Thiết kế và chế tạo robot song song rps

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VÕ NGỌC SƠN

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG RPS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VÕ NGỌC SƠN

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG RPS

Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ điện tử
Mã số

: 8520114

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. LƢU ĐỨC BÌNH

Đà Nẵng - Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn

VÕ NGỌC SƠN


MỤC MỤC
TRANG BÌA
LỜI CAM ĐOAN
MỤC MỤC
TRANG TĨM TẮT TIẾNG ANH
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................................1
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................1
4. Phƣơng pháp nghiên cứu.......................................................................................... 2
5. Ý nghĩa khoa học thực tiễn ......................................................................................2
6. Cấu trúc luận văn .....................................................................................................2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................4
1.1. Tổng quan cơ bản Robot có cấu trúc song song ...................................................4
1.1.1. Robot có cấu trúc song song ...........................................................................4
1.1.2. Phân loại chung về Robot ...............................................................................5
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc thuộc lĩnh vực đề tài ........7
1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu của thế giới về robot song song ..................7

1.2.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nƣớc về robot song song .................13
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG ....................17
2.1. Lý thuyết về phân tích động học .........................................................................17
2.1.1. Các phƣơng trình liên kết cho Robot song song RPS tổng quát ..................17
2.1.2. Bài toán động học thuận ...............................................................................21
2.1.3. Bài tốn động học ngƣợc ..............................................................................21
2.2. Tính tốn các chỉ số hoạt động robot ..................................................................22
2.3. Giới Thiệu Arduino NANO ................................................................................25
CHƢƠNG 3. 29THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG RPS ............................................29
3.1. Thiết Kế Hệ Thống Cơ Khí .................................................................................29
3.1.1. Chọn phƣơng án sơ đồ động để thiết kế robot RPS......................................29
3.1.2. Thông số cơ bản của Robot RPS ..................................................................30
3.1.3. Phạm vi hoạt động của Robot .......................................................................31
3.1.4. Bài toán động học ......................................................................................... 31
3.1.5. Lựa Chọn Các Thành phần cơ khí ................................................................ 44


3.2. Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển ..........................................................................47
3.2.1.Sơ đồ khối m hình điều khiển ......................................................................47
3.2.2. Mach hiển thị LCD I2C ................................................................................48
3.2.3. Mạch cấp nguồn cho hệ thống ......................................................................49
3.2.4. Mạch điều khiển: .......................................................................................... 50
3.2.5. Mạch điều khiển động cơ Cylinder............................................................... 51
3.2.6. Tạo giao diện điều khiển GUI ......................................................................52
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ CHẾ TẠO ROBOT .............................................................. 56
4.1. Kết quả mơ hình Robot sau khi chế tạo xong ..................................................... 56
4.2. Giao Diện Điều Khiển Sau Khi Hoàn Thành...................................................... 57
KẾT LUẬN CHUNG ....................................................................................................58
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 59
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 60

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG RPS

Học viên: Võ Ngọc Sơn
Mã số: 8.52.01.14
Khóa: K32

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử
Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt – Robot song song RPS đang đƣợc phát triển và ứng dụng rộng rãi tại các nhà
máy trên toàn tế giới vì nó có nhiều ƣu điểm hơn so với mơ hình robot nối tiếp nhƣ khả
năng chịu tải trọng lớn, độ cứng vững cao, độ chính xác cao. Tuy nhiên, Robot song song
vẫn tồn tại một số nhƣợc điểm nhƣ vùng làm việc bị hạn chế,việc giải bài toán động học
và động lực học phức tạp, tồn tại nhiều điểm kỳ dị trong vùng làm việc nên việc điều
khiển trở nên phức tạp hơn. Trong đề tài này, tác giả tiến hành nghiên cứu mơ hình Robot
song song RPS, phân tích động học thuận, động học ngƣợc robot. Kết quả phân tích đƣợc
sử dụng trong phân tích vùng làm việc, các điểm kỳ dị cũng nhƣ các chỉ số hoạt động
robot. Từ việc lựa chọn các thành phần cơ khí, tác giả đã thiết kế và chế tạo Robot song
song RPS. Các phân tích về các bài tốn động học và hệ thống điều kiển cũng đƣợc giới
thiệu trong luận văn. Tác giả đã tóm tắt các kết quả đã đạt đƣợc và đƣa ra các hƣớng phát
triển tiếp theo.

DESIGN AND MANUFACTURE PARALLEL ROBOT RPS
Abstract - RPS parallel robots are being developed and widely used in factories around
the world as it has many advantages over serial robot models such as large load

capacity, high stiffness,excellent accuracy. However, parallel robots still have some
disadvantages such as limited workspace, complex dynamics and complex dynamics,

there are many singular points in the work area, so the control becomes more complex. In
this topic, the author conducts the study of RPS parallel robot model, dynamic kinematics
analysis, reverse robot robot. Analytical results are used in work area analysis,
singularities as well as robot performance indicators. From the selection of mechanical
components, the author has designed and manufactured the parallel robot RPS. Analyzes
of dynamical problems and control systems are also presented in the dissertation. The
achieved results are summarized and perspective of the work is provided.


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
RPS

R – Revolute,

P – Prismatic;

R : Revolute

khớp quay

P : Prismatic

khớp tịnh tiến

S : Spherical

khớp cầu

S – Spherical

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số

Tên hình

hiệu
1.1.

Tay máy song song đƣợc Eric Gough hoàn thiện và chế tạo tại hãng
Dunlop Rubber

Trang
8

1.2.

Thiết bị m phỏng bay

8

1.3.

Robot Delta

9

1.4.

Thiết bị gia c ng hexapod

10

1.5.

Thiết bị Surgiscope

11

1.6.

Robot hàn đang làm việc trong nhà máy

11

1.7.

Robot Inrotech

12

1.8.

Sử dụng thử nghiệm robot VNR-T1 trong đào tạo. Ảnh. V. Đức

14

1.9.

Hệ thống robot khi hồn thành

14

1.10.

Robot SM6 chuẩn bị tích hợp trong quy trình hàn ghép tại tại Xí
nghiệp 197

15

1.11.

Robot song song 6 chân

15

1.12.

M hình một số tay máy th ng dụng

16

2.1.

Cấu trúc chấp hành song song RPS

17

2.2.

Hệ toạ độ cố định Oxyz

19

2.3.

Cấu trúc chấp hành song song RPS

22

2.4.

Arduino NANO

25

3.1.

Sơ đồ động học của Robot RPS

29

3.2.

Sơ đồ kết cấu của Robot RPS

30

3.3.

Th ng số cơ bản của Robot RPS

30

3.4.

Tọa độ điểm O1 – tâm của tấm di động

35

3.5.

Góc quay của tấm di động

35

3.6.

Hành trình chuyển động của các piston

36

3.7.

Góc nghiên của các piston

36

3.8.

Vận tốc chuyển động tịnh tiến của các piston

37

3.9.

Tọa độ điểm O1 – tâm của tấm di động

37

3.10.

Góc quay quanh trục x của tấm di động

38

3.11.

Hành trình chuyển động của các piston

38


Số

Tên hình

hiệu

Trang

3.12.

Góc nghiên của các piston

39

3.13.

Vận tốc chuyển động tịnh tiến của các piston

39

3.14.

Tọa độ điểm O1 – tâm của tấm di động

40

3.15.

Góc quay quanh trục x và y của tấm di động

40

3.16.

Hành trình chuyển động của các piston

41

3.17.

Góc nghiên của các piston

41

3.18.

Vận tốc chuyển động tịnh tiến của các piston

42

3.19.

Góc quay quanh trục x và y của tấm di động

43

3.20.

Hành trình chuyển động của các piston

43

3.21.

Góc nghiên của các piston

44

3.22.

Vận tốc chuyển động tịnh tiến của các piston

44

3.23.

Trục piston hành trình

45

3.24.

Khớp cầu

46

3.25.

Tấm đế cố định

46

3.26.

Tấm di động

47

3.27.

Sơ đồ khối m hình điều khiển.

47

3.28.

Sơ đồ nguyên lý mạch điện hệ thống

48

3.29.

Module I2C

48

3.30.

Khối cấp nuồn

49

3.31.

IC LM750

50

3.32.

Mạch điều khiển

51

3.33.

Khối điều khiển động cơ

51

3.34.

Khởi động GUI

52

3.35.

diện GUI

53


1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, robot song song đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công
nghiệp, thiết bị y tế, khoa học quân sự,… bởi vì nó có nhiều ƣu điểm so với mơ
hình robot nối tiếp nhƣ khả năng chịu tải trọng lớn (large load capacity), độ cứng
vũng cao (high stiffness), độ chính xác cao (excellent accuracy), … Tuy nhiên,
robot song song vẫn tồn tại một số nhƣợc điểm nhƣ vùng làm việc bị hạn chế
(limited workspace), việc giải bài toán động học và động lực học phức tạp, tồn tại
nhiều điểm kỳ dị trong vùng làm việc nên việc điều khiển trở nên phức tạp hơn.
Nhiều kết cấu robot song song đƣợc sử dụng tùy theo ứng dụng, nhƣ Stewart
– Gough robot, giới thiệu lần đầu bởi Gough và đƣợc thiết kế ứng dụng trong mơ
hình mơ phỏng lái máy bay bởi Stewart . Robot này có 6 bậc tự do, nên nó thƣờng
đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi chuyển động lớn. Tuy nhiên trong
nhiều ứng dụng công nghiệp, hệ thống chỉ cần các robot hoạt động với ít bậc tự do
hơn, nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động động bộ của hệ thống. Chính vì vậy một số
m hình robot đƣợc giới nhƣ robot H4 với 4 bậc tự do, đƣợc sử dụng trong pick và
place với tốc độ cao, giới thiệu bởi c ng ty Poerot năm 1999, robot Delta – 3 bậc tự
do với 3 khâu chấp hành tịnh tiến , robot Delta với 3 khâu chấp hành quay , Robot
phẳng hai bậc tự do RR, … Năm 1993, Hunt giới thiệu mơ hình robot 3RPS (R –
Revolute, P – Prismatic; S – Spherical), chuyển động dọc theo trục z, quay quanh
trục x và trục y. Kết cấu robot gồm có 1 tấm đế cố định và một tấm chuyển động
(thƣờng đƣợc gắn cơ cấu chấp hành) đƣợc nối với nhau bới ba chân thông qua 3
khớp ở mỗi chân. Giữa tấm đế và chân nối nhau bởi khớp quay, giữa tấm chuyển
động và chân là khớp cầu, nối giữa hai khớp quay và khớp cầu là cơ cấu chấp hành
tịnh tiến.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Tác giả tiến hành nghiên cứu m hình robot song song RPS, phân tích động
học thuận, động học ngƣợc robot. Kết quả phân tích đƣợc sử dụng trong phân tích
vùng làm việc, các điểm kỳ dị cũng nhƣ các chỉ số hoạt động (Performace Index)
robot.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài thực hiện với nội dung chủ yếu sau:
- Nghiên cứu tổng quan về robot song song
- Nghiên cứu lý thuyết và giải bài toán động học của robot RSP
- Phân tích vùng làm việc, các điểm kỳ dị, các chỉ số hoạt động của robot.
- Thiết kế và chế tạo mơ hình robot song song RPS.


2

4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Cách tiếp cận: Tìm hiểu và phân tích các nghiên cứu về robot song song,
robot RPS và các bài tốn tối ƣu hóa.
- Phƣơng pháp nghiên cứu:
•Nghiên cứu lý thuyết và mơ hình
5. Ý nghĩa khoa học thực tiễn
- Đƣợc sử dụng cho các nghiên cứu khác liên quan đến robot song song
6. Cấu trúc luận văn
MỞ ĐẦU
 Lý do chọn đề tài
 Mục tiêu
 Đối tƣợng nghiên cứu
 Phƣơng pháp nghiên cứu
 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG
1.1.Tổng quan cơ bản về robot song song RPS
 1.1.1 Robot có cấu trúc song song
 1.1.2 Phân loại chung về Robot
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc thuộc lĩnh vực đề
tài
 1.2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu của thế giới về robot song song

 1.2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nƣớc về robot song song
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG
2.1 Lý thuyết về phân tích động học :
 2.1.1 Các phƣơng trình liên kết cho Robot song song RPS tổng quát
 2.1.2 Bài toán động học thuận
 2.1.3 Bài toán động học ngƣợc
2.2. Tính tốn các chỉ số hoạt động robot
 2.2.1 Tính tốn vị trí cho robot song song RPS cụ thể
2.3 Giới Thiệu Arduino NANO
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ROBOT
3.1. Thiết Kế Hệ Thống Cơ Khí:
 3.1.1. Chọn phƣơng án sơ đồ động để thiết kế robot RPS
 3.1.2. Thông số cơ bản của Robot RPS


3

 3.1.3 Phạm vi hoạt động của Robot
 3.1.4 Bài toán động học
 3.1.5. Lựa chọn các thành phần cơ khí
3.2.Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển :
 3.2.2. Mach hiển thị LCD I2C
 3.2.1.Sơ đồ khối m hình điều khiển
 3.2.3. Mạch cấp nguồn cho hệ thống
 3.2.4. Mạch điều khiển
 3.2.5 Mạch điều khiển động cơ Cylinder
 3.2.6 Tạo giao diện điều khiển GUI
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ CHẾ TẠO ROBOT
4.1 Kết quả mơ hình Robot sau khi chế tạo xong
4.2 Giao diện điều khiển sau khi hoàn thành

KẾT LUẬN


4

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan cơ bản Robot có cấu trúc song song
1.1.1. Robot có cấu trúc song song
a) Giới thiệu chung:
Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hoá trong sản xuất, các cơ cấu
Robot cũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú. Trong những thập niên
gần đây, Robot cấu trúc song song đƣợc Gough và Whitehall nghiên cứu năm 1962
và sự chú ý ứng dụng của Robot cấu trúc song song đã đƣợc khởi động bởi Stewart,
vào năm 1965 ng là ngƣời cho ra đời buồng tập lái máy bay dựa trên cấu trúc song
song. Hiện nay cơ cấu song song đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động đƣợc nối với giá cố
định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân. thƣờng số chân
bằng số bậc tự do, đƣợc điều khiển bằng nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc
ngay trên chân. Chính lý do này mà các Robot song song đ i khi cịn gọi là các
Robot có bệ.
Do tính ƣu việt của Robot song song nên ngày càng thu hút đƣợc nhiều nhà
khoa học nghiên cứu đồng thời cũng đƣợc ứng dụng ngày càng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực:
+ Ngành Vật lý: giá đỡ kính hiển vi, giá đỡ thiết bị đi chính xác.
+ Ngành Cơ khí: máy gia c ng cơ khí chính xác, máy c ng cụ CNC.
+ Ngành Bƣu chính viễn th ng: giá đỡ ăngten, vệ tinh địa tĩnh.
+ Ngành chế tạo Ơtơ: hệ thống thử tải lốp Ơtơ, buồng tập lái Ơ tơ.
+ Ngành quân sự: Robot song song đƣợc dùng làm bệ đỡ ổn định đƣợc đặt
trên tầu thuỷ, trên xe, tren máy bay, trên chiến xa và các tàu ngầm. Để giữ cân bằng

cho angten, camera theo dõi mục tiêu, cho rada, cho các thiết bị đo laser, bệ ổn định
cho phóng tên lửa, buồng tập lái máy bay, xe tăng, tàu chiến…
b) Một số ưu nhược điểm của robot song song:
Nhìn chung, tất cả các loại Robot có cấu trúc song song đều có nhiều ƣu
điểm và có thể đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, các bộ mơ hình máy bay, các
khung đỡ kiến trúc khớp nối điều chỉnh, các máy khai thác mỏ…
 Ƣu điểm:
- Khả năng chịu đƣợc tải cao: Các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên khối
lƣợng của các thành phần cũng nhỏ hơn.
- Độ cứng vững cao do kế cấu hình học của chúng.


5

- Tất cả các lực tác động đồng thời đƣợc chia sẻ cho tất cả các chân.
- Cấu trúc động học một cách đặc biệt của các khớp liên kết cho phép chuyển
tất cả lực tác dụng thành các lực kéo/nén của các chân.
- Có thể thực hiện đƣợc các thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính xác
cao: với cấu trúc song song, sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc trục của các cụm cơ
cấu chân riêng lẻ và các sai số khơng bị tích luỹ.
- Có thể thiết kế ở các kích thƣớc khác nhau.
- Đơn giản hoá các cơ cấu máy và giảm số lƣợng phần tử do các chân và
khớp nối đƣợc thiết kế sẵn thành các cụm chi tiết tiêu chuẩn.
- Cung cấp khả năng di động cao trong quá trình làm việc do có khối lƣợng
và kích thƣớc nhỏ gọn.
- Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền.
- Tầm hoạt động của Robot cơ cấu song song rất rộng từ việc lắp ráp các chi
tiết cực nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp, địi hỏi độ chính
xác cao nhƣ: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp…
- Các Robot song song làm việc khơng cần bệ đỡ và có thể di chuyển tới mọi

nơi trong m i trƣờng sản xuất. Chúng có thể làm việc ngay cả khi trên thuyền và
treo trên trần, tƣờng…
- Giá thành của các Robot song song ứng dụng trong gia c ng Cơ khí ít hơn
so với máy CNC có tính năng tƣơng đƣơng.
 Nhƣợc điểm:
Tuy nhiên các Robot song song cũng có nhƣợc điểm nhất định khi so sánh
với các Robot chuỗi nhƣ:
- Khoảng không gian làm việc nhỏ và khó thiết kế.
- Việc giải các bài tốn động học, động lực học phức tạp
- Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian.
1.1.2. Phân loại chung về Robot
Robot có thể phân loại theo nhiều tiểu chuẩn, số bậc tự do động học, hệ
thống truyền động, dạng hình học của chi tiết gia c ng, các đặt tinh chuyển động.
a) Phân loại theo số bậc tự do
Sơ đồ phân loại Robot thƣờng dùng là theo số bậc tự do. Một cách lý tƣởng
cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để sử lý đối tƣợng một cách tự do trong không
gian 3 chiều. Theo quan điểm này, Robot da năng có 6 bậc tự do và Robot thiếu có
nhất ít hơn 6 bậc tự do, Robot dƣ có thêm một bậc tự do dể di chuyển qua các
hƣớng chƣớng ngại vật hoặc trong không gian hẹp. Mặt khác, đối với một số ứng


6

dụng đặt biệt, chẳng hạn lắp ráp các chi tiết trên mặt phẳng chỉ có Robot 4 bậc tự do
là đủ.
b) Phân loại theo cấu trúc động học
Robot đƣợc gọi là Robot nối tiếp nếu cấu trúc động học có dạng chuỗi vịng
hở, Robot song song nếu có chuỗi vịng kín, và Robot lai nếu có vịng kín và
vịng hở.
c) Phân loại theo hệ thống truyền động

Có 3 hệ thống truyền động phổ biến là điện, thuỷ lực và khí nén đƣợc dùng
cho Robot. Hầu hết các cơ cấu chấp hành đều sử dụng động cơ bƣớc hoặc động cơ
trợ động DC, do chúng tƣơng đối dễ điều khiển. Tuy nhiên khi cần tốc độ cao và
khả năng mang tải cao, thƣờng dùng chuyển động thuỷ lực hoặc khí nén có tính linh
hoạt khá cao. Mặc dù truyền động khí nén sạch và nhanh nhƣng khó điều khiển do
khơng khí là chất khí nén đƣợc.
Trong cơ cấu nối tiếp, nói chung một bộ tác động đƣợc dùng để điều khiển
chuyển động của từng khớp. Nếu từng khâu chuyển động đƣợc truyền động bằng
một bộ tác động lắp trên khâu trƣớc đó th ng qua hộp giảm tốc, sự dịch chuyển của
khâu này về mặt động học là độc lập với khâu khác, đây là cơ cấu chấp hành nối
tiếp quy ƣớc. Mặt khác, nếu mỗi khớp đƣợc truyền động trực tiếp bằng bộ tác động
khơng có hộp giảm tốc, cơ cấu đó đƣợc gọi là cơ cấu chấp hành truyền động trực
tiếp.
Việc dùng hộp giảm tốc cho phép sử dụng động cơ nhỏ hơn, do đó làm giảm
qn tính của cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên, độ lệch khớp của của các bánh răng
trong hộp giảm tốc có thể gây ra sai số vị trí ở bộ phận tác động. Kỹ thuật truyền
động trực tiếp khắc phục đƣợc vấn đề bánh răng và có thể tăng tốc độ cho cơ cấu
chấp hành. Tuy nhiên, các động cơ truyền động trực tiếp tƣơng đối lớn và nặng. Do
đó chúng thƣờng đƣợc dùng để truyền động khớp thứ nhất của cơ cấu chấp hành,
động cơ đƣợc láp đặt ở đế. Nói chung động cơ cũng có thể đƣợc lắp đặt ở đế để
truyền động khớp thứ hai hoặc khớp thứ ba th ng qua đai kim loại hoặc khâu
thanh đẩy.
Một số cơ cấu chấp hành sử dụng bộ cánh bánh răng, xích và đĩa để truyền
động các khớp. Khi sử dụng hệ thống truyền động này cho cơ cấu chấp hành qua
nhiều khớp, độ dịch chuyển của sẽ phụ thuộc lẫn nhau. Các cơ cấu chấp hành kiểu
đó gọi là vịng kín.
d) Phân loại theo hình dạng hình học khơng gian làm việc.
Không làm việc của cơ cấu chấp hành đƣợc xác định là thể tích khơng gian
đầu tác động có thể với tới. Nói chung, thƣờng sử dụng hai định nghĩa về không

7

gian làm việc. Thứ nhất là khơng gian có thể với tới, thể tích kh ng gian trong cơ
cấu tác động có thể với tới từng điểm theo ít nhất là một chiều. Thứ hai là không
gian linh hoạt, thể tích kh ng gian trong đó cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm
theo mọi chiều có thể. Khơng là một phần của khơng gian có thể với tới.
Mặc dù đây kh ng phải điều kiện cần, nhƣng nhiều cơ cấu chấp hành nối tiếp
đƣợc thiết kế với 3 khâu đầu dài hơn các khâu còn lại, do đó 3 khâu này đƣợc dùng
chủ yếu để thao tác vị trí, các khâu cịn lại đƣợc dùng để điều khiển hƣớng của đầu
tác dụng. Vì lí do đó 3 khâu đầu đƣợc gọi là cánh tay, các khâu còn lại đƣợc gọi là
cổ tay. Trừ các cơ cấu chấp hành có bậc tự do lớn hơn là 6, cánh tay thƣờng có 3
bậc tự do, cổ tay có 1-3 bậc tự do.
Hơn nữa, bộ cổ tay thƣờng đƣợc thiết kế với các trục khớp cắt nhau tại một
điểm chung gọi là tâm cổ tay. Bộ cánh tay có thể có nhiều kiểu cấu trúc động học,
tạo ra các biên làm việc khác nhau, đƣợc gọi là vùng không gian làm việc.
Không gian do nhà sản xuất Robot cung cấp thƣờng đƣợc xác định theo không gian
làm việc.
Tay máy đƣợc gọi là Robot trụ nếu khớp thứ nhất hoặc khớp thứ hai của
Robot Cartersian (Hình 1.12e) đƣợc thay thế bằng khớp quay.
Tay máy đƣợc là Robot cầu nếu hai khớp đầu là khớp quay khác nhau và
khớp thứ 3 là khớp lăng trụ (Hình 1.12a). vị trí tâm cổ tay của Robot cầu là tập hợp
các toạ độ cầu liên quan với 3 biến khớp nối. Do đó trong kh ng gian làm việc của
Robot cầu đƣợc giới hạn theo hai khối cầu đồng tâm.
Tay máy đƣợc gọi là Robot quay nếu cả 3 khớp đều là khớp quay. Không
gian làm việc của Robot này rất phức tạp thƣờng có tiết diện hình xuyến. Nhiều
Robot cơng nghiệp là loại Robot quay (Hình 1.12c).
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc thuộc lĩnh vực đề tài
1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu của thế giới về robot song song
- Từ năm 1947, tại Birmingham, Anh quốc, tiến sĩ Eric Gough đã cho ra đời

cấu hình đầu tiên về tay máy song song. Thiết kế này đƣợc Eric Gough hoàn thiện
và chế tạo vào năm 1954 tại hãng Dunlop Rubber với mục đích sử dụng để nâng
chuyển các tải trọng nặng (hình 1.1)


8

Hình 1.1 Tay máy song song được Eric Gough hồn thiện và chế tạo tại hãng
Dunlop Rubber
- Năm 1965, tại IMechE, Anh Quốc, Tiến sĩ D.Stewart, c ng bố công trình
mơ tả một ứng dụng tấm chuyển động (platform) 6 bậc tự do dùng để mô phỏng và
huấn luyện bay. Bản thiết kế này đã gây tác động rất lớn đến việc hình thành các
dạng tay máy song song sau này (hình 1.2).

Hình 1.2. Thiết bị mơ phỏng bay
- Năm 1980: Giáo sƣ Reymond Clavel thiết kế ra Delta robot , sau này trở
thành một trong những tay máy song song nổi tiếng nhất (hình 1.3).


9

Hình 1.3. Robot Delta
- Năm 1985: Tay máy song phẳng ra đời dựa trên các cơ cấu phẳng 3 bậc tự
do dùng khớp trụ và tịnh tiến.
- Năm 1987: Máy động học theo cơ cấu song song ra đời.
- Năm 2002: Hội nghị khoa học về tay máy song song đƣợc tổ chức tại Đại
học Laval, Quebec, Canada đƣa ra những định hƣớng phát triển quan trọng về ứng
dụng cho tay máy song song.
- Hàng năm những hội nghị khoa học quốc tế do IFToMM, ASME, IFAC,
IEEE, ICRA, IROS, … đều cơng bố các cơng trình nghiên cứu mới về tay máy song

song. Nhiều dự án ở các nƣớc nhƣ CHLB Đức, Thụy Sĩ, Hoa Kỳ đã đƣợc triển khai
trên cơ sở ứng dụng tay máy song song – Hexapod nhƣ:
- Dự án NIST (Mỹ) (hình 1.4) với mục tiêu là đo đạc và mở rộng khả năng
của máy dựa trên nguyên lý Stewart–Gough Platform - Hexapod đƣợc triển khai từ
năm 1998 đến năm 2001.


10

Hình 1.4. Thiết bị gia cơng hexapod
- Dự án Cubic Hexapod hợp tác giữa Đại học Washington và Tập đoàn c ng
nghệ Hood kéo dài 6 năm từ năm 1998 đến năm 2004. Dự án này đƣợc phát triển từ
tay máy Stewart–Gough Platform để loại trừ nhiễu trong các hệ thống chính xác ,
điều khiển vị trí với độ chính xác 1 nanômét.
- Dự án Hexaglide đƣợc triển khai ở Viện robot của Thụy sỹ bắt đầu từ năm
1996. Tay máy là hệ cấu trúc song song 6 bậc tự do, sử dụng máy phay tốc độ cao
với không gian làm việc 700600500 mm, sử dụng hệ điều khiển VME-Bus và hệ
thống thời gian thực. Ƣu điểm của nó là có thể thực hiện các chuyển động nhanh
với độ cứng vững và độ chính xác cao.
- Cơng ty Elekta (Thụy Điển), một công ty chuyên về các trang thiết bị y tế
đã dùng robot Delta để làm thiết bị Surgiscope nâng giữ kính hiển vi có khối lƣợng
20 kg dùng trong giải phẫu (hình 1.5).


11

Hình 1.5. Thiết bị Surgiscope
- Một dự án của châu Âu chế tạo robot CRIGOS (Compact Robot for Image
Guided Orthopedic Surgery) sử dụng cơ cấu Gough-Stewart nhằm cung cấp cho các
bác sĩ phẫu thuật một công cụ hiệu suất cao cho phẫu thuật xƣơng.

- Hãng Symetrie (Pháp, chuyên thiết kế và chế tạo tay máy song song) tham
gia các dự án nhƣ:
 Kính viễn vọng kh ng gian James Webb đƣợc thiết kế với hai hệ
thống định vị cảm biến CCD và nguồn sáng dùng hai tay máy song
song kiểu Hexapod (tay máy SONORA và BREVA).
 Hệ thống thử nghiệm động cơ PSA cho hãng t Peugeot-Citroën
- Những ứng dụng Robot trong các nhà máy sản xuất của thế giới :
 Robot hàn trong nhà máy sản xuất ô tô của Volkwagen ở Emden nƣớc
Đức.

Hình 1.6. Robot hàn đang làm việc trong nhà máy


12

 Robot Inrotech chuyên nghiệp ở Đan Mạch đã làm việc trong một nhà
máy đóng tàu, nơi mà những con robot chịu trách nhiệm trong việc
hàn tàu. Chúng có thể thực hiện việc hàn với tỉ lệ nhanh gấp 40% so
với một thợ hàn và chúng đều đƣợc làm việc trong một môi trƣờng
đơn giản nhất trong ngành công nghiệp này.Chƣơng trình điều khiển
của nó có một giao diện đơn giản cho ngƣời dùng. Điều này có nghĩa
là ngƣời điều hành chỉ cần 3 đến 4 tổ hợp phím để có thể điều khiển
đƣợc các con robot hoạt động”.

Hình 1.7. Robot Inrotech
- Một số nghiên cứu đã đƣợc đăng trên các tạp chí và trang web uy tín của thế
giới nhƣ :
 Đánh giá thời gian thực của động học ngƣợc đối với rô bốt y tế 3-RPS
sử dụng nền tảng dSpace đƣợc đăn trên tạp chí IEEE. Bài báo liệt kê
ba phƣơng pháp cho động học ngƣợc của một robot song song y tế 3

bậc tự do với cấu trúc chung R-P-S (Revolute-Prismatic-Spherical) sử
dụng nền tảng MATLAB / Simulink và dSpace. Ba phƣơng thức đƣợc
thực hiện trong MATLAB / Simulink và đƣợc xuất sang nền tảng phát
triển dSpace.So sánh giữa thời gian của ba phƣơng pháp này đã đƣợc


13

nghiên cứu. Phạm vi của bài báo này là để đƣợc xem xét là một trong
những nghiên cứu phù hợp trong một ứng dụng y tế thời gian thực.
 Phân tích điểm kì dị của một Robot 3 RPS song song phẳng và Robot
song song đối xứng 3 RPS dựa trên ma trận Jacobi tịnh tiến/quay đƣợc
đăng trên trang web scientific.net. Bài báo nếu ra một phƣơng pháp
mới về phân tích điểm kỳ dị của robot song song 3 bậc tự do phẳng và
đối xứng đã đƣợc giới thiệu, dựa trên ma trận Jacobi tịnh tiến và quay.
Điểm kỳ dị của các Robot song song với dạng tịnh tiến thuần tuý và
dạng quay thuần túy đƣợc giới thiệu một cách tổng thể.Cuối cùng, kết
quả cho thấy điểm kỳ dị tổng qt hơn có thể đƣợc giải quyết thơng
qua các phƣơng pháp mới.
1.2.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước về robot song song
- Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển Robot đã có những bƣớc tiến đáng kể
trong nhiều năm vừa qua. Nhiều đơn vị trên toàn quốc thực hiện thành công các
nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng về Robot nhƣ Trung tâm Tự động hoá,
Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Điện tử, Tin học, Tự động hố thuộc Bộ Cơng
nghệp, Đại học Bách khoa TP.HCM, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Học
viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin thuộc Viện
KHCNVN, các công ty doanh nghiệp tƣ nhân.Nổi bật nhƣ Công ty Cổ phần Robot
TOSY, doanh nghiệp thiết kết và chế tạo Robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn
tƣợng trên trƣờng quốc tế.
- Mới đây nhất Việt Nam thành lập 2 viện nghiên cứu tƣ nhân do tập đoàn

Phenikaa phối hợp cùng đại học Thành Tây phát triển gồm Viện Nghiên cứu và
Công nghệ Phenikaa (PRATI - Phenikaa Research and Technology Institute) và
Viện Nghiên cứu Tiên tiến Thành Tây (TIAS - Thanh Tay Institute for Andvance
study).
- Các sản phẩm Robot do Việt Nam nghiên cứu chế tạo nổi bật nhƣ :
 Robot 5 bậc tự do có tỷ lệ nội địa hóa 95%:


14

Hình 1.8. Sử dụng thử nghiệm robot VNR-T1 trong đào tạo. Ảnh. V. Đức
Sản phẩm robot 5 bậc tự do mang tên VNR-T1có giá thành thấp, dễ sửa
chữa và đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng robot trong giảng dạy của các trƣờng. Đây
là robot khớp xoay dạng đứng, trọng lƣợng 15kg, có thể làm việc trong bán kính tối
đa là 610m, tốc độ lớn nhất 600mm/giây, trọng tải lớn nhất là 1kg và có độ chính
xác lặp lại trong khoảng 0,8mm...
Khi ra mắt, robot này sẽ đƣợc ứng dụng rộng rãi trong lắp ráp, gia c ng kim
loại, hàn...
 Viện Cơ học phát triển thành c ng Hệ thống Robot 6 bậc tự do SM6 phù hợp với
điều kiện sản xuất tại Việt Nam

Hình 1.9. Hệ thống robot khi hoàn thành


15

Robot SM6 hiện đã đƣợc vận hành thử nghiệm tại Xí nghiệp 197 – Tổng
c ng ty Kinh tế Kỹ thuật c ng nghiệp Quốc Phòng. Robot SM6 sử dụng để vận
hành sản xuất trong gia c ng cơ khí cụ thể là c ng đoạn hàn ghép chi tiết bằng kim
loại của quy trình sản xuất khung giá đỡ.

Hình 1.10. Robot SM6 chuẩn bị tích hợp trong quy trình hàn ghép tại tại
Xí nghiệp 197
Thành c ng của SM6 mở ra hƣớng nghiên cứu tiếp để giảm giá thành sản
phẩm so với nhập ngoại (giá nhập khẩu 1 robot cùng chủng loại dao động từ 600700 triệu đồng), tối ƣu hóa chức năng, đặc tính kỹ thuật, chủ động thiết bị thay thế,
quy trình bào trì, bảo dƣỡng, phát triển các ứng dụng phần mềm th ng minh điều
khiển, kiểm soát trên thiết bị di động ứng dụng trên nền Internet.


Robot song song Hexapod

Hình 1.11. Robot song song 6 chân


16

Robot song song 6 chân dựa trên nguyên lý Gough - Stewart Platform cho
mục đích gia c ng cắt gọt với chuyển động của bàn máy (mang ph i) đƣợc vận
hành và điều khiển bởi 6 chân (Hexapod).

a) Tay máy POLAR

c) Tay máy REVOIUTE

b) Tay máy CYLINICAL

d) Tay máy SCARA

e) Tay máy CARTERSIAN

Hình 1.12. Mơ hình một số tay máy thông dụng