Cánh Tay Robot 4 Bậc Tự Do (Cần Thơ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CÁNH TAY ROBOT 4 BẬC TỰ DO
(CẦN THƠ)

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

SINH VIÊN THỰC HIỆN

KS.Nguyễn Hữu Cƣờng

Nguyễn Ngọc Thƣơng (MSSV: 1063917)
Nguyễn Bửu Thanh (MSSV: 1063904)
Trần Văn Nhã (MSSV: 1063889)
Ngành: Cơ Điện Tử - K32

Tháng 05/2010


Phiếu đề tài tốt nghiệp

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA CÔNG NGHỆ
BỘ MÔN: TỰ ĐỘNG HÓA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Cần Thơ, ngày…tháng…năm 2010

PHIẾU ĐỀ NGHỊ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP CỦA SINH VIÊN
Năm học: 2009 – 2010
1.Họ tên sinh viên:

MSSV:
Nguyễn Bửu Thanh
1063904
Nguyễn Ngọc Thƣơng
1063917
Trần Văn Nhã
1063889
2.Tên đề tài Luận văn Tốt nghiệp: CÁNH TAY ROBOT 4 B ẬC TỰ DO
3.Địa điểm thực hiện: Khoa Công nghệ, trƣờng Đại học Cần Thơ.
4.Họ và tên CBHD: Nguyễn Hữu Cƣờng.
5.Mục tiêu của đề tài: nghiên cứu, thiết kế cánh tay robot trong công nghiệp.
6.Các nội dung chính và hạn chế của đề tài:
Nội dung chính:
+ Thiết kế phần cơ khí của cánh tay robot.
+ Thiết kế mạch điều khiển dùng vi điều khiển.
+ Lập trình điều khiển cho vi điều khiển.
+ Điều khiển cánh tay bằng máy tính.
Hạn chế:
+ Cánh tay hoạt động không chính xác.
+ Mô hình cánh tay đơn giản chỉ phục vụ để mô phỏng và báo cáo.
7.Các yêu cầu hỗ trợ cho sinh viên thực hiện đề tài:
8.Kinh phí dự trù: tổng chi phí khoảng 3.000.000đ (3 triệu đồng).

SINH VIÊN ĐỀ NGHỊ

Ý KIẾN CỦA CBHD

Ý KIẾN CỦA BỘ MÔN

Ý KIẾN CỦA HỘI ĐỒNG LV&TLTN


Lời Cảm Ơn

LỜI CẢM ƠN
******

Với sự nỗ lực sau hơn 5 tháng thực hiện, đề tài cũng đã hoàn thành. Có
được kết quả như vậy là nhờ sự nổ lực của bản thân, sự tận tình hướng dẫn
của thầy cô, sự giúp đỡ của bạn bè. Chúng em xin chân thành cảm ơn:
-Thầy Nguyễn Hữu Cường đã trực tiếp hướng dẫn và truyền đạt
nhiều kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu cho chúng em trong quá trình
thực hiện đề tài.
-Thầy Nguyễn Khắc Nguyên và Trần Thanh Hùng đã nhận lời phản
biện và đóng góp nhiều ý kiến giúp cho đề tài được hoàn thiện hơn.
-Qúy thầy cô trong Bộ môn Tự động hóa – Khoa Công nghệ đã
truyền đạt cho chúng em những kiến thức rất quý báu mà nhờ vào đó đề tài
mới thành công được.
-Xin chân thành cảm ơn các bạn Cơ điện tử K32 đã quan tâm và góp
nhiều ý kiến hữu ích cho đề tài.

Cần Thơ, tháng 5 năm 2010
Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Bửu Thanh

Trần Văn Nhã
Nguyễn Ngọc Thương


Nhận xét của Giáo viên Phản biện

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN


..........................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................


Nhận xét của Giáo viên Hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN


..........................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................

...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................


Tóm tắt đề tài

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Với những sự phát triển của sự tự động hóa trong công nghiệp và ứng dụng

rộng rãi của cánh tay robot. Đề tài của chúng em có những mục tiêu cụ thể như sau:
+ Nghiên cứu hoạt động của cánh tay robot với 4 khớp quay.
+ Ứng dụng vi điều khiển vào việc điều khiển.
+ Ứng dụng máy tính vào việc điều khiển, giám sát máy móc, công c ụ.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Với những kiến thức đã được học ở trường về các loại vi điều khiển, điệnđiện tử, các kiến thức về thiết kế cơ khí…chúng em đã áp dụng vào việc nghiên
cứu, phát triển đề tài:
Trước tiên, chúng em phải tìm hiểu kĩ về kiến trúc, cấu tạo, nguyên tắc hoạt
động của một số loại vi điều khiển mà cụ thể là họ PIC18, kết hợp với các loại ngôn
ngữ lập trình cho vi điều khiển. Đề tài còn có liên quan đến các vấn đề động học tay
máy robot, giải bài toán động học.
Kế tiếp là thiết kế phần mô hình cho cánh tay robot đúng với yêu cầu đề tài
đặt ra. Song song với việc đó là việc làm các mạch điện như mạch cho vi điều
khiển, mạch nguồn cho hệ thống, mạch điện giao tiếp với máy tính cho vi điều
khiển và mạch công suất cho động cơ. Và một phần quan trọng là giải bài toán tính
toán các khớp quay của tay máy.
Sau khi hoàn thành việc chế tạo mô hình và các mạch điện thì chúng em bắt
tay vào việc lập trình cho mô hình và thử nghiệm chúng để có những điều chỉnh phù
hợp. Đây là công đoạn quan trọng nhất và cũng khó khăn nhất trong quá trình thực
hiện đề tài.

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Phần cứng:
+ Đã thiết kế và hoàn chỉnh mô hình cánh tay.
+ Thiết kế thành công vi mạch điều khiển cánh tay.
+ Giao tiếp được với máy tính với cổng RS232.
Phần mềm giao tiếp:
+ Giao tiếp với vi điều khiển thành công.
+ Điều khiển cánh tay bằng các chương trình định sẵn.
Phần mềm cho vi điều khiển:

+ Nhận dữ liệu truyền từ PC xuống vi điều khiển.
+ Hoạt động theo chương trình đã lập trình sẵn.

i


Mục Lục
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

MỤC LỤC
PHẦN MỘT: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ......................................................... 1
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI .......................................................... 2
1.1.Tổng quan ........................................................................................... 2
1.2.Mục tiêu của đề tài ............................................................................ 2
1.3.Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................. 2
1.4.Nội dung nghiên cứu ......................................................................... 3
1.5.Nội dung của quyển báo cáo ............................................................ 3
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ROBOT....................................................... 4
2.1.Sơ lƣợc quá trình phát triển .............................................................. 4
2.2.Những ứng dụng điển hình của robot ............................................. 4
2.3.Phân loại robot ................................................................................... 5
2.3.1.Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động5
2.3.2.Phân loại theo thế hệ ........................................................... 6
2.3.3.Phân loại theo bộ điều khiển .............................................. 6
2.3.4.Phân loại theo hệ dẫn động ................................................ 7
PHẦN HAI: CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................................... 8
CHƯƠNG I: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC TAY MÁY ......................................... 9
1.1.Một số phƣơng pháp giải bài toán ................................................... 9
1.1.1.Phƣơng pháp thứ nhất ......................................................... 9
1.1.2.Phƣơng pháp hình học ...................................................... 10

1.2.Giải bài toán bằng phƣơng pháp hình học.................................... 10
CHƯƠNG II: PHẦN CƠ KHÍ ....................................................................... 12
2.1.Truyền động bánh răng ................................................................... 12
2.1.1.Phân loại ............................................................................. 12
2.1.2.Nhận xét.............................................................................. 12
2.1.2.1.Ƣu điểm .............................................................. 13
2.1.2.2.Nhƣợc điểm ........................................................ 13
2.1.3.Dạng răng ........................................................................... 14
2.1.4.Các thông số hình học....................................................... 14
2.2.Truyền động trục vít, bánh vít........................................................ 14
2.2.1.Công dụng và phân loại .................................................... 14
2.2.2.Cấu tạo ................................................................................ 14
2.2.2.1.Trục vít................................................................ 14
2.2.2.2.Bánh vít............................................................... 14

∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞
i


Mục Lục
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

2.2.3.Nhận xét.............................................................................. 15
2.2.3.1.Ƣu điểm .............................................................. 15
2.2.3.2.Nhƣợc điểm ........................................................ 15
2.2.4.Các thông số hình học....................................................... 15
2.3.Truyền động đai ............................................................................... 15
2.3.1.Cấu tạo ................................................................................ 15
2.3.2.Nguyên lý hoạt động ......................................................... 15
2.3.3.Phân loại ............................................................................. 15

2.3.4.Nhận xét.............................................................................. 15
2.3.4.1.Ƣu điểm .............................................................. 16
2.3.4.2.Nhƣợc điểm ........................................................ 16
2.3.4.3.Tỉ số truyền ........................................................ 16
CHƯƠNG III: PWM TRONG PIC18F4431 ................................................ 17
3.1.Sơ lƣợc về PWM trong PIC18F4431 ............................................ 17
3.2.Chu kì PWM .................................................................................... 17

PHẦN BA: THIẾT KẾ, THI CÔNG ............................................................... 18
CHƯƠNG I: THIẾT KẾ CƠ KHÍ.................................................................. 19
1.1.Mô tả thiết kế ................................................................................... 19
1.2.Lựa chọn các thiết bị lắp ráp .......................................................... 19
1.2.1.Lựa chọn động cơ .............................................................. 19
1.2.2.Giới thiệu chung về động cơ DC ..................................... 20
1.2.3.Cơ chế sinh lực của động cơ DC ..................................... 21
1.3.Encoder .......................................................................................... 22
1.4.Lựa chọn bộ truyền động cho các khớp của cánh tay máy ........ 22
1.4.1.Khớp chân đế ..................................................................... 22
1.4.2.Khớp cánh tay 1................................................................. 23
1.4.3.Khớp cánh tay 2................................................................. 24
1.4.4.Khớp gắp ............................................................................ 25
1.4.5.Chọn dây đai ...................................................................... 25
1.4.6.Mô hình cánh tay hoàn chỉnh........................................... 25
CHƯƠNG II: MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ................................................. 27
2.1.Mạch giao tiếp máy tính ................................................................. 27
2.2.Mạch vi điều khiển và mạch nguồn .............................................. 29
2.3.Mạch công suất điều khiển động cơ .............................................. 29
CHƯƠNG III: CHƯƠNG TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN ........................ 32
3.1.Nguyên tắc hoạt động của chƣơng trình ....................................... 32
3.2.Phân tích từng khối của chƣơng trình ........................................... 34

∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞
ii


Mục Lục
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

3.2.1.Khởi tạo các port, khởi tạo hàm hỗ trợ giao tiếp RS232,
khởi tạo PWM, các biến counter, xung cho motor ........................................................ 35
3.2.1.1.Khởi tạo port ...................................................... 35
3.2.1.2.Khởi tạo hàm hỗ trợ giao tiếp RS232 ............. 35
3.2.1.3.Khởi tạo các biến counter, xung cho các motor
3.2.1.4.Khởi tạo PWM ................................................... 36
3.2.2.Sơ đồ khối .......................................................................... 36
CHƯƠNG IV: CHƯƠNG TRÌNH GIAO TIẾP MÁY TÍNH ....................... 39
4.1.Các đối tƣợng đƣợc sử dụng trong chƣơng trình......................... 39
4.1.1.Đối tƣợng MSComm ........................................................ 39
4.1.2.Các button điều khiển ....................................................... 39
4.2.Chƣơng trình cho CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ................. 40
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................ 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 45
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 46
CHƯƠNG I: VI ĐIỀU KHIỂN PIC18F4431............................................... 47
CHƯƠNG II: PHẦN MỀM BIÊN DỊCH PCWHv4.074............................. 49
CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VỀ CHUẨN GIAO TIẾP RS-232 VÀ PHẦN
MÊM MICROSOFT VISUAL BASIC VỚI VẤN ĐỀ GIAO TIẾP MÁY TÍNH ........... 53
ĐỀ CƯƠNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP...................................................... 71

∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

iii


Mục Lục
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

MỤC LỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
PHẦN MỘT: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ......................................................... 1
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ROBOT....................................................... 4
Hình 2.1: Cartesion robot ........................................................................ 5
Hình 2.2: Cylinderial robot ..................................................................... 5
Hình 2.3: Sphenrial robot ........................................................................ 6
Hình 2.4: Articular robot ......................................................................... 6
PHẦN HAI: CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................................... 8
CHƯƠNG I: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC TAY MÁY ......................................... 9
Hình 1.1: Hình chiếu cạnh của tay máy .............................................. 11
Hình 1.2: Hình chiếu bằng của tay máy .............................................. 11
PHẦN BA: THIẾT KẾ, THI CÔNG ............................................................... 18
CHƯƠNG I: THIẾT KẾ CƠ KHÍ.................................................................. 19
Hình 1.1: Động cơ DC........................................................................... 19
Hình 1.2: Động cơ servo ....................................................................... 20
Hình 1.3: Pha 1 c ủa động cơ DC.......................................................... 20
Hình 1.4: Pha 2 c ủa động cơ DC.......................................................... 21
Hình 1.5: Pha 3 c ủa động cơ DC.......................................................... 21
Hình 1.6: Hình encoder ......................................................................... 22
Hình 1.7: Khớp chân đế ........................................................................ 23
Hình 1.8: Khớp cánh tay 1 .................................................................... 23
Hình 1.9: Khớp cánh tay 2 .................................................................... 24
Hình 1.10: Khớp gắp ............................................................................. 25
Hình 1.11: Dây đai răng ........................................................................ 25

Hình 1.12: Mô hình hoàn chỉnh ........................................................... 26
CHƯƠNG II: MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN ................................................. 27
Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quát ............................................................ 27
Hình 2.2: Cổng COM ............................................................................ 28
Hình 2.3: Mạch giao tiếp RS232 .......................................................... 28
Hình 2.4: Mạch nguồn và mạch vi điều khiển.................................... 29
Hình 2.5: Mạch FET-RELAY .............................................................. 31
CHƯƠNG III: CHƯƠNG TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN ........................ 32
Hình 3.1: Lƣu đồ chƣơng trình vi điều khiển ..................................... 33
Bảng 3.1: Bảng tóm tắt chức năng các chân vi điều khiển ............... 34
Hình 3.2: Sơ đồ khối chƣơng trình nạp dữ liệu .................................. 37
Hình 3.3: Sơ đồ khối chƣơng trình giao tiếp máy tính ...................... 38

∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞
iv


Mục Lục
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

CHƯƠNG IV: CHƯƠNG TRÌNH GIAO TIẾP MÁY TÍNH ....................... 39
Hình 4.1: Giao diện chƣơng trình điều khiển ..................................... 39

∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞
v


PHẦN MỘT: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

PHẦN MỘT

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞
SVTH: BỬU THANH – VĂN NHÃ – NGỌC THƢƠNG

1


CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

CHƢƠNG I
GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI


1.1.Tổng quan
Robot là một trong những phát minh khoa học quan trọng của con người. Từ
khi ra đời nó đã đem lại lợi ích rất lớn cho con người, làm giảm gánh nặng công
việc cho con người. Robot có rất nhiều loại như những chiếc xe tự động, robot hình
dạng con người, con vật, robot thám hiểm…và cánh tay robot trong công nghiệp là
một dạng robot mà ta sẽ nghiên cứu.
Những cánh tay robot trong công nghiệp giúp cho con người làm những công
việc nặng nhọc, cần độ chính xác cao và làm việc lâu dài. Những ứng dụng của nó
đang trở nên rộng rãi và phổ biến vì thế chúng em nghiên cứu đề tài CÁNH TAY
ROBOT 4 B ẬC TỰ DO nhằm có thể ứng dụng vào thực tế.
Do sự hạn chế về thời gian cũng nhưng trình độ, kiến thức nên không tránh
khỏi những thiếu xót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của Quí thầy cô
và các bạn.

1.2.Mục tiêu của đề tài
Với những sự phát triển của sự tự động hóa trong công nghiệp và ứng dụng
rộng rãi của cánh tay robot. Đề tài của chúng em có những mục tiêu cụ thể như sau:
+ Nghiên cứu hoạt động của cánh tay robot với 4 khớp quay.
+ Ứng dụng vi điều khiển vào việc điều khiển.
+ Ứng dụng máy tính vào việc điều khiển, giám sát máy móc, công c ụ.
1.3.Phƣơng pháp nghiên cứu
Với những kiến thức đã được học ở trường về các loại vi điều khiển, điệnđiện tử, các kiến thức về thiết kế cơ khí…chúng em đã áp dụng vào việc nghiên
cứu, phát triển đề tài:
Trước tiên, chúng em phải tìm hiểu kĩ về kiến trúc, cấu tạo, nguyên tắc hoạt
động của một số loại vi điều khiển mà cụ thể là họ PIC18, kết hợp với các loại ngôn
ngữ lập trình cho vi điều khiển. Đề tài còn có liên quan đến các vấn đề động học tay
máy robot, giải bài toán động học.

∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞
SVTH: BỬU THANH – VĂN NHÃ – NGỌC THƢƠNG

2


CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

Kế tiếp là thiết kế phần mô hình cho cánh tay robot đúng với yêu cầu đề tài
đặt ra. Song song với việc đó là việc làm các mạch điện như mạch cho vi điều
khiển, mạch nguồn cho hệ thống, mạch điện giao tiếp với máy tính cho vi điều
khiển và mạch công suất cho động cơ. Và một phần quan trọng là giải bài toán tính
toán các khớp quay của tay máy.
Sau khi hoàn thành việc chế tạo mô hình và các mạch điện thì chúng em bắt
tay vào việc lập trình cho mô hình và thử nghiệm chúng để có những điều chỉnh phù

hợp. Đây là công đoạn quan trọng nhất và cũng khó khăn nhất trong quá trình thực
hiện đề tài.

1.4.Nội dung nghiên cứu
Với nội dung đề tài đặt ra cho chúng em thì chúng em phải tiến hành làm các
công việc như sau:
+ Thiết kế mô hình cho cánh tay.
+ Thiết kế các mạch điện cho mô hình.
+ Lập trình cho vi điều khiển.
+ Lập trình giao tiếp máy tính.

1.5.Nội dung của quyển báo cáo:
Phần Một: Tổng quan về đề tài
Chương I: Giới thiệu về đề tài
Chương II: Tổng quan về robot
Phần Hai: Cơ sở lý thuyết
Chương I: Bài toán động học tay máy
Chương II: Phần cơ khí
Chương III: PWM trong PIC18F4431
Phần Ba: Thiết kế, thi công
Chương I: Thiết kế cơ khí
Chương II: Mạch điều khiển
Chương III: Chương trình cho vi điều khiển
Chương IV: Chương trình giao tiếp máy tính.

∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞
SVTH: BỬU THANH – VĂN NHÃ – NGỌC THƢƠNG

3

CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ROBOT
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

CHƢƠNG II

TỔNG QUAN VỀ ROBOT

2.1.Sơ lƣợc quá trình phát triển
Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu chứ không phải là từ trong
phân xưởng nhà máy. Những robot đầu tiên xuất hiện trên sân khấu ở New York
vào ngày 09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch
Karen Kapek năm 1921. Từ robot là viết tắt của robota-có nghĩa là công việc lao
dịch.
Những robot đầu tiên được đưa vào nghiên cứu, ứng dụng là những tay máy.
Vào năm 1948 hãng General Mills chế tạo tay máy có cơ cấu tác động là những
động cơ điện kết hợp với cữ hành trình. Đến năm 1954, tiếp tục phát triển tay máy
sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết được lực tác dụng lên khâu cuối, nhở đó
mà vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong việc khảo
sát đái biển.
Năm 1968, General Electric, robot có 4 chân nặng 1400kg sử dụng động cơ
đốt trong và có công suất 100 Hp.
Năm 1969, robot Shakey nhận dạng hình ảnh bằng camera.
Năm 1970, xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunokhod 1 được điều khiển từ
trái đất.
Năm 1976, cánh tay robot đầu tiên được đưa lên tàu thám hiểm Viking của
NASA trên sao Hỏa.
2.2.Những ứng dụng điển hình của robot
Trước hết là những ứng dụng của robot trong thám hiểm vũ trụ, đại dương,
quân sự… Ngoài những ứng dụng chung của robot thì những cánh tay robot cũng

có những ứng dụng riêng của nó trong nhiều ngành công nghiệp. Ví dụ như lắp đặt
vật liệu, hàn kim loại, phun sơn.
Ngoài những ứng dụng trong công nghiệp, ngày nay robot còn được ứng
dụng trong nhiều lĩnh vực khác như: trong phòng thí nghiệm, trong y học, trong
sinh hoạt hằng ngày.
Một số robot điển hình:
+robot thám hiểm đại dương Rov Kiel 6000
+robot quân sự Asendro của Đức
Một số cánh tay robot trong công nghiệp:
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞
SVTH: BỬU THANH – VĂN NHÃ – NGỌC THƢƠNG

4


CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ROBOT
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

+robot hàn
+robot phun sơn trong sản xuất ôtô:
+dây chuyền robot trong lắp ráp ôtô:

2.3.Phân loại robot
Có 4 yếu tố chính để phân loại robot như sau: (1) theo hình dạng hình học,
(2) theo thế hệ robot, (3) theo bộ điều khiển, (4) theo nguồn dẫn động.
2.3.1.Phân loại theo dạng hình học của không gian ho ạt động
Robot tọa độ vuông góc (cartesian robot): có ba bậc chuyển động gồm 3
chuyển động tịnh tiến dọc theo 3 trục vuông góc

Hình 2.1: Cartesion robot

Robot tọa độ trụ (cylindrical robot): 3 chuyển động chính gồm 2 trục tịnh
tiến và 1 trục quay

Hình 2.2: Cylinderial robot
Robot tọa độ cầu (spherical robot): 1 trục tịnh tiến và 2 trục quay

∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞
SVTH: BỬU THANH – VĂN NHÃ – NGỌC THƢƠNG

5


CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ROBOT
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

Hình 2.3: Sphenrial robot
Robot khớp bản lề (articular robot): 3 chuyển động cơ bản gồm 3 trục quay

Hình 2.4: Articular robot
2.3.2.Phân loại theo thế hệ
Thế hệ thứ nhất: các dạng robot hoạt động lặp lại theo một chu trình không
đổi theo chương trình định trước.
Thế hệ thứ hai: robot được trang bị thêm các cảm biến cung cấp tín hiệu về
hệ điều khiển, đây là dạng robot thích nghi c ấp thấp.
Thế hệ thứ ba: các robot có các thuật toán thích nghi theo thông tin và tác
động của môi trường lên chúng, do đó robot biết phải làm gì để hoàn thành công
việc.
Thế hệ thứ tƣ: Bao gồm các robot sử dụng các thuật toán và cơ chế điều
khiển thích nghi (adaptively controlled robot) được trang bị bước đầu khả năng lựa
chọn các đáp ứng tuân theo một mô hình tính toán xác định trước nhằm tạo ra

những ứng xử phù hợp với điều kiện của môi trường thao tác.
Thế hệ thứ năm: Là tập hợp những robot được trang bị trí tuệ nhân tạo
(artificially intelligent robot).
2.3.3.Phân loại theo bộ điều khiển
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞
SVTH: BỬU THANH – VĂN NHÃ – NGỌC THƢƠNG

6


CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ROBOT
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

Robot gắp-đặt: robot này thường nhỏ và dẫn động bằng khí nén. Điều khiển
bằng PLC. Robot ho ạt động dựa vào các công tắc hành trình trên các trục của tay
máy.
Robot đƣờng dẫn liên tục: sử dụng hệ điều khiển servo, điều khiển vòng kín.
2.3.4.Phân loại theo hệ dẫn động
Robot dùng nguồn điện: nguồn điện thường dùng là DC, điều khiển động cơ
DC. Các động cơ được sử dụng là động cơ bước, DC servo, AC servo… Robot này
gọn nhẹ, chính xác, chạy êm.
Robot dùng nguồn khí nén: hệ thống có tải trọng nhỏ, thực hiện chuyển động
thằng và quay. Robot này không có độ chính xác cao.
Robot dùng nguồn thủy lực: hệ thống có tải trọng lớn và độ chính khác
không cao lắm.

∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞
SVTH: BỬU THANH – VĂN NHÃ – NGỌC THƢƠNG

7

PHẦN HAI: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

PHẦN HAI

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞
SVTH: BỬU THANH – VĂN NHÃ – NGỌC THƢƠNG

8


CHƢƠNG I: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC TAY MÁY
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

CHƢƠNG I
BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC TAY MÁY

Bài toán động học cho tay máy là một trong những bài toán quan trọng và
khó khăn nhất. Bài toán động học thuận cho ta biết vị trí của cánh tay robot khi thay
đổi các biến khớp, còn bài toán động học nghịch thì cho ta biết giá trị các biến khớp
để di chuyển điểm cuối của cánh tay từ vị trí này đến vị trí khác.
Đối với bài toán trong đề tài này thì mục tiêu cần đạt đến là tìm được giá trị
các biến khớp khi biết tọa độ điểm cuối của cánh tay.

1.1.Một số phƣơng pháp giải bài toán
1.1.1.Phƣơng pháp thứ nhất:

Thiết lập các hệ tọa độ cho các khớp của tay máy theo các nguyên tắc sau:
1.Nhận biết các trục khớp và hình dung (hay vẽ) các đường thẳng dọc
theo chúng. Đối với các bước 2 đến 5 bên dưới, xét các đường thẳng của hai
khâu liền kề (tại các trục i và i+1).
2.Nhận biết đường trực giao chung giữa chúng, hoặc điểm giao nhau.
Tại điểm giao nhau, ho ặc tại điểm đường trực giao chung cắt trục thứ i, đặt
gốc hệ tọa độ khâu.


3.Đặt trục Z i dọc theo trục khâu thứ i.
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞
SVTH: BỬU THANH – VĂN NHÃ – NGỌC THƢƠNG

9


CHƢƠNG I: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC TAY MÁY
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞


4.Đặt trục X i dọc theo đường trực giao chung, hoặc nếu các trục giao


nhau, đặt X i vuông góc với mặt phẳng chứa hai trục.


5.Đặt trục Y i để hoàn thành hệ tọa độ theo quy tắc bàn tay phải.
6.Đặt {0} trùng với {1} khi biến khớp thứ nhất là không. Đối với {N}


chọn vị trí gốc tọa độ và chiều X N tự do, nhưng thông thường sao cho các
tham số khâu bằng không nếu có thể.
Lập bảng thông số Denavit-Hartenberg, với nguyên tắc sau:
i
αi-1 ai-1 d1 θ1
1
2
3






ai = khoảng cách từ Z i đến Z i 1 đo dọc theo X i ;






αi = góc Z i và Z i 1 đo quanh X i .






di = khoảng cách từ X i 1 đến X i đo dọc theo Z i ; và






θi = góc giữa X i 1 và X i đo quanh Z i .
Sau đó áp dụng phép biến đổi khâu để tìm vị trí và hướng của khâu cuối so
với khâu chân đế

Dựa vào phép biến đổi khâu đó để giải bài toán động học ngược. Tuy nhiên
phương pháp này tương đối phức tạp, thích hợp với việc giải có sự trợ giúp của các
phần mềm như Matlab.
1.1.2.Phƣơng pháp hình học
Để giải bài toán động học ngược ta áp dụng phương pháp hình học, chủ yếu
là các công thức lượng giác, Pythagorean, công thức biến đổi giữa các hệ tọa độ De
Cartesion và tọa độ cực.
Phương pháp này tương đối đơn giản, thích hợp với những tay máy có ít bậc
tự do. Đối với cánh tay trong đề tài ta áp dụng phương pháp hình học để giải.
1.2.Giải bài toán bằng phƣơng pháp hình học
Hình chiếu cạnh của cánh tay:
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞
SVTH: BỬU THANH – VĂN NHÃ – NGỌC THƢƠNG

10


CHƢƠNG I: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC TAY MÁY
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

Hình 1.1: Hình chiếu cạnh của cánh tay

Hình chiếu bằng của cánh tay:

Hình 1.2: Hình chiếu bằng của tay máy
Để giải bài toán động học ngược ta áp dụng phương pháp hình học, chủ yếu
là các công thức lượng giác, Pythagorean, công thức biến đổi giữa các hệ tọa độ De
Cartesion và tọa độ cực.
Gọi x, y và z là tọa độ điểm cuối của cánh tay.
Gọi a, b và ed là độ dài các cánh tay như hình vẽ bên trên.
Gọi tn, j1, j2, j3 là góc quay của các khớp để di chuyển điểm cuối từ vị trí
reset đến tọa độ (x, y, z).
Tính góc quay c ủa khớp chân đế:
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞
SVTH: BỬU THANH – VĂN NHÃ – NGỌC THƢƠNG

11


CHƢƠNG I: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC TAY MÁY
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

y
x

Ta có tn  arctan( )
Tính các góc quay của các khớp còn lại:
Đặt

x1  x 2  y 2

z1  z  ed

c  x12  z12

→ j 2  arccos(

a2  b2  c2
)
2ab

Đặt
theta  arccos(

ang  arctan(

b2  c2  a2
)
2bc

z1
)  theta
x1

z
x1

→ j1  arctan( 1 )  theta
Đặt

x2  b cos(ang )
z 2  b sin(ang )
d  ( x1  x 2 ) 2  ( z1  ed  z 2 ) 2

→ j3  arccos(

a 2  ed 2  d 2
)
2aed

∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞
SVTH: BỬU THANH – VĂN NHÃ – NGỌC THƢƠNG

12


CHƢƠNG II: PHẦN CƠ KHÍ
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

CHƢƠNG II
PHẦN CƠ KHÍ

2.1.Truyền động bánh răng
Truyền động bánh răng dùng để truyền chuyển động hoặc thay đổi dạng
chuyển động nhờ sự ăn khớp của các răng trên bánh răng.
2.1.1.Phân loại:
Tùy vị trí của các trục mà ta có các dạng:
Hai trục song song nhau: bánh răng trụ răng thẳng, bánh răng trụ răng
nghiêng và răng chữ V.
Hai trục cắt nhau: bánh răng nón.
Hai trục chéo nhau: bánh răng trụ , bánh răng nón.
Ngoài ra còn có các bộ truyền bánh răng thang.
2.1.2.Nhận xét:

Hiện nay truyền động bánh răng được sử dụng rộng rãi.
Phạm vi kích thước từ rất nhỏ đến rất lớn.
Truyền động công suất từ rất nhỏ đến rất lớn.
2.1.2.1.Ƣu điểm:
Cùng khả năng tải trọng nhưng kích thước nhỏ gọn hơn bộ truyền đai và
truyền động bánh ma sát.
Hiệu suất cao đạt từ 97 – 98%.
Tuổi thọ cao làm việc chắc chắn.
Tỉ số truyền cố định.
Làm việc tốt trong phạm vi công suất, tốc độ và tỉ số truyền khá rộng.
2.1.2.3.Nhƣợc điểm:
Độ chính xác gia công khá cao.
Có nhiều tiếng ồn khi làm việc nhất là khi vận tốc cao.
Chịu va đập kém.

∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞
SVTH: BỬU THANH – VĂN NHÃ – NGỌC THƢƠNG

13


CHƢƠNG II: PHẦN CƠ KHÍ
∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞

2.1.3.Dạng răng:
Có nhiều dạng răng nhưng chủ yếu hiện nay sử dụng dạng răng thân khai vì
nó có những ưu điểm sau:
Có sức bền cao.
Hiệu suất cao.
Dễ chế tạo, dụng cụ cắt đơn giản và không phụ thuộc vào số răng.

2.1.4.Các thông số hình học:
Số răng bánh dẫn: Z1
Số răng bánh bị dẫn: Z2
Tỉ số truyền: i 

n1 Z1

n2 Z 2

2.2.Truyền động trục vít, bánh vít:
2.2.1.Công dụng và phân loại:
Bộ truyền gồm trục vít và bánh vít được dùng để truyền chuyển động và tải
trọng giữa 2 trục chéo nhau, thường là góc giữa 2 trục là 90 o.
Có nhiều loại truyền động trục vít, căn cứ vào hình dạng đường sinh trục ta
có:
Truyền động trục vít bánh với trục vít lõm.
Truyền động trục vít bánh vít với trục vít trụ. Loại này thông dụng.
2.2.2.Cấu tạo:
2.2.2.1.Trục vít:
Có cấu tạo như một trục trên có nhiều vòng ren. Tùy theo các dạng ren mà ta
có các loại:
Trục vít Acsimet: là loại thông dụng nhất và nó có đ ặc điểm là cạnh ren thẳng
trong mặt phẳng cắt dọc chứa đường tâm trục vít. Với loại trụcvít này có thể chế tạo
trên các máy tiện vạn năng, nếu sử dụng phương pháp mài thì phức tạp hơn và làm
giảm độ chính xác.
Trục vít Convolut: có cạnh ren thẳng trong mặt cắt pháp, sau khi tiện ren có
thể mài trên máy mài ren thông thường.
Trục vít thân khai: giao tuyến của mặt ren với mặt phẳng vuông góc với
đường tâm của trục vít là đường thân khai. Trục vít thân khai được mài trên máy
mài chuyên môn.

2.2.2.2.Bánh vít:

∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞
SVTH: BỬU THANH – VĂN NHÃ – NGỌC THƢƠNG

14