều khiển chính
Hình 4.17: Khối mạch giao tiếp USB

Hình 4.18: Khối xử lý của mạch điều khiển chính
Hình 4.19: Giao diện chương trình điều khiển trên máy tính
Hình 5.1: Mạch điều khiển động cơ servo DC
Hình 5.2: Mạch điều khiển chính
Hình 5.3: Kết nối mạch điều khiển chính với các mạch điều khiển động cơ
Hình 5.4: Bộ điều khiển tay máy sau khi kết nối hoàn chỉnh
Hình 5.5: Giao diện khởi động chương trình
Hình 5.6: Giao diện cài đặt chiều dài công cụ
Hình 5.7: Chọn lệnh di chuyển theo quỹ đạo định trước
Hình 5.8: Màn hình nhập tọa độ vị trí điểm cần chạm đến
Hình 5.9: Chạy lệnh trực tiếp từ máy tính
Hình 5.10: Tải lệnh xuống RAM hoặc Flash mạch điều khiển chính
Hình 5.11: Bố trí thí nghiệm lấy kết quả
Hình 5.12: Kết quả chạy thực tế chu trình điểm-điểm 10mm
viii


Hình 5.13: Kết quả chạy thực tế chu trình điểm-điểm 20mm
Hình 5.14: Hình thiết kế trên máy tính bao gồm các đường thẳng để robot thực hiện
Hình 5.15: Kết quả tay robot vẽ được trên thực tế
Hình 5.16: Các hình tròn đồng tâm thiết kế trên máy tính để robot thực hiện
Hình 5.17: Kết quả tay robot vẽ được trên thực tế
Hình 5.18: Hình thiết kế trên máy tính bao gồm các ký tự với đường viền chạy theo
quỹ đạo bất kỳ
Hình 5.19: Kết quả tay robot vẽ chữ theo quỹ đạo bất kỳ trên thực tế
Hình 7.1: Tay máy kết nối hoàn chỉnh với bộ điều khiển
Hình 7.2: Cấu tạo bên ngoài của hộp điều khiển
Hình 7.3: Bố trí thí nghiệm lấy kết quả chạy điểm-điểm và đường
Hình 7.4: Thử nghiệm gắp-thả
Hình 7.5: Kẹp khí nén kết nối vào khâu cuối robot

Hình 7.6: Tay robot và hộp điều khiển nhìn từ phía trên

ix


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 4.1: Thông số giới hạn góc quay các khớp
Bảng 4.2: Thông số các động cơ servo DC của 5 khớp
Bảng 4.3: Thông số các bộ truyền của tay robot
Bảng 4.4: Bảng thông số liên hệ giữa số xung encoder và góc quay khớp
Bảng 4.5: Bảng thông số D-H ứng với hệ tọa độ trên robot RV-M1
Bảng 5.1: Kết quả đo được khi robot chạy theo các chu trình điểm-điểm
Bảng 5.2: Kết quả chạy nội suy đường thẳng
Bảng 5.3: Kết quả chạy nội suy đường tròn

x


DANH SÁCH CÁC THUẬT NGỮ - TỪ VIẾT TẮT
ARM: Advanced RISC Machines – Hãng thiết kế lõi chip 32-bit
COM port: Communication port – Cổng giao tiếp nối tiếp của máy tính
CPU: Central Processor Unit – Bộ xử lý trung tâm
D-H: Denavit-Hartenberg pamameter – Bảng thông số liên quan giữa các khớp robot
DMIPS: Dhrystone Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages – Kiến trúc
bộ tập lệnh RISC
DOF: Degrees of Freedom – Bậc tự do
G-code: ngôn ngữ lập trình cho các máy CNC
MOSFET: Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor – Transistor hiệu ứng
trường
PLL: Phase-Locked Loop – Bộ nhân tần số

PWM: Pulse-Width modulation – Điều chế độ rộng xung
RISC: Reduced Instructions Set Computer – Máy tính với tập lệnh đơn giản hóa
SCARA: Selective Compliant Articulated Robot Arm – Tay máy mềm dẻo tùy ý
SPI: Serial Peripheral Interface – Chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng độ
USART: Universal Serial Asynchronous Receiver/Transmiter – Chuẩn truyền nhận
nối tiếp không đồng bộ
USB: Universal Serial Bus – Chuẩn kết nối tuần tự đa dụng trong máy tính

xi


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1.

Đặt vấn đề
Ngày nay, robot ngày càng được sử dụng nhiều trong sản xuất công nghiệp.

Điều này không những góp phần quan trọng trong việc tăng năng suất mà còn giảm
được tai nạn lao động, hạn chế các yếu tố có liên quan đến sự sai sót và mất tập trung
của con người. Tuy nhiên, các tay máy công nghiệp hiện nay chưa được sản xuất
trong nước mà hầu hết đều phải nhập khẩu từ nước ngoài nên giá thành rất đắt, không
phù hợp với nền kinh tế đang phát triển của nước ta hiện nay.
Trước đây, việc chế tạo bộ điều khiển cho tay máy công nghiệp ở trong nước
gặp nhiều khó khăn do các dòng vi điều khiển AVR hoặc PIC 8bit cũ chưa được tích
hợp nhiều chức năng và các thiết bị ngoại vi cũng như tốc độ xử lý còn chậm, không
đáp ứng được nhu cầu tính toán cần thiết cho tay máy.
Được sự chấp nhận của Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí & Công nghệ - Trường Đại
Học Nông Lâm Tp.HCM, từ đó em tiến hành thực hiện đề tài: “Thiết kế, chế tạo bộ
điều khiển tay máy 5 bậc tự do ứng dụng vi điều khiển ARM” với mục tiêu giải quyết

được các vấn đề trên.
1.2.

Mục đích đề tài

1.2.1. Mục đích chung
 Khảo sát hoạt động của các tay máy có sẵn trên thị trường của các hãng như
Mitsubishi, Kuka, ABB…
 Khảo sát các bộ điều khiển động cơ Servo DC, servo AC, động cơ bước.
 Khảo sát các sơ đồ mạch, nguyên lý điều khiển động cơ servo DC.
 Trên cơ sở đó tiến hành thiết kế, chế tạo bộ điều khiển cho tay máy RV-M1.
1.2.2. Mục đích cụ thể
 Tìm hiểu cấu tạo phần cứng, bộ phận truyền động điện của tay máy RV-M1 với
nguồn dẫn động là động cơ servo DC.
 Viết lưu đồ giải thuật điều khiển servo DC.
 Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển servo DC.

1


 Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển chính để giao tiếp với máy tính thông qua
cổng USB.
 Viết chương trình điều khiển cho mạch điều khiển động cơ và mạch điều khiển
chính bằng chương trình Keil ARM.
 Viết chương trình, tạo giao diện điều khiển và hiển thị tọa độ tay máy trên máy
tính bằng chương trình Visual Basic.
1.3.

Giới hạn đề tài
Do giới hạn về mặt thời gian nên đề tài chỉ đáp ứng được các yêu cầu sau:

 Thiết kế, chế tạo bộ điều khiển tay máy 5 bậc tự do với độ chính xác trong quá
trình di chuyển là ±1 mm.
 Chương trình điều khiển trên máy tính chỉ dừng lại ở việc điều khiển trực tiếp
hoặc tải nội dung thực hiệc xuống tay máy, chưa có phần mô phỏng tay máy
trên máy tính.
 Bộ điều khiển chưa có khả năng mở rộng các ngõ điều khiển để điều khiển các
thiết bị khác.

2


Chương 2
TỔNG QUAN – TRA CỨU TÀI LIỆU
2.1.

Tổng quan về robot công nghiệp

2.1.1. Khái niệm chung
Robot công nghiệp (được định nghĩa theo tiêu chuẩn ISO) là một tay máy có từ
ba trục trở lên, được điều khiển hoàn toàn tự động và có khả năng tái lập trình với
nhiều ứng dụng khác nhau.
Có thể nói robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phần
hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả
năng thích nghi khác nhau. Robot công nghiệp có khả năng chương trình hoá linh
hoạt trên nhiều trục chuyển động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng.

Hình 2.1: Sơ đồ khối chung của một robot công nghiệp
2.1.2. Bậc tự do của Robot
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. Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do
đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức :
W= 6n – ∑
3

pi


Với:

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.
2.1.3. Vùng công tác
Vùng 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. Vùng công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng
như các ràng buộc cơ học của các khớp.

Hình 2.2: Biểu diễn vùng làm việc của robot
2.1.4. Phân loại robot công nghiệp
Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản nhất của
robot để giúp việc nhận biết dễ dàng. Có thể phân loại robot công nghiệp theo các yếu
tố như sau:

4

2.1.4.1. Theo kết cấu của robot
a. Robot kiểu tọa độ Descartes
Robot loại này có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trục
hệ toạ độ gốc (cấu hình T.T.T – T: Translation). Trường công tác có dạng khối
chữ nhật.

Hình 2.3: Robot kiểu tọa độ Descartes
b. Robot kiểu tọa độ trụ
Vùng làm việc của robot này có dạng hình trụ rỗng. Thông thường, khớp
thứ nhất của robot có chuyển động quay, các khớp còn lại chuyển động tịnh tiến
(R.T.T – R: Rotation)

Hình 2.4: Robot kiểu tọa độ trụ

5


c. Robot kiểu tọa độ cầu
Vùng làm việc của robot có dạng hình cầu. Thường độ cứng vững của loại
robot nầy thấp hơn so với hai loại trên. Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.R.R
hoặc R.R.T làm việc theo kiểu toạ độ cầu.

Hình 2.5: Robot kiểu tọa độ cầu
d. Robot kiểu tọa độ góc
Ba chuyển động đầu tiên là
các chuyển động quay, trục quay
thứ nhất vuông góc với hai trục kia.
Các chuyển động định hướng khác

cũng là các chuyển động quay.
Vùng làm việc của tay máy nầy gần
giống một phần khối cầu. Tất cả các
khâu đều nằm trong mặt phẳng

Hình 2.6: Robot kiểu tọa độ góc

thẳng đứng nên các tính toán cơ bản
là bài toán phẳng.
e. Robot kiểu SCARA
Robot SCARA ra đời vào năm
1979, là một kiểu robot mới nhằm
đáp ứng sự đa dạng của các quá
trình sản xuất. Ba khớp đầu tiên của
kiểu Robot nầy có cấu hình R.R.T,
các trục khớp đều theo phương
thẳng đứng.

Hình 2.7: Robot SCARA
6


2.1.4.2. Theo ứng dụng của robot
Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có robot sơn, robot hàn, robot lắp
ráp, robot chuyển phôi .v.v...
2.1.4.3. Theo phương thức điều khiển
Có robot điều khiển hở (mạch điều khiển không có các quan hệ phản hồi),
Robot điều khiển kín (hay điều khiển servo) : sử dụng cảm biến, mạch phản hồi để
tăng độ chính xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển.
2.1.4.4. Theo nguồn dẫn động

Hệ truyền động điện : Thường dùng các động cơ điện 1 chiều DC hoặc các động
cơ bước. Loại truyền động này dễ điều khiển, kết cấu gọn.
Hệ truyền động thuỷ lực : có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều
kiện làm việc nặng. Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh, khó
xử lý khi điều khiển.
Hệ truyền động khí nén : có kết cấu gọn nhẹ hơn thủy lực do không cần dẫn dầu
ngược nhưng lại phải gắn liền với trung tâm taọ ra khí nén. Hệ này kém chính xác,
thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động theo các thao tác đơn giản “nhấc lên đặt xuống”.

Hình 2.8: Robot dẫn động bằng điện

Hình 2.9: Robot dẫn động bằng khí nén
7


2.1.5. Ứng dụng của robot công nghiệp
Robot công nghiệp được trang bị những bàn tay máy hoặc các cơ cấu chấp
hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định trong các quá trình công nghệ hoặc trực
tiếp tham gia thực hiện các nguyên công (sơn, hàn, phun phủ, rót kim loại vào khuôn
đúc, lắp ráp máy ...) hoặc phục vụ các quá trình công nghệ (tháo lắp chi tiết gia công,
dao cụ, đồ gá ...) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối tượng
với các trạm công nghệ.
2.2.

Các kiểu điều khiển tay robot công nghiệp

2.2.1. Điều khiển vòng hở
Dùng truyền động bước (động cơ bước, động cơ, xy lanh thủy lực hoặc khí nén)
mà quãng đường và góc dịch chuyển cố định hoặc tỉ lệ với số xung, thời gian điều
khiển. Kiểu điều khiển này đơn giản, chi phí thấp nhưng độ chính xác không cao.

Hình 2.10: Các thành phần bộ điều khiển vòng hở
2.2.2. Điều khiển vòng kín (servo)
Sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác trong quá trình điều khiển.
Có 2 kiểu điều khiển tay robot theo phương pháp điều khiển vòng kín: điều khiển di
chuyển điểm-điểm và điều khiển đường.
Với kiểu điều khiển điểm-điểm: tay robot sẽ di chuyển nhanh từ điểm này đến
điểm kia với tốc độ cao (không làm việc) với quỹ đạo tự do và chỉ làm việc tại các
điểm dừng. Kiểu điều khiển này được dùng trong các robot hàn điểm, vận chuyển, tán
đinh…
Với kiểu điều khiển theo đường: phần công tác của tay robot sẽ được điều khiển
đi theo quỹ đạo định sẵn, có thể là đường thẳng, đường tròn hoặc cong bất kỳ với vận
tốc chính xác. Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các robot hàn hồ quang, sơn…

8


Hình 2.11: Các thành phần bộ điều khiển vòng kín
2.3.

Một số kiểu robot công nghiệp của các hãng khác nhau

Hình 2.12: Tay robot 6 bậc tự do của hãng ABB và Staubli

Hình 2.13: Robot 6 bậc tự do của hãng Epson và Adept
9


2.4.

Tìm hiểu về động cơ servo DC
Động cơ DC và động cơ bước vốn là những hệ hồi tiếp vòng hở - ta cấp điện để

động cơ quay nhưng chúng quay bao nhiêu thì ta không biết, kể cả đối với động
cơ bước là động cơ quay một góc xác định tùy vào số xung nhận được. Chính vì vậy,
để có thể điều khiển chính xác vận tốc và vị trí của động cơ, người ta đã gắn encoder
hoặc tachometer vào động cơ DC để phản hồi tín hiệu lại về mạch điều khiển và các
động cơ loại này gọi là servo DC.

d

a

b
c

Hình 2.14: Động cơ servo DC
Cấu tạo một động cơ servo DC gồm các bộ phận chính:
a. Stator: là các nam châm vĩnh cữu gắn liền với vỏ motor
b. Rotor : là thành phần tạo chuyển động quay, loại rotor: rotor dây quấn
c. Chổi than và cổ góp: giúp đưa điện vào rotor
d. Encoder: hay còn gọi là bộ mã hóa vòng quay, phản hồi xung, đơn vị tính
(xung/vòng)
Độ chính xác trong việc điều khiển các loại động cơ servo tùy thuộc vào độ
phân giải mà encoder của động cơ đó có được, một số độ phân giải thường gặp 200,
360, 500, 1000, 2000, 4000 xung/vòng… Encoder thường gặp dạng đĩa kim loại được
đục lỗ hoặc đĩa quang có khắc rãnh để đọc được xung nhờ các LED hồng ngoại như
trên hình sau:

10

Hình 2.15: Cấu tạo một encoder đơn giản
Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ
ra) bao gồm kênh A, B và Z. Ở hình
trên, có một lỗ nhỏ bên phía trong của
đĩa quay và một cặp LED thu phát riêng
cho lỗ này để đọc số vòng quay của
động cơ. Hai kênh A và B còn lại được
bố trí lệch nhau 900 để xác định chiều
quay của động cơ.
Khi cảm biến A bắt đầu bị che thì
cảm biến B hoàn toàn nhận được hồng
ngoại xuyên qua, và ngược lại. Xét

Hình 2.16: Xác định chiều quay động cơ
bằng 2 kênh A, B của encoder

trường hợp motor quay cùng chiều kim

đồng hồ, tín hiệu “đi” từ trái sang phải. Tín hiệu A chuyển từ mức cao xuống thấp
(cạnh xuống) thì kênh B đang ở mức thấp. Ngược lại, nếu động cơ quay ngược chiều
kim đồng hồ, tín hiệu “đi” từ phải sang trái. Lúc này, tại cạnh xuống của kênh
A thì kênh B đang ở mức cao. Như vậy, bằng cách phối hợp 2 kênh A và B
không những xác định được góc quay (thông qua số xung) mà còn biết được chiều
quay của động cơ.

11

2.5.

Tra cứu các linh kiện điện tử

2.5.1. Ổn áp LD1117 – 3.3V

Hình 2.17: Sơ đồ chân và hình thực tế LD1117 3.3V
Hoạt động ổn định với mức điện áp ngõ ra 3.3V
Nguyên lý hoạt động: Khi cấp một điện áp chênh lệch từ 4-15V vào chân Vin và
GND, ngõ ra Vout sẽ cung cấp một điện áp ổn định ở 3.3V.
2.5.2. Mosfet IRF8736

Hình 2.18: Sơ đồ chân và hình thực tế IRF8736
Đây là dòng Mosfet công suất điện áp thấp kênh N.
Điện áp hoạt động VDS: dưới 30V, dòng chịu đựng ID: 18A.
Nguyên lý hoạt động: Khi cấp một điện áp kích từ 5-15V vào 2 cực G và S,
Mosfet sẽ dẫn và cho dòng điện chạy từ cực D sang cực S.
2.5.3. Driver cầu H-LMD18200

Hình 2.19: Sơ đồ chân và hình thực tế LMD18200
12


Đây là module cầu H dùng IC chuyên dụng LMD18200 của hãng National.
Module này được thiết kế dành cho các ứng dụng điều khiển tốc độ và vị trí dùng DC
Motor hoặc động cơ bước, thướng dùng trong các ứng dụng robot. Để điều khiển
LMD18200 chỉ cần 3 tín hiệu vào các chân sau:
 PWM: chân nhận tín hiệu điều rộng xung để điều khiển tốc độ động cơ
 Direction: chân nhận tín hiệu chiều quay
 Brake: chân nhận tín hiệu thắng, dừng động cơ.

Đặc tính kỹ thuật: dòng chịu đựng tối đa 6A; Điện áp cấp từ +12V tới +55V;
Chuyển mạch công suất bên trong dùng DMOS, cho Rds(ON)=0.3 Ohm; Ngõ vào
tương thích với tín hiệu CMOS và TTL.
2.5.4. IC giao tiếp PL2303HX

Hình 2.20: Sơ đồ chân và hình thực tế PL2303HX
Đây là IC chuyên dụng chuyển đổi từ USB sang RS232 của hãng Prolific.
Driver với khả năng tương thích cao của PL2303HX có thể mô phỏng các cổng COM
truyền thống trên hầu hết các hệ điều hành, cho phép các ứng dụng hiện có dựa trên
cổng COM dễ dàng chuyển đổi sang cổng USB trên các thế hệ máy tính mới không
có cổng COM.
Một ưu điểm khác của PL2303 chính là có thể tự động xác định tốc độ truyền
(baud) từ các thiết bị giao tiếp bên ngoài. Khoảng tốc độ truyền hỗ trợ từ 75bps (bit
per second) đến 1.2Mbps, tốc độ này vượt xa tốc độ 115Kbps của cổng COM vật lý
thông thường.

13