Tính toán thiết kế chế tạo và phân tích động lực học ngược robot song song phẳng 3RRR

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tính tốn thiết kế chế tạo và phân tích
động lực học ngƣợc Robot song song
phẳng 3RRR

TRẦN MINH TÚ
NGÀNH: Kỹ thuật Cơ điện tử

Giảng viên hƣớng dẫn:

GS.TSKH. Nguyễn Văn Khang

Viện:

Cơ khí

HÀ NỘI, 2020


TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tính tốn thiết kế chế tạo và phân tích
động lực học ngƣợc Robot song song
phẳng 3RRR

TRẦN MINH TÚ
NGÀNH: Kỹ thuật Cơ điện tử

Giảng viên hƣớng dẫn: GS.TSKH. Nguyễn Văn Khang
Chữ ký của GVHD

Viện:

Cơ khí

HÀ NỘI, 2020


LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người thầy đã hướng
dẫn tơi hồn thành luận văn này: GS.TSKH. Nguyễn Văn Khang. Thầy
đã luôn tận tình chỉ bảo và động viên mỗi khi tơi gặp khó khăn trong suốt
q trình làm luận văn.
Xin cảm ơn cán bộ, giảng viên nhà trường, gia đình và bạn bè,
những người luôn bên cạnh động viên và giúp đỡ tơi trong lúc khó khăn
và cũng là nguồn lực để tơi cố gắng hồn thiện luận văn này.

Hà Nội, ngày

tháng
Học viên

Trần Minh Tú

năm 2020

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................... iii
LỜI NĨI ĐẦU ....................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TÍNH TỐN THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG PHẲNG 3RRR 2
1.1. Tổng quan về Robot song song phẳng ............................................................ 2
1.1.1. Sơ lược về quá trình phát triển của robot ..................................................... 2
1.1.2. Khái niệm robot............................................................................................ 7
1.1.3. Phân loại Robot ............................................................................................ 9
1.2. Các thiết bị, linh kiện điện, điện tử được sử dụng cho robot 3RRR ............. 12
1.2.1. Động cơ Hybrid ......................................................................................... 12
1.2.2. Absolute Encoder ....................................................................................... 14
1.2.3. Bộ vi điều khiển ......................................................................................... 15
1.2.4. Mạch kết nối ............................................................................................... 17
1.3. Tính tốn thiết kế cơ khí ............................................................................... 19
1.3.1. Thiết kế khâu l i1 ......................................................................................... 21
1.3.2. Thiết kế khâu l i2 ......................................................................................... 24
1.3.3. Thiết kế bàn máy động ............................................................................... 28
1.3.4. Thiết kế các chi tiết khác ............................................................................ 30
1.4. Kết quả thiết kế các khâu: ............................................................................. 32
CHƯƠNG 2 : TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC NGƯỢC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC
NGƯỢC ROBOT SONG PHẲNG 3RRR ........................................................... 34
2.1. Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot song phẳng 3RRR.. 34
2.1.1. Chọn các tọa độ suy rộng .......................................................................... 34
2.1.2. Thiết lập các phương trình liên kết ........................................................... 35
2.1.3. Sử dụng phương pháp tách cấu trúc thiết lập các phương trình vi phân
chuyển động của robot ......................................................................................... 38
2.1.4. Kết luận ..................................................................................................... 53
2.2. Bài toán động học ngược .............................................................................. 56
2.2.1. Bài toán ...................................................................................................... 56
2.2.2. Phương pháp giải ....................................................................................... 57

i


2.2.3. Mơ phỏng số bài tốn động học ngược sử dụng Matlab ............................62
2.3. Bài toán động lực học ngược .........................................................................68
2.3.1. Phương pháp giải .......................................................................................68
2.3.2. Mơ phỏng số bài tốn động lực học ngược sử dụng Matlab......................72
KẾT LUẬN ...........................................................................................................77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................78

ii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Bản vẽ đăng kí bằng sáng chế cánh tay robot đầu tiên của Willard
V.Pollard ................................................................................................................ 3
Hình 1.2 Robot Elektro và Sparko ......................................................................... 3
Hình 1.3 Cánh tay máy đơi của của Goertz ........................................................... 4
Hình 1.4 Robot 4 chân của hãng RS Mosher và hãng General Electric ................ 5
Hình 1.5 Robot Shakey-Robot đầu tiên nhận dạng đối tượng bằng camera .......... 5
Hình 1.6 Tay Robot trên tàu thám hiểm Viking 1 ................................................. 6
Hình 1.7 Robot lập trình được đầu tiên do George Dovol thiết kế ........................ 6
Hình 1.8. Kết cấu Robot ......................................................................................... 7
Hình 1.9 Ví dụ về robot dạng chuỗi (Cánh tay robot, SCARA và giàn thao tác)10
Hình 1.10 Ví dụ về robot song song (3RRR, robot Delta, robot Stewart-Gough)10
Hình 1.11 Các cấu hình của robot song song phẳng ........................................... 11
Hình 1.12 Robot NaVaRo .................................................................................... 12
Hình 1.13 Cấu hình sơ bộ robot song song phẳng 3-RRR ................................... 12
Hình 1.14 Hình ảnh động cơ Hybrid Servo 57HSE3N cùng driver HBS57........ 13
Hình 1.15 Đường đặc tính moment xoắn – tốc độ của động cơ .......................... 13

Hình 1.16 Đường đặc tính của động cơ khi chạy ở 2 chế độ khơng phản hồi và có
phản hồi ................................................................................................................ 14
Hình 1.17 Hình ảnh Absolute Encoder Autonic EP50S-8-1024-3-R-P-24 ......... 15
Hình 1.18 Biểu đồ xung tín hiệu 10-bit Graycode ............................................... 15
Hình 1.19 Hình ảnh và chức năng các chân KIT STM32F4................................ 16
Hình 1.20 Sơ đồ nguyên lý khối kết nối giữa Encoder và vi xử lý ...................... 18
Hình 1.21 Sơ đồ nguyên lý khối kết nối giữa Encoder và Driver........................ 18
Hình 1.22 Thang điểm đo chuyển vị theo độ dày xương cá ................................ 20
Hình 1.23 Thiết kế khâu l i1 dưới dạng 3D ........................................................... 21
Hình 1.24 Thiết kế chi tiết khâu l i,1 ...................................................................... 21
Hình 1.25 Mơ phỏng chuyển vị khi nhận chịu khối lượng cộng dồn của các khâu
tiếp theo khi duổi thẳng tác động lên khâu l i,1 ..................................................... 22
Hình 1.26 Mô phỏng chuyển vị khi chịu moment cực đại của các khâu tiếp theo ở
vị trí nằm vng góc 90o tác động lên khâu l i,1 ................................................... 22
Hình 1.27 Mơ phỏng phân phối ứng suất khi tại vị trí các khâu duối thẳng tác
động lên khâu l i,1 .................................................................................................. 23
Hình 1.28 Mô phỏng phân phối ứng suất khi chịu moment cực đại của các khâu
tiếp theo ở vị trí nằm vng góc 90o tác động lên khâu l i .................................. 23
Hình 1.29 Mơ phỏng phân phối hệ số an tồn khâu l i,1 ....................................... 24
iii


Hình 1.30 Thiết kế khâu l i2 dưới dạng 3D ............................................................24
Hình 1.31 Thiết kế chi tiết khâu l i,2 ......................................................................25
Hình 1.32 Mô phỏng chuyển vị khi nhận chịu khối lượng cộng dồn của các khâu
tiếp theo khi duổi thẳng tác động lên khâu l i,2 ......................................................25
Hình 1.33 Mơ phỏng chuyển vị khi chịu moment cực đại của các khâu tiếp theo ở
vị trí nằm vng góc 90o tác động lên khâu l i,2 ...................................................26
Hình 1.34 Mơ phỏng phân phối ứng suất khi tại vị trí các khâu duối thẳng tác
động lên khâu l i,2 ...................................................................................................26

Hình 1.35 Mơ phỏng phân phối ứng suất khi chịu moment cực đại của các khâu
tiếp theo ở vị trí nằm vng góc 90o tác động lên khâu l i2 ..................................27
Hình 1.36 Mơ phỏng hệ số an tồn khâu l i,2 .........................................................27
Hình 1.37 Hình ảnh bàn máy động dưới dạng 3D ................................................28
Hình 1.38 Thiết kế chi tiết bàn máy động.............................................................28
Hình 1.39 Mơ phỏng chuyển vị trong trường hợp gá khâu làm việc có trọng
lượng 1kg ..............................................................................................................29
Hình 1.40 Mô phỏng ứng suất trong trường hợp gá khâu làm việc có trọng lượng
1kg.........................................................................................................................29
Hình 1.41 Mơ phỏng hệ số an tồn trong trường hợp gá khâu làm việc có trọng
lượng 1kg ..............................................................................................................30
Hình 1.42 Thiết kế chi tiết vị trí gắn động cơ và absolute encoder ......................31
Hình 1.43 Thiết kế tổng thể mặt bích ...................................................................31
Hình 1.44 Thiết kế chi tiết liên kết giữa các khâu ................................................31
Hình 1.45 Hình ảnh kết quả thiết kế robot được render bằng phần mềm .............33
Hình 1.46 Hình ảnh robot thực tế .........................................................................33
Hình 2.1 Robot song phẳng 3RRR .......................................................................34
Hình 2.2 vị trí góc φ + 30o .................................................................................35
34T

Hình 2.3 Vị trí góc 30o − φ ................................................................................36
34T

Hình 2.4 Vị trí góc 90o − φ ................................................................................37
34T

Hình 2.5 Cấu trúc hân thứ nhất .............................................................................38
Hình 2.6 Cấu trúc chân thứ 2 ................................................................................38
Hình 2.7 Cấu trúc chân thứ 3 ................................................................................39
Hình 2.8 Cấu trúc bàn máy động ..........................................................................39

Hình 2.9 Cấu trúc chân thứ 1 ................................................................................40
Hình 2.10 Cấu trúc chân thứ 2 ..............................................................................44
Hình 2.11 Cấu trúc chân thứ 3 ..............................................................................48
Hình 2.12 Cấu trúc bàn máy động ........................................................................53
Hình 2.13 Vị trí ban đầu của robot theo bộ số liệu Hannover ..............................59
iv


Hình 2.14 Vị trí ban đầu của robot theo bộ số liệu chế tạo.................................. 59
Hình 2.15 Đồ thị của θ1 ,θ1 ,θ1 ................................................................................ 62
Hình 2.16 Đồ thị của ψ 1 ,ψ1 ,ψ1 ............................................................................. 63
Hình 2.17 Đồ thị của θ 2 ,θ2 ,θ2 .............................................................................. 63
Hình 2.18 Đồ thị của ψ 2 ,ψ 2 ,ψ2 ........................................................................... 64
Hình 2.19 Đồ thị của θ3 ,θ3 ,θ3 .............................................................................. 64
Hình 2.20 Đồ thị của ψ 3 ,ψ 3 ,ψ3 ............................................................................ 65
Hình 2.21 Đồ thị của θ1 ,θ1 ,θ1 ................................................................................ 65
Hình 2.22 Đồ thị của ψ 1 ,ψ1 ,ψ1 ............................................................................. 66
Hình 2.23 Đồ thị của θ 2 ,θ2 ,θ2 .............................................................................. 66
Hình 2.24 Đồ thị của ψ 2 ,ψ 2 ,ψ2 ........................................................................... 67
Hình 2.25 Đồ thị của θ3 ,θ3 ,θ3 .............................................................................. 67
Hình 2.26 Đồ thị của ψ 3 ,ψ 3 ,ψ3 ............................................................................ 68
Hình 2.27 Phản lực liên kết tại B 1 ....................................................................... 72
Hình 2.28 Phản lực liên kết tại B 2 ....................................................................... 72
Hình 2.29 Phản lực liên kết tại B 3 ....................................................................... 73
Hình 2.30 Đồ thị mơmen động cơ ........................................................................ 73
Hình 2.31 Đồ thị cơng suất các động cơ .............................................................. 74
Hình 2.32 Phản lực liên kết tại B 1 ....................................................................... 74
Hình 2.33 Phản lực liên kết tại B 2 ....................................................................... 75
Hình 2.34 Phản lực liên kết tại B 3 ....................................................................... 75
Hình 2.35 Đồ thị mơmen động cơ ........................................................................ 76

Hình 2.36 Đồ thị cơng suất các động cơ .............................................................. 76

v



LỜI NĨI ĐẦU
Robot song song là robot có cấu trúc vịng kín trong đó các khâu được nối
với nhau bằng các khớp động. Trong robot song song, khâu thao tác được nối với
giá cố định bởi một số mạch động học, tức là nối song song với nhau và cũng
hoạt động song song với nhau.
Robot song song có nhiều ưu điểm như khả năng chịu tải trọng lớn, độ
cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng, có thể thực hiện các thao tác phức
tạp và hoạt động với độ chính xác cao. Vì những ưu điểm đó, robot song song
được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của công nghiệp đặc biệt là trong lĩnh vực
cơ khí - tự động hóa [1, 2].
Mục tiêu của đề tài là chế tạo một robot song song phẳng 3RRR nhỏ gọn
có thể quay tồn vịng phục vụ trong cơng tác nghiên cứu và giảng dạy chuyên
sâu về robot song song phẳng. Việc thực hiện mô phỏng số theo bộ số liệu thiết
kế cho thấy được sự phù hợp của phương pháp tính toán động học và động học
ngược robot song song phẳng.
Đề tài này gồm 2 chương. Chương I trình bày sơ lược về robot nói chung
cũng như robot song song nói riêng, ý tưởng thiết kế phương pháp cũng như số
liệu thiết kế một robot song song phẳng 3RRR. Chương II trình bày việc thiết lập
hệ phương trình vi phân - đại số của robot song phẳng 3RRR, tính tốn và mơ
phỏng số giải bài tốn động lực học ngược sử dụng phần mềm MATLAB theo bộ
số liệu robot đã chế tạo và bộ số liệu tham khảo của Hannover.
Trong quá trình hồn thành đề tài sẽ khơng thể tránh khỏi những thiếu sót,
vì vậy em rất mong nhận được những ý kiến tham gia, góp ý để đề tài được hoàn
thiện hơn.

1


CHƯƠNG 1.
TÍNH TỐN THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG PHẲNG 3RRR
Chương này trình bày sơ lược về sự phát triển của robot nói chung và
robot song song nói riêng. Sau đó trình bày ý tưởng thiết kế và tính tốn robot
song song mà tác giả thiết kế chế tạo nhằm mục tiêu phục vụ cho giảng dạy và
nghiên cứu robot song song ở trường đại học.
1.1. Tổng quan về Robot song song phẳng
1.1.1. Sơ lược về quá trình phát triển của robot
Thuật ngữ Robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân
xưởng sản xuất [1]. Vào những năm 1900, L. Frank Baum giới thiệu đồng thời
công nghệ vào tuyển tập những câu truyện thiếu nhi Oz. Trong cuốn “phù thủy
kỳ diệu của Oz” (1900), Baum đã kể câu chuyện về người nửa người nửa máy
Tin Woodman hay cuốn Ozma của Oz (1907), Baum mô tả người đàn ông đồng
hồ bằng đồng Tik-Tok, v.v. Vào thập niên 1910, một số loại vũ khí điều khiển từ
xa xuất hiện và được sử dụng nhờ cơng trình nghiên cứu của Nikola Tesla về
điều khiển tàu điện từ xa nhờ sóng radio. Những robot bằng hình ảnh xuất hiện
đầu tiên ở New York vào ngày 25/01/1921 trong vở “Rossum’s Universal Robot”
của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek viết năm 1921, những bộ phim khoa
học viễn tưởng đưa ra ý tưởng và sự tưởng tưởng của con người về robot liên tục
được ra mắt trong những thập niên 1920 này. Robot là cách gọi tắt của Robota –
theo tiếng Tiệp có nghĩa là “công việc lao dịch”, hay trong hệ ngôn ngữ X-la-vơ
là thuật ngữ chỉ người lao công.
Thiết kế đầu tiên của robot công nghiệp đã được đưa vào sản xuất tại Hoa
Kỳ, những khâu thao tác được mô phỏng theo động lực của cánh tay con người
để tái tạo lại các chuyển động như kéo, đẩy, ấn, nâng. Chuyển động có thể được
kiểm sốt thơng qua cam và lập trình nút nhấn.

2


Hình 1.1 Bản vẽ đăng kí bằng sáng chế cánh tay robot đầu tiên
của Willard V.Pollard
Năm 1938, Willard V.Pollard đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế đầu tiên
cho một cánh tay máy như vậy, “thiết bị điều khiển vị trí” với bộ điều khiển điện
tử, xi lanh khí nén và động cơ cung cấp 6 trục chuyển động. Nhưng tại thời điểm
đó các bộ nhớ chưa phát triển trong khi bộ nhớ Drum có kích thước lớn khiến
việc lập trình trở nên khó khăn và mất thời gian.

Hình 1.2 Robot Elektro và Sparko
Cho tới năm 1939, robot hình người được gọi là Elektro cùng chú chó
Sparko xuất hiện tại hội chợ thế giới, cao 2,1 m nặn 265 kg có thể đi bộ bằng
khẩu lệnh, nói hoảng 700 từ (sử dụng máy thu âm 78 rpm), mô phỏng hút thuốc
3


lá, thổi bong bóng, di chuyển đầu và cánh tay. Cơ thể bao gồm một cam bánh
răng bằng thép và khung xương động cơ được phủ bằng vỏ nhôm.
Cũng cùng năm 1939, Konrad Zuse đã chế tạo máy tính cơ điện có thể lập
trình đầu tiên đặt nền móng cho việc chế tạo một cố máy hình người được coi là
robot. Ứng dụng thực tế của logic nhị phân vào các công tắc điện đã được Claude
Shannon chứng minh, nhưng máy tính của ơng khơng thể lập trình được vào thời
điểm đó.
Những lý thuyết về robot được phát triển mạnh mẽ trong thập niên 1940,
nhưng những robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào những ứng dụng
trong công nghiệp lại là những cánh tay máy. Vào năm 1948, nhà nghiên cứu
Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên và cùng

năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cơ cấu tác
động là những động cơ điện kết hợp với các cữ hành trình. Đến năm 1954,
Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đơi sử dụng động cơ servo và có thể
nhận biết lực tác động lên khâu cuối. Sử dụng thành quả đó, vào năm 1956 hãng
General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong cơng việc khảo sát đáy biển.

Hình 1.3 Cánh tay máy đôi của của Goertz
Năm 1968 R.S.Mosher, thuộc hãng General Electric, đã chế tạo một thiết
bị biết đi có 4 chân, chiều dài hơn 3m, nặng 1400 kg, sử dụng động cơ đốt trong
có cơng suất 100 mã lực.

4


Hình 1.4 Robot 4 chân của hãng RS Mosher và hãng General
Electric
Năm 1970 một thành tự khoa học đáng kể đã đạt được là xe tự hành thám
hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokhod 1 được điều khiển từ trái đất. Viện nghiên
cứu thuộc trường đại học Stanford vào năm 1969 đã thiết kế robot Shakey di
động tinh vi hơn để thực hiện thí nghiệm về điều khiển sử dụng hệ thống thu
nhận hình ảnh nhận dạng đối tượng.

Hình 1.5 Robot Shakey-Robot đầu tiên nhận dạng đối tượng
bằng camera

5


Năm 1976 cánh tay robot đầu tiên trong không gian đã được sử dụng trên
tàu thám hiểm Viking của cơ quan không gian NASA (Hoa Kỳ) để lấy mẫu đất

sét trên sao Hỏa.

Hình 1.6 Tay Robot trên tàu thám hiểm Viking 1
Dưới hình trình bày một Robot là một cánh tay cơ khí khác xa với
Robot R2D2, nhưng đối với sản xuất nó mang lại lợi ích to lớn.

Hình 1.7 Robot lập trình được đầu tiên do George Dovol thiết
kế
Từ đó Robot đã có rất nhiều ứng dụng trong thực tế đặc biệt trong các
ngành kinh tế tài chính lẫn các ngành công nghiệp như sơn, hàn, máy công cụ,
v.v. Trong hoạt động sản xuất, đa số những Robot công nghiệp có hình dạng
của “cánh tay cơ khí”, cũng chính vì vậy mà đơi khi ta gặp thuật ngữ người máy,
tay máy trong những tài liệu tham khảo và giáo trình về Robot.
Robot tiếp tục phát triển ngày càng hồn thiện và đi sâu vào nhiều lĩnh
vực trong đời sống, các hoạt động sản xuất, y tế, và cả lĩnh vực giải trí với kỹ
thuật cơng nghệ cao.
6


1.1.2. Khái niệm robot
Theo Viện Robot Hoa Kỳ, robot là một nền tảng điều khiển đa chức năng,
có thể lập trình lại được thiết kế để di chuyển vật liệu, bộ phận, công cụ hoặc
thiết bị chuyên dụng thông qua các chuyển động được lập trình khác nhau để
thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau (1985). Định nghĩa robot được Mikell
P.Groover, một nhà nghiên cứu hàng đầu trong lĩnh vực robot, mở rộng hơn như
sau: “Robot công nghiệp là những máy, thiết bị tổng hợp hoạt động theo chương
trình có những đặc điểm nhất định tương tự như con người”. Định nghĩa của
M.P.Groover về robot không chỉ dừng lại ở cánh tay máy mà còn mở rộng ra cho
nhiều đối tượng khác có đặc tính tương tự con người như là suy nghĩ, có khả
năng đưa ra quyết định và có thể nhìn thấy cảm nhận được đặc điểm của vật hay

đối tượng mà nó phải thao tác hoặc xử lý.
Theo Artobolevski I.I., Vorobiov M.V và các nhà nghiên cứu thuộc
trường phái khối Liên Xơ cũ trước đây thì phát biểu rằng: “Robot công nghiệp là
những máy hoạt động tự động được điều khiển theo chương trình để thực hiện
việc thay đổi vị trí của những đối tượng khác nhau nhằm mục đích tự động hóa
q trình sản xuất”.

Hình 1.8. Kết cấu Robot
Mỗi định nghĩa đều có một góc nhìn khác nhau vể robot nhưng đều có
điểm chung về “điều khiển theo chương trình”. Đặc điểm này của robot được
thực hiện nhờ sự ra đời của những bộ vi xử lý và các vi mạch tích hợp chuyên
dùng trong những năm 1970. Không lâu sau khi xuất hiện robot được điều khiển
theo chương trình, người ta đã thực hiện được những robot tự hành. Hơn nữa, với
7


những bước phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử và tin học, hiện nay
người ta đã sáng tạo nhiều robot cảm xúc và có khả năng xử lý thơng tin. Do đó
định nghĩa robot cũng có những thay đổi bổ sung. Nhật Bản hiện nay là nước có
số lượng robot dùng trong sản xuất công nghiệp nhiều nhất thế giới, khoảng hơn
70% trong tổng số chừng 300.000 robot cơng nghiệp trên tồn thế giới. Người
Nhật có quan niệm dễ dãi hơn về robot: theo họ “robot là bất cứ thiết bị nào có
thể thay thế cho lao động của con người”. Trong công nghiệp Nhật Bản, những
robot hay tay máy được điều khiển bằng cam cũng được liệt vào hàng ngũ robot.
Theo đó, Hiệp Hội robot Cơng nghiệp Nhật Bản (JIRA - Japan Industrial Robot
Association) đã phân loại robot thành sáu hạng, từ những tay máy do con người
trực tiếp điều khiển từng động tác đến những robot thơng minh được trang bị trí
tuệ nhân tạo (theo Schlussel, 1985). Những robot hay tay máy dùng các cơ cấu
cam trong hệ thống điều khiển có được thừa nhận hay không là không quan
trọng, điều quan trọng là chúng đã đóng vai trị đáng kể trong việc tự động hố

sản xuất ở các nhà máy. Những robot, tay máy nói trên cịn được gọi một cách
hình tượng là “tự động hoá cứng”, ngược lại với “tự động hoá linh hoạt”, mà đại
diện của chúng là những robot công nghiệp được điều khiển bằng chương trình,
thay đổi được nhiệm vụ thao tác đặt ra một cách nhanh chóng. Một số nhà khoa
học hàng đầu trong lĩnh vực robot của Nhật Bản đưa ra những định nghĩa về
robot dưới dạng những yêu cầu
Theo Giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học Tổng hợp Tokyo) thì một robot
cơng nghiệp phải thoả mãn yếu tố sau:
-

Có khả năng thay đổi chuyển động

-

Có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác

-

Có số bậc chuyển động (bậc tự do) cao

-

Có khả năng thích nghi với mơi trường hoạt động

Có khả năng hoạt động tương hỗ với đối tượng bên ngồi
Theo Giáo sư Masahiro Mori (Viện cơng nghệ Tokyo) thì robot cơng
nghiệp phải có các đặc điểm sau:
-

-

Có khả năng thay đổi chuyển động

-

Có khả năng xử lý thơng tin (biết suy nghĩ)

-

Có tính vạn năng

- Có những đặc điểm của người và máy.
Từ những khác biệt trong định nghĩa về robot, căn cứ vào tính linh hoạt của
những hệ thống sản xuất có áp dụng robot P.J.McKerrow, một nhà nghiên cứu về
robot của Úc đã đưa ra một định nghĩa ở một góc độ khác. Theo ơng, robot là
một loại máy có thể lập trình để thực hiện những công việc đa dạng tương tự như
8


một máy tính, là một mạch điện tử có thể lập trình để thực hiện những cơng việc
đa dạng. Các robot đóng góp vào sự phát triển cơng nghiệp dưới nhiều dạng khác
nhau; tiết kiệm sức người, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng sản
phẩm và an toàn lao động và giải phóng con người khỏi những cơng việc cực
nhọc và tẻ nhạt. Tất nhiên, trong tương lai còn nhiều vấn đề nảy sinh khi robot
ngày càng thay thế các hoạt động của con người, nhưng trong việc đem lại lợi ích
cho con người, khám phá vũ trụ, và khai thác các nguồn lợi đại dương, robot đã
thực sự làm cho cuộc sống của chúng ta tốt đẹp hơn. Trước khi đi vào phân tích
những nội dung tiếp theo, để bạn đọc có sự nhận dạng một cách thống nhất trong
quá trình khảo sát, dưới đây sẽ trình bày một số phương pháp phân loại robot sử
dụng trong công nghiệp.

Việc sử dụng từ robot phát sinh đầu tiên từ kịch bản sân khấu năm 1921
R.U.R. (Rô bốt vũ trụ Rossum) được viết bởi nhà viết kịch người Séc Karel
Capek. Bây giờ, chưa đầy 100 năm sau, robot là một phần không thể thiếu trong
nền kinh tế hiện đại. Chúng được sử dụng trong các nhà máy công nghiệp, trong
quân đội, trong thám hiểm không gian và đại dương, trong y học và một số ứng
dụng trong lĩnh vực tiêu dùng. Trong tương lai, robot sẽ tiếp tục trở thành một
phần lớn hơn và lớn hơn trong trải nghiệm của con người, giúp cuộc sống của
con người an toàn và dễ dàng hơn.
1.1.3. Phân loại Robot
Có nhiều cách phân loại robot theo cách tiếp cận như phân loại theo dạng
hình học của khơng gian hoạt động, phân loại theo nguồn dẫn động, phân loại
theo bộ điều khiển, phân loại theo thế hệ, phân loại theo số bậc tự do, v.v.
Đối với cách phân loại theo cấu trúc động học, các robot thường được chia
thành hai loại chính: nối tiếp và song song. Trong một robot nối tiếp, vị trí của bộ
phận thao tác, một phần của robot tương tác với môi trường, được xác định bởi
một loạt các liên kết tạo nên cấu trúc hoạt động của con người (giống như cánh
tay). Hình 1 cho thấy một vài ví dụ về các trình thao tác nối tiếp.

9


Hình 1.9 Ví dụ về robot dạng chuỗi (Cánh tay robot, SCARA
và giàn thao tác)
Trong các robot song song, vị trí của bộ phận đầu cuối được xác định bởi
nhiều cánh tay làm việc cùng một lúc (song song). Hình 1.10 cho thấy một vài ví
dụ về các trình thao tác song song.

Hình 1.10 Ví dụ về robot song song (3RRR, robot Delta, robot
Stewart-Gough)
Robot song song là robot có cấu trúc vịng kín trong đó các khâu được nối

với nhau bằng các khớp động. Trong robot song song, khâu thao tác được nối với
giá cố định bởi một số mạch động học, tức là nối song song với nhau và cũng
hoạt động song song với nhau liên kết với các nguồn lực phát động dạng quay
hoặc tịnh tiến. So với các robot có dạng nối tiếp, robot song song có độ chính xác
động học cao hơn, trọng lượng nhẹ hơn, độ cứng vững chịu tải lớn hơn, khả
năng ổn định tốt hơn. Tuy nhiên robot song song cũng có một số hạn chế như
giới hạn không gian làm việc và tồn tại nhiều điểm kì dị phức tạp là hai nhược
điểm chính của các cơ chế robot song song nói chung và song song phẳng nói
riêng. Trong nhiều thập kỷ gần đây, Robot song song đã nhận được nhiều sự chú
10


ý từ các nhà nghiên cứu trong công nghiệp bởi tính ưu việt của nó đối với một số
ứng dụng đang phát triển. Đặc biệt đối với Robot Steward Gough đã nhận được
sự chú ý lớn và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là mô phỏng bay
trong ngành hàng không.
Robot song song phẳng (Planar Parallel Manipulator – PPM) sử dụng
khớp (revolute joint - R) quay hoặc tịnh tiến (prismatic joint - P) hoặc kết hợp
quay và tịnh tiến tạo ra nhiều cấu hình của robot song song phẳng RRR, RPR,
RRP, RPP, PRR, PPR, PRP và PPP, phổ biến nhất là RRR và PPP.

Hình 1.11 Các cấu hình của robot song song phẳng
Dù ở các cấu hình nào thì robot song song phẳng cũng có 1 bàn máy động,
3 chân liên kết và mặt bích gá tồn bộ robot. Số bậc tự do (DOF) của robot tính
tốn theo phương trình Gruebler:
DOF = 3(N - 1) - 2J 1 - J 2
= 3(8 - 1) – 2(9) =3
Với:

N là số liên kết

J 1 là số khớp quay với 1 bậc tự do
J 2 là số khớp với 2 bậc tự do
Số chuỗi song song bằng số bậc tự do của robot

Hiện nay cũng đã xuất hiện một số hình thái robot song song phẳng mới
như NaVaRo robot có thể kết hợp xoay và tịnh tiến ở khâu thứ nhất và cuối ở các
chuỗi động học. Tuy nhiên robot này đòi hỏi sự phức tạp về điều khiển cũng như
thiết bị do phải sử dụng ly hợp ở các khớp nối để khóa chuyển động.

11


Hình 1.12 Robot NaVaRo
Từ cấu trúc robot, số vịng lặp không độc lập (loop) theo các khớp và số liên
kết của cơ cấu như sau:
l = J – N +1 = 9 – 8 + 1 = 2

Hình 1.13 Cấu hình sơ bộ robot song song phẳng 3-RRR
Như vậy sẽ có 3 chuỗi liên kết được mơ tả như hình 1.13 bao gồm loop-1,
loop-2, loop-3.
1.2. Các thiết bị, linh kiện điện, điện tử được sử dụng cho robot 3RRR
1.2.1. Động cơ Hybrid
Động cơ Servo thường là động cơ AC hoặc DC cùng bộ phản hồi vị trí có
thể hoạt động trực tiếp hoặc qua bộ giảm tốc để tăng moment đầu ra. Cơ cấu hồi
12


tiếp của động cơ Servo là bộ mã hóa vị trí, cũng có nhiêu loại Servo đơn giản sử
dụng chiết áp để phản hồi góc quay nhưng nhược điểm của dịng Servo sử dụng
chiết áp là khơng thể quay tồn vòng.

Động cơ Hybrid Servo thực chất là động cơ bước và tín hiệu phản hồi của
encoder (incremental encoder) thường được bố trí ở phần đi động cơ để phản
hồi vị trí vịng kín đảm bảo được đầu ra đạt được hiệu quả mong muốn. Động cơ
bước (Step Motor) là một loại động cơ đồng bộ được điều khiển bằng tín hiệu
xung rời rạc liên tiếp nhau để tạo thành chuyển động quay. Số bước cần thiết để
hồn thành 1 vịng quay của động cơ bước phụ thuộc vào số răng, số cặp cực, và
cách thức điêu khiển của động cơ. Tuy động cơ bước có khả năng quay với độ
chính xác cao nhưng cũng có những nhược điểm nhất định. Động cơ Hybrid
Servo vừa tận dụng được ưu điểm của động cơ bước cũng như ưu điểm của động
cơ Servo, có khả năng quay với độ chính xác cao, có bộ phản hồi về vị trí, tốc độ,
khả năng bù xung cho các trường hợp có sai số vị trí do trượt bước.

Hình 1.14 Hình ảnh động cơ Hybrid Servo 57HSE3N cùng
driver HBS57

Hình 1.15 Đường đặc tính moment xoắn – tốc độ của động cơ
13


Động cơ sử dụng cho robot song song phẳng 3-RRR trong đề tài này sử
dụng động sơ Hybrid Servo 57HSE3N có trục 8mm, moment xoắn lớn nhất
3N.m, cùng bộ điều khiển (Driver) Leadshine HSB57 với công nghệ kỹ thuật số
DSP 32bit mới giúp cho động cơ hoạt động tốc độ, độ chính xác cao và tiếng ồn
thấp hơn 40% so với mạch điều khiển thông thường, vi bước điểu khiển có thể
cài đặt từ 800 – 51200 bước, tín hiệu xung sử dụng optocoupler giữa bộ điều
khiển và tín hiệu đầu vào nên có thể nhận tín hiệu 3,3V/5V/12V khơng cần điện
trở.

Hình 1.16 Đường đặc tính của động cơ khi chạy ở 2 chế độ
khơng phản hồi và có phản hồi

Bằng số liệu đo thực tế có thể thấy điều khiển phản hồi vịng kín cho
moment lớn hơn và có sự ổn định hơn. Khi tiến hành cho robot chạy thử một số
quỹ đạo với điểu khiển phản hồi vòng kín, robot có độ bám quỹ đạo tốt và ổn
định hơn. Đối với một số trường hợp kỳ dị gây giằng co giữa các khâu gây trượt
bước, driver cho phép hệ thống ngắt truyền động ngay mà không cần interupt từ
vi xử lý.
1.2.2. Absolute Encoder
Mặc dù có động cơ Hybrid Servo đã có Encoder nhưng đây là Incremental
Encoder vì vậy khơng thể biết được vị trí chính xác khi khơng có vị trí ban đầu
trong các trường hợp robot khởi động khi bàn máy khơng ở vị trí gốc (do mất
điện, va chạm, tác động của con người, v.v). Vì vậy Absolute Encoder được bổ
sung cho mơ hình robot song song phẳng 3-RRR này nhằm xác định vị trí tuyệt
đối hiện tại nhằm đưa vị trí bàn máy về tọa độ gốc, hoặc tiếp tục tiến trình bị
ngắt.

14


Hình 1.17 Hình ảnh Absolute Encoder Autonic EP50S-81024-3-R-P-24
Absolute
Encoder được chọn là EP50S-8-1024-3-R-P-24 của hãng
Autonic, với thông số kỹ thuật cụ thể là: đường kính trục 8mm, 10 bit dạng gray
code, chiều dương ngược chiều kim đồng hồ, đầu ra PNP và điện áp sử dụng 24
V. Thiết bị có 13 đầu ra gồm VCC, 0V, GND và 10 output cho 10 bit thay vì sử
dụng các phương thức truyền dữ liệu khác như SPI, RS-485, v.v, vì vậy vi xử lý
có thể nhận được tín hiệu đầu vào tức thời.

Hình 1.18 Biểu đồ xung tín hiệu 10-bit Graycode
Absolute Encoder quay đồng bộ với động cơ qua bộ truyền động đai răng
có tỷ số truyền 1:1. Với 10 bit, Encoder có độ phân giải 360 / 210 = 0.3515o ±

15’.
1.2.3. Bộ vi điều khiển
Kit STM32F4 DISCOVERY được sử dụng cho robot do tính chất phổ
biến, sự hỗ trợ của hãng, cộng đồng về thư viện, phầm mềm, v.v cũng như để
đảm bảo số lượng chân kết nối với các Driver và Encoder.
Dòng ARM Cortex KIT STM32F4 DISCOVERY là một bộ xử lí thế hệ
mới đua ra một kiến trúc chuẩn cho nhu cầu đa dạng về công nghệ. Không giống
nhu các chip ARM khác, dịng Cortex là một lõi xử lí hoàn thiện, dua ra một
chuẩn CPU và kiến trúc hệ thống chung.
15


Hình 1.19 Hình ảnh và chức năng các chân KIT STM32F4
Dịng Cortex KIT STM32F4 DISCOVERY gồm có 3 phân nhánh chính:
dịng A dành cho các ứng dụng cao cấp, dịng R dành cho các ứng dụng thời gian
thực như các đầu đọc và dòng M dành cho các ứng dụng vi điều khiển và chi phí
thấp. STM32 đuợc thiết kế dựa trên dòng Cortex-M3, dòng Cortex-M3 hiệu suất
hệ thống, kết hợp với tiêu thụ nang luợng thấp, CortexM3 đuợc thiết kế trên nền
kiến trúc mới, do đó chi phí sản xuất đủ thấp để cạnh tranh với các dòng vi điều
khiển 8 và 16-bit truyền thống. Các chip ARM7 và ARM9 đuợc các nhà sản xuất
bán dẫn thiết kế với giải pháp riêng của mình, đặc biệt là phần xử lí các các ngắt
đặc biệt (exception) và các ngắt thơng thuờng (interrupt). Cortex-M3 đưa ra một
lõi vi điều khiển chuẩn nhằm cung cấp phần tổng quát, quan trọng nhất của một
vi điều khiển, bao gồm hệ thống ngắt (interrupt system), SysTick timer (đuợc
thiết kế cho hệ điều hành thời gian thực), hệ thống kiểm lỗi (debug system) và
memory map. Không gian địa chỉ 4Gbyte của Cortex-M3 đuợc chia thành các
vùng cho mã chương trình, SRAM, ngoại vi và ngoại vi hệ thống. Không giống
với ARM7 đuợc thiết kế theo kiến trúc Von Neumann (bộ nhớ chương trình và
bộ nhớ dữ liệu chung với nhau), Cortex-M3 đuợc thiết kế dựa theo kiến trúc
Harvard (bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu tách biệt với nhau), và có nhiều

bus cho phép thực hiện các thao tác song song với nhau, do đó làm tăng hiệu suất
của chip. Khơng giống với các kiến trúc ARM truớc đó, dịng Cortex cho phép
truy cập dữ liệu khơng xếp hàng (unaligned data, vì chip ARM là kiến trúc 32bit,
do đó tất cả các dữ liệu hoặc mã chương trình đều đuợc sắp xếp khít với vùng bộ
nhớ là bội số của 4byte). Ðặc điểm này cho phép sử dụng hiệu quả SRAM nội.
Dòng Cortex còn hỗ trợ việc đặt và xoá các bit bên trong hai vùng 1Mbyte của
16