Thiết kế mô hình robot SCARA Bao cao đồ án tốt nghiệp chuyên ngành tự động hóa BKHN (6) Vol 2

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mơ hình robot SCARA do
nhóm em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Ths.Nguyễn Danh Huy. Các số
liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế. Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng
những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử
dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép em xin hồn tồn chịu
trách nhiệm

Hà Nội, ngày

tháng

năm 2018

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Thắng


MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH VẼ ............................................................................................ 1
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ....................................................................................... 1
LỜI NĨI ĐẦU ............................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1................................................................................................................ 2
TÌM HIỂU VỀ ROBOT .............................................................................................. 2
1.1. Lịch sử phát triển robot ....................................................................................2
1.2. Một số khái niệm định nghĩa về Robot .............................................................3
1.3. Phân loại Robot ................................................................................................4
1.4. Ứng dụng của robot công nghiệp ......................................................................6
1.5. Robot SCARA .................................................................................................7
CHƯƠNG 2................................................................................................................ 9

TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO ROBOT SCARA ...................... 9
2.1. Động học robot ................................................................................................9
2.1.1. Động học thuận robot ................................................................................9
2.1.2. Động học ngược robot ............................................................................. 10
2.2. Động lực học robot......................................................................................... 11
2.2.1. Phương trình động lực học robot.............................................................. 12
2.3. Câu trúc tổng quan hệ điều khiển robot .......................................................... 15
2.3.1. Hệ thống điều khiển độc lập các khớp...................................................... 16
2.3.2. Hệ thống điều khiển tập trung .................................................................. 18
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ VÀ
VỊ TRÍ DÙNG VI ĐIỀU KHIỂN .............................................................................. 22
3.1. Tổng hợp mạch vịng dịng điện và mơ hình hóa ............................................. 22
3.2. Thiết kế mạch vòng tốc độ ............................................................................. 26
3.2.1. Yêu cầu điều khiển .................................................................................. 26
3.2.2. Các phương án đo và điều khiển .............................................................. 26


3.2.3. Mơ hình hóa và thiết kế bộ điều khiển cho mạch vòng tốc độ .................. 29
3.3. Thiết kế mạch vịng vị trí................................................................................ 32
3.3.1. u cầu điều khiển .................................................................................. 32
3.3.2. Các phương án đo và điều khiển .............................................................. 32
3.3.3. Mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển số cho mạch vịng vị trí ................ 34
CHƯƠNG 4.............................................................................................................. 39
THIẾT KẾ GHÉP NỐI HỆ ĐIỀU KHIỂN CHO MƠ HÌNH ROBOT SCARA ........ 39
4.1. Yêu cầu điều khiển ......................................................................................... 39
4.1.1. Phương trình động học robot SCARA...................................................... 39
4.1.2. Động học ngược của Robot SCARA ........................................................ 41
4.1.3. Phương án thực hiện điều khiển ............................................................... 42
4.2. Thiết kế hệ điều khiển .................................................................................... 42
4.2.1. Chọn động cơ .......................................................................................... 44

4.2.2. Chọn vi điều khiển .................................................................................. 45
4.2.3. Xây dựng mạch vịng điều khiển tốc độ và vị trí bằng vi điều khiển
STM32F407 ................................................................................................................. 46
4.3. Lắp ráp, hiệu chỉnh và thử nghiệm.................................................................. 48
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 54


Danh sách hình vẽ

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Lịch sử phát triển Robot ........................................................................................... 2
Hình 1.2 Robot Scara ............................................................................................................ 7
Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ở không gian khớp ................................................ 15
Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển khơng gian làm việc .............................................. 16
Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi........................................................................ 16
Hình 2.4 Hệ thống điều khiển tiền định ................................................................................ 17
Hình 2.5 : Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển phản hồi ...................................................... 18
Hình 2.6 Sơ đồ điều khiển với cấu trúc PD ........................................................................... 18
Hình 2.7 Sơ đồ điều khiển với cấu trúc PD có tín hiệu đặt tốc độ .......................................... 19
Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiền momen tính tốn.............................................. 20
Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển động cơ một chiều tổng qt ....................................................... 22
Hình 3.2 Sơ đồ mạch vịng điều chỉnh dịng điện .................................................................. 22
Hình 3.3 Sơ đồ thu gọn của vịng điều chỉnh dịng điện ........................................................ 23
Hình 3.4 Mơ hình mạch vịng dịng điện ............................................................................... 25
Hình 3.5 Đáp ứng đầu ra vịng dịng điện.............................................................................. 25
Hình 3.6 Cấu tạo của máy phát một chiều ............................................................................. 26
Hình 3.7 Sơ đồ hoạt động đĩa quang mã hóa ......................................................................... 27
Hình 3.8 Sơ đồ thu phát Encoder tương đối .......................................................................... 27
Hình 3.9 Sơ đồ thu phát Encoder tuyệt đối............................................................................ 28
Hình 3.10: Sơ đầu cấu trúc mạch vịng tốc độ ....................................................................... 29

Hình 3.11 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ dạng đơn giản ................................................... 29
Hình 3.12 Mạch vịng tốc độ trên simulink ........................................................................... 31
Hinh 3.13 Tín hiệu đầu ra của mạch vịng tốc độ khi có tải ................................................... 31
Hình 3.14 Tín hiệu đầu ra của vịng điều chỉnh dịng điện khi có tải ..................................... 32
Hình 3.15 Cơng tắc hành trình trong thực tế ......................................................................... 33
Hình 3.16 Tổng hợp mach vịng điều khiển vị trí .................................................................. 34
Hình 3.17: Sơ đồ cấu trúc mạch vịng vị trí ........................................................................... 34
Hình 3.18: Sơ đồ mạch vịng điều khiển đơn giản ................................................................. 35
Hình 3.19 Mạch vịng vị trí trên simulink ............................................................................. 37
Hình 3.20: Đáp ứng đầu ra của mạch vịng điều khiển vị trí .................................................. 37
Hình 3.21: Đáp ứng đầu ra của mạch vòng điều khiển tốc độ ................................................ 38
Hình 3.22: Đáp ứng đầu ra của mạch vịng điều chỉnh dòng điện .......................................... 38


Danh sách hình vẽ
Hình 4.1 Robot scara ............................................................................................................ 39
Hình 4.2: Mạch lực............................................................................................................... 43
Hình 4.3: Mạch điều khiển ................................................................................................... 44
Hình 4.4: Động cơ một chiều CHP-36GP-555ABHL ............................................................ 45
Hình 4.5: Sơ đồ chân chip stm32f407 ................................................................................... 46
Hình 4.6: KIT STM32F407 .................................................................................................. 46
Hình 4.7 Sơ đồ ghép nối ....................................................................................................... 47
Hình 4.8 Lưu đồ thuật tốn điều khiển tốc độ ....................................................................... 47
Hình 4.9 Lưu đồ thuật tốn điều khiển vị trí ......................................................................... 48
Hình 4.10: Cáp truyền thơng................................................................................................. 48
Hình 4.11: Lắp ráp và chạy thử nghiệm thực tế robot Scara\ ................................................. 49
Hình 4.12: Khớp điều khiển thử nghiệm tốc độ(Khớp xoay và động cơ) ............................... 50
Hình 4.13: Ghép nối Oxilo với chân Encoder trên vi điều khiển để kiểm tra tốc độ ............... 50
Hình 4.14: Kết quả đo được khi đặt tốc độ 45 xung/100ms ................................................... 51
Hình 4.15. Kết quả đo được khi đặt tốc độ 117 xung/100ms ................................................. 51

Hình 4.16. Kết quả đo được khi đặt tốc độ 158 xung/100ms ................................................. 52
Hình 4.17: Khớp thử nghiệm ở vị trí ban đầu ........................................................................ 52
Hình 4.18: Vị trí khớp sau khi điều khiển ............................................................................. 53


Danh sách bảng biểu

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 4.1: Bảng D-H biểu diễn tham số robot SCARA .............................................. 40


Lới nói đầu

LỜI NĨI ĐẦU
Robot cơng nghiêp là lĩnh vực đã được nghiên cứu và phát triển mạnh trên thế
giới mà ở nước ta lĩnh vực này còn nhiều mới mẻ. Ngày nay trong môi trường sản xuất
hiện đại, hầu hết các quy trình được thực hiện bằng các máy chuyên dung. Với các
phương pháp này, đã làm giảm rõ rệt chi phí sản xuất các sản phẩm cơng nghiệp phù
hợp với đa số người tiêu dung. Tuy nhiên mỗi máy công cụ, được thiết kế để thực hiện
nguyên công cho trước, mỗi khi cần thay đổi kiểu mẫu sản phẩm, thì tồn bộ dây
chuyền sản xuất phải được cải tạo lại. Việc sửa đổi đó rất tốn kém. Đây là kiểu tự động
hóa cứng và rất tốn kém.
Do vậy mà trên thế giới người ta đà tìm ra phương pháp sản xuất tiên tiến giúp
cải thiện quá trình sản xuất đó là sử dụng các loại robot để thay thế dây truyền sản xuất
lạc hậu và thay thế cho con người ở những vị trí yêu cầu độ chính xác cực cao hoặc
thực hiện nhiều nguyên công như: chuyển tải vật tư và các thiết bị, hàn điểm, sơn phun
và lắp ráp trong công nghiệp ô tô…Do các cơ cấu hoạt động được điều khiển bằng
máy tính hoặc các bộ vi xử lý, chúng có thể tái lập dễ dàng cho nhiều ngun cơng
khác nhau, do đó khơng cần thay máy móc này khi thay đổi kiểu mẫu sản phẩm. Đây
là kiểu tự động hóa linh hoạt và mang lại hiệu quả kinh tế cao và rất cần thiết trong

hoàn cảnh của nước ta hiện nay đang tiến tới cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa đất
nước.
Robot cơng nghiệp được sử dụng rộng rãi trong các dây truyền sản xuất hiện
đại và có sự linh hoạt cao vì vậy việc nghiên cứu và chế tạo robot là cần thiết. Robot
Scara là một trong những robot được sử dụng phổ biến nhất hiện nay vì tính linh hoạt
của nó. Vì vậy việc nghiên cứu và chế tạo Robot Scara là cần thiết. Với các ý nghĩa đó
trong đồ án tốt nghiệp kỹ sư em đã được thầy Nguyễn Danh Huy giao cho đề tài thiết
kế hệ thống điều khiển robot SCARA.
Em xin chân thành cảm ơn thầy đã tạo điều kiện thuận lợi và hướng dẫn chỉ bảo
tận tình để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

1


Chương 1: Tìm hiểu về robot

CHƯƠNG 1
TÌM HIỂU VỀ ROBOT
1.1. Lịch sử phát triển robot

Hình 1.1 Lịch sử phát triển Robot
Nhìn ngược dịng thời gian chúng ta có thể nhận thấy rằng từ “Robot” đã xuất
hiện từ khá lâu. Năm 1921 nhà viết kịch Karelcapek người Séc đã viết một vở kịch
với tựa đề R.U.R(Rossums Universal Robot) mô tả về một cuộc nổi loạn của những cỗ
máy phục dịch.
Từ “Robot” ở đây có nghĩa là những máy móc biết làm việc như con người. Có
lẽ đó cũng là một gợi ý cho những nhà sáng chế kỹ thuật thực hiện các mơ ước về
những cỗ máy bắt chước được các thao tác lao động cơ bắp của con người.
Thời gian sau đó các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperator) ra đời và ngày một
phát triển hoàn thiện. Teleoperator là những cơ cấu phỏng sinh học, nó bao gồm các

khâu, các khớp cùng với các dây chằng gắn liền với hệ điều hành là cánh tay của
người điều khiển thông qua các cơ cấu khuếch đại cơ khí.
Teleoperator có thể cầm nắm, nâng hạ, dịch chuyển, xoay lật các đối tượng
trong một không gian hoạt động nhất định. Tuy rằng các thao tác khá tinh vi, khéo léo
nhưng tốc độ hoạt động chậm, lực tác dụng hạn chế và hệ điều khiển chỉ thuần tuý là
cơ khí.
2


Chương 1: Tìm hiểu về robot

Từ thập kỷ 50, sự phát triển đầy hứa hẹn của kỹ thuật điều khiển theo chương
trình số cứng và ngành vật liệu mới đã làm chỗ dựa vững chắc cho sự ra đời của các cơ
cấu điều khiển vô cấp (servo mechanism) và các hệ điện toán (computation).
Ngay lập tức ý tưởng kết hợp hệ điều khiển NC (Numerical control) với các cơ
cấu điều khiển từ xa (Teleoperator) được hình thành và triển khai nghiên cứu. Sự
phối hợp tuyệt vời giữa khả năng linh hoạt khéo léo của Teleoperator với độ thông
minh nhạy bén của hệ điều khiển NC đã đưa ra kết quả là một hệ máy móc tự động
cao cấp với tên gọi “Robot”.
Năm 1961 người máy công nghiệp (IR- industrial Robot) đầu tiên được đưa ra
thị trường. Tiếp theo đó các nước khác cũng bắt đầu sản xuất robot công nghiệp theo
bản quyền của Mỹ, Anh (1967), Thụy Điển, Nhật (1968), Đức (1971) . . .
Ngày nay, trên thế giới có khoảng 200 cơng ty sản xuất IR, trong đó ở Nhật có
70, ở các nước Tây âu có 90, ở Mỹ có 30. Nhờ áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoa học
kỹ thuật về vi xử lý, tin học cũng như vật liệu mới nên số lượng robot công nghiệp đã
tăng lên nhanh chóng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều cải tiến.
Robot cơng nghiệp phát huy thế mạnh ở những lĩnh vực như hàn hồ quang, đúc,
lắp ráp, sơn phủ, và trong các hệ thống tự động điều khiển liên hợp.

1.2. Một số khái niệm định nghĩa về Robot

Định nghĩa theo từ điển New World College:
“Robot là một kết cấu cơ khí có hình dạng bất kì, được xây dựng để thực hiện
những cơng việc bằng tay cho con người”.
Định nghĩa theo hiệp hội robot công nghiệp nhật bản:
“Robot là một máy, cơ cấu thường gồm một số phân đoạn được nối với đoạn
khác bằng khớp quay hay khớp trượt nhằm mục đích để gắp hay để di chuyển các đối
tượng, thường có một số bậc tự do. Nó có thể được điều khiển bởi một nguồn kích
hoạt, một hệ điều khiển điện tử có thể lập trình được hay một hệ thống logic nào đó”.
Định nghĩa theo chuẩn AFNOR (Pháp):
“Robot là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương trình hóa, lặp lại các
chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trong các trục tọa độ, có khả năng
định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất( chi tiết. dụng cụ gá lắp…) theo
những hành trình thay đổi đã dược chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ

3


Chương 1: Tìm hiểu về robot

cơng nghệ khác nhau”.
Định nghĩa theo hiệp hội robot công nghiệp Hoa Kỳ:
“Robot là một tay máy nhiều chức năng có thể lập trình, được thiết kế để di
chuyển vật liệu, các phần tử, linh kiện, các dụng cụ và các thiết bị đặc biệt thơng qua
việc thay đổi các chương trình hoạt động đã được lập để thực hiện các tác vụ khác
nhau”.
Định nghĩa theo hiệp hội robot Anh:
“Robot công nghiệp là một thiết bị có thể lập trình lại được thiết kế để thực
hiện hai nhieemh vụ cầm nắm và vận chuyển các phần tử linh kiện, các dụng cụ hoặc
các công cụ chế tạo đặc biệt thông qua thay đổi các chương trinh hoạt động đã được
lập để thực hiện các tác vụ gia công khác nhau”.

Định nghĩa theo GOST (Nga):
“Robot là một tay máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển
chương trinh hóa, thực hiện một chu trình cơng nghệ một cách chủ động với sự điều
khiển có thể thay thế những chức năng tương tự của con người”.
Các định nghĩa trên rất khác nhau giúp ta thấy được một ý nghĩa quan trọng là
riêng một mình robot khơng thể làm nên cuộc cách mạng tự động hố cơng nghiệp. Nó
phải được liên hệ chặt chẽ với máy móc và các thiết bị tự động khác trong một hệ
thống liên hồn.
Vì vậy trong q trình phân tích thiết kế phải xem robot là một đơn vị cấu trúc
của “Hệ thống tự động linh hoạt robot hố”.
Theo đó robot phải đảm bảo có:
- Thủ pháp cầm nắm chuyển đổi tối ưu.
- Trình độ hành nghề khơn khéo linh hoạt.
- Kết cấu phải tuân theo nguyên tắc mơđun hố.

1.3. Phân loại Robot
Việc phân nhóm, phân loại robot có thể dựa trên những cơ sở kĩ thuật khác
nhau. Dưới đây là một số cách phân loại chủ yếu:
Phân loại theo số bậc tự do:
Một cách lí tưởng, một robot có 6 bậc tự do khi cầm nắm được một đối tượng
tự do trong không gian ba chiều. Từ quan điểm này, chúng ta gọi một robot là robot

4


Chương 1: Tìm hiểu về robot

tổng quát ( General Purpose Robot) nếu nó có 6 bậc tự do, nếu có nhiều hơn 6 bậc tự
do thì gọi là robot dư ( Redundant Robot) và gọi là robot thiếu nếu nó có ít hơn 6 bậc
tự do.

Phân loại robot theo cấu trúc động học:
Một robot được gọi là robot chuỗi hở nếu cấu trúc động học của chúng có dạng
một chuỗi động hở, gọi là robot song song nếu cấu trúc động học của chúng có dạng
một chuỗi đóng và gọi là robot hỗn hợp nếu nó bao gồm cả hai loại chuỗi hở và đóng.
Nhìn nhận một cách tổng qt thì robot song song có nhiều ưu điểm như khả
năng tải cao hơn nhưng không gian làm việc nhỏ và cấu trúc phức tạp.
Phân loại theo hệ thống truyền động:
Hệ truyền động gián tiếp: các cơ cấu chấp hành được nối với các nguồn động
lực thông qua các bộ truyền động cơ khí thường gặp như hệ thống bánh rang thường,
hệ bánh răng hành tinh, hệ bánh răng song, dây đai, bộ truyền xích…
Nhược điểm của hệ này là bị mịn tạo khe hở động học dẫn đến tính phi tuyến
và hiệu ứng trễ ngày càng cao hơn. Mặt khác hiệu suất sẽ giảm do tiêu hao công suất
trên bộ truyền.
Hệ truyền động trực tiếp:
Các cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp với nguồn động lực, do đó kết cấu sẽ
gọn nhẹ và hạn chế, loại bỏ được những nhược điểm của truyền động gián tiếp.
Mặt khác những khó khan đặt ra là cần thiết kế chế tạo các động cơ có số vịng
quay thích hợp và cho phép điều khiển vô cấp trên một dải rộng.
Phân loại theo phương pháp điều khiển:
Dựa vào tính chất đặc trưng của quĩ đạo điều khiển của qui tắc điều khiển cơ
bản:
- Điều khiển điểm.
- Điều khiển quĩ đạo liên tục.
- Điều khiển nhận dạng.
- Điều khiển thích nghi.
Phân loại theo độ chính xác: trong hoạt động của robot cần phân biệt độ chính
xác tuyệt đối và độ chính xác lặp lại để đánh giá mức độ tin cật trong một chu kì làm
việc đơn lẻ và trong một quá trình làm việc lâu dài.

5

Chương 1: Tìm hiểu về robot

Mặt khác, để đánh giá trên một miền kích thước hay một phạm vi chứ năng
rộng hơn, người ta cịn đưa ra độ chính xác phân giải để đánh giá mức độ chính xác
trong các miền phân giải khác nhau.

1.4. Ứng dụng của robot công nghiệp
Một đặc điểm quan trọng của robot công nghiệp là chúng cho phép dễ dàng kết
hợp những việc phụ và chính của một q trình sản xuất thành một dây chuyền tự
động. So với các phương tiện tự động hoá khác, các dây chuyền tự động dùng robot có
nhiều ưu điểm hơn như dễ dàng thay đổi chương trình làm việc, có khả năng tạo ra dây
chuyền tự động từ các máy vạn năng, và có thể tự động hố toàn phần.
Khi sử dụng robot vào các dây chuyền tự động, khâu chuẩn bị kỹ thuật được rút
ngắn đi. Trong khi đó với thời gian từ lúc quyết định phương án đến lúc thiết kế xong
một dây chuyền các máy tự động, một mặt hàng hoặc quy trình cơng nghệ đó đã có thể
trở thành lạc hậu rồi.
Theo số liệu của các chuyên gia Mỹ nghiên cứu về vấn đề này khi khảo sát
trên 70 đề án thiết kế thì với quá nửa số đó là phương án dùng các máy tự động chuyên
dụng phải tốn hơn một năm. Vì thế, phương án dùng robot Unimate với các máy tự
động vạn năng được đưa vào sử dụng và phát huy hiệu quả to lớn.
Robot cơng nghiệp có thể thực hiện được qui trình thao tác hợp lí bằng hoặc
hơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc. Vì thế robot
cơng nghiệp có thể góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản
phẩm.
Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng robot là giảm được đáng kể chi
phí cho người lao động. Việc áp dụng robot có thể làm tang năng suất dây chuyền
cơng nghệ. Sở dĩ như vậy vì nếu tang nhịp độ khẩn trương của dây chuyền sản xuất,
nếu khơng thay thế con người bằng robot thì người thợ khơng thể theo kịp hoặc rất

chóng mệt mỏi.
Robot có thể cái thiện điều kiện lao động. Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà chúng
ta cần lưu tâm. Vì trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao động phải làm việc
trong mơi trường có hại cho sức khỏe hoặc dễ xảy ra tai nạn lao động.

6


Chương 1: Tìm hiểu về robot

1.5. Robot SCARA
Robot Scara là một trong những robot phổ biến nhất trong công nghiệp. Chuyển
động của robot này rất đơn giản nhưng lại phù hợp với các dây chuyền và ứng dụng
hữu hiệu trong nhiệm vụ nhặt và đặt sản phẩm. Robot Scara(Selectively Compliant
Articulated Robot Arm) có nghĩa là tay máy lắp ráp chọn lọc.
Cấu trúc động học loại tay máy này thuộc hệ phỏng sinh, có các trục quay, các
khớp đều là thẳng đứng. Nó có cấu tạo hai khớp ở cánh tay, một khớp ở cổ tay và một
khớp tịnh tiến. Các khớp quay hoạt động nhờ động cơ điện có phản hồi vị trí. Khớp
tịnh tiến hoạt động nhờ xi-lanh khí nén, trục vít hoặc thanh răng.

Hình 1.2 Robot Scara
Mơ hình robot scara tại phịng thí nghiệm
Robot scara tại phịng thí nghiệm là robot serpent với tình trang hiện tại:
-

Phần kết cấu cơ khi gần như hỏng hoàn toàn và rỉ sét

-

Phần mạch điều khiển hỏng hoàn toàn và phải thay thế

-

Robot khơng thể hoạt động được

- Có thể tận dụng được phần khung của robot.
Mục tiêu:
Với những điều kiện thực tế như vậy nên nhiệm vụ được giao của nhóm đồ án
là:
- Bảo dưỡng và phục hồi lại phần cơ khí của robot.
- Thay thế động cơ truyền động.

7


Chương 1: Tìm hiểu về robot

- Thiết kế và xây dựng lại các mạch điều khiển tốc độ và vị trí cho từng khớp
theo phương pháp điều khiển số có sử dụng vi điều khiển để phục vụ điều
khiển thử nghiệm và từ đó có thể tiếp tục xây dựng hệ điều khiển số cho
robot.

8


Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara

CHƯƠNG 2
TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO ROBOT
SCARA

2.1. Động học robot
2.1.1. Động học thuận robot
Trong bài toán động học thuận: Cho một vector gồm các biến khớp của robot
công nghiệp, ta đi xác đinh hướng của bàn kẹp trong hệ tọa độ gắn với giá đỡ của
robot.
Cơ cấu chấp hành của robot thường là một cơ cấu hở, gồm một chuỗi các khâu
nối với nhau bằng các khớp. Để robot có thể thao tác linh hoạt, cơ cấu chấp hành của
nó phải cấu tạo sao cho khâu cuối cùng đảm bảo dễ dàng di chuyển theo một quĩ đạo
nào đó, đồng thời khâu này có một định hướng nhất định theo yêu cầu. Khâu cuối
cùng thường là bàn kẹp hoặc là khâu gắp liền với dụng cụ làm việc. Điểm tác động
cuối là điểm đáng quan tâm nhất, ta cần quan tâm đến vị trí của điểm tác động cuối và
hướng của khâu cuối trong không gian làm việc của robot.
Gắn vào điểm tác động cuối một hệ tọa đố động thứ n, gắn với mỗi khâu động
một hệ tọa độ khác và gắn lên giá đỡ một hệ tọa độ cố định. Đánh số kí hiệu các hệ
này từ 0 đến n bắt đầu từ giá cố định. Khi khảo sát chuyển động của robot cần biết
định vị của điểm tác động cuối và định hướng của khâu cuối trong mọi thời điểm.
Nhiều khi lại cần biết cả vận tốc và gia tốc của điểm tác động cuối cũng như các điểm
khác của robot. Đây là nội dung quan trọng của bài toán động học robot, chúng được
xây dựng trên cơ sở thiết lập các mối quan hệ tọa độ động nói trên so với hệ tọa độ cố
định.
Với n là số hiệu chỉ hệ tọa độ gắn liền với khâu làm việc.
0

Tn=0H1. 0H2. 2H3…n-1Hn=TE

(2.1)

Ta có ma trận chỉ hướng và vị trí của khâu tác động cuối được viết như sau:
TE =

(2.2)
0

0

9

0

1


Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara

Bài tốn động học thuận là bài tốn tìm tham số nx, ny, nz, ax, ay, az, px, py, pz
theo các biến khớp. Từ (2.1) 0Tn = TE ta tìm được nx, ny, nz, ax, ay, az, px, py, pz theo
các biến khớp bằng cách so sánh các phần tử của hai ma trận tương ứng 0Tn và TE.
2.1.2. Động học ngược robot
Bài toán động học ngược robot được đặc biệt quan tâm vì lời giải của nó là cơ
sở chủ yếu để xay dựng chương trình điều khiển chuyển động của robot bám theo quĩ
đạo cho trước. Các lời giải tìm được cho bài tốn này hầu như chỉ cho trường hợp
riêng, các đặc điểm đôngh học riêng biệt được tận dụng để thiết lập các quan hệ cần
thiết khi thiết lập lời giải.
Xuất phát từ phương trình động học cơ bản ta có:
Tn =

.

…

=

(2.3)
0

0

0

1

Hai ma trận ở hai vế của phương trình đều là ma trạn thuần nhất 4x4. So sánh
các phần tử tương ứng của hai ma trận trên trên ta có 6 phương trình độc lập. Có 2
cách đê giải bài tốn động học ngược.
Cách 1:Ta có thể viết:
Tn = T1.iTn

(2.4)

Với i= 1…n
Ứng với mỗi giá trị I, khi so sánh các phần tử tương ứng của hai ma trận ở hai
vế của biểu thức trên ta có 6 phương trình độc lập để xác định biến khớp qi (i=1…n).
Cách 2: Từ hệ phương trình (2.3) ta có thể xác định sáu phương trình độc lập để xác
định các biến khớp qi (i=1…n).
Từ (2.3) ta có các phương trình độc lập:
( ,
( ,
( ,

…

…
…

)−
)−
)−

=0
=0
=0

(2.5)

Tùy theo cấu trúc của robot mà ta xác định 3 phương trình cịn lại:
( ,
( ,
( ,

…
…
…

10

)=0
)=0
)=0

(2.6)

Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara

Nhận xét:
Việc giải bài toán động học ngược của cơ cấu robot rất phức tạp, cho đến nay
vẫn chưa có thuật giải tổng quát. Để giải được các bài tốn này người ta thường lợi
dụng một số tính chất của một số cơ cấu để đơn giản hóa việc tính tốn và chỉ tìm ra
lời giải cho những mơ hình cụ thể, ví dụ như các đặc điểm hình học, các rang buộc của
biến khớp…Việc giải bằng phương pháp giải tích thơng thường nói chung là rất khó
khan, đơi khi khơng giải được, nhằm khắc phục khó khan này người ta sử dụng
phương pháp số để giải bài toán động học ngược robot.
Khi giải bài toán động học ngược thường được một tập hợp nghiệm, vấn đề đặt
ra là: trong những nghiệm tìm được thì nên chọn nghiệm nào. Để giải quyết vấn đề này
thì ta cần thực hiện tối ưu hóa các thí nghiệm tìm được thoe một tiêu chuẩn nào đó,
như tối ưu về thời gian điều khiển, tối ưu về năng nượng…

2.2. Động lực học robot
Ở bài toán động học ta đã đi xác định được vị trí và động học vi sai, cấu trúc
hình học và các chuyển động robot nhưng chưa xét đến các lực gây ra các các chuyển
động. Trong quá trình di chuyển, robot tiếp xúc môi trường sẽ sinh ra một lực cần thiết
để di chuyển vật và thực hiện công việc ví dụ như robot SCARA gắp một chi tiết đến
một vị trí định sẵn theo yêu cầu.
Lực cần thiết tác động lên một vật thể quan hệ với gia tốc của vật thể theo quan
hệ sau:
∑

=

(2.7)

Tương tự moomen quay của một vật quan hệ với gia tốc góc của vật thê là
∑

=

(2.8)

Để làm khớp robot di chuyển tịnh tuyến hoặc quay, cơ cấu chấp hành cần sinh
một lực hoặc moomen đủ lớn. Mối quan hệ giữa lực, moomen của các khớp với vị trí,
tốc độ và gia tốc được biểu diễn trong phương trình chuyển động, cịn gọi là phương
trình động lực học. Trong phương trình động lực học lực và moomen là các tín hiệu
vào. Dựa vào phương trình động lực học ta sẽ tính được lực, momen cần thiết để khớp
robot có thể chuyển động được với tốc độ và gia tốc mong muốn. Phương trình động
lực học cũng được sử dụng cho đánh giá ảnh hưởng của khối lượng tải đối với các
chuyển động của robot với các đầu vào là lực và momen của các khớp là cơ sở cho
11


Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara

thiết kế hệ thống điều khiển robot.
Để xây dựng phương trình động lực học cho robot ta sử dụng phương trình
Lagrange. Q trình tiến hành theo 5 bước:
-

Tính tốc độ của điểm bất kỳ trên thanh nối.

-

Tính động năng.

-

Tính thế năng.

-

Tính hàm Largrange.

-

Tính momen và lực của các khớp.

2.2.1. Phương trình động lực học robot
Từ phương trình Lagrange bậc hai:
¶
¶ ̇

−

¶

( = 1,2,3,4)

=

¶

(2.9)

Trong đó:
- L hàm Lagrange L= K – P
- K và P là động năng và thế năng của hệ.
-

là lực động hình thành trong khớp động thứ i.
là biến khớp ̇ là đạo hàm bậc nhất của biến khớp theo thời gian.

Giải phương trình (2.9) ta sẽ tìm được lực động sinh ra khi robot chuyển động.
Động năng:
-

Ki là động năng của khâu thứ i (i = 1,2,3,4)

-

dKi là động năng của một chất điểm khối lượng dm thuộc khâu i

-

rii là vị trí của điểm M cho biết trong hệ tọa độ thứ i và được biểu thị trong hệ
tọa độ thứ

-

i: rii = (xi,yi,zi,1)T.

-

roi là vị trí của điểm M cho biết trong hệ tọa độ thứ i và được biểu thị trong hệ

tọa độ cơ bản : roi = (xo,yo,zo,1)T.Ta có:
=

∑

( .

∑

)

.

. ̇ ̇

(2.10)

Với :
TrA = ∑

;

=

Đối với khớp quay:

12

.

.

(2.11)


Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara

0 −1 0 0
1
0 0 0
0
0 1 0
0
0 0 0

(2.12)

0
0
0
0

(2.13)

Đối với khớp tịnh tiến:
0
1
0
0

0
0
1
0

0
0
0
0

Suy ra:
=
Với: ∫

∫

.

.

=

1
2

.

. ̇ ̇

(2.14)

là ma trận quán tính Ji của khâu i:
∫ .
∫
∫ .
∫ .

∫
⎡
⎢∫ .
=⎢
⎢∫ .
⎣ ∫ .

∫ .
∫ .
∫
∫ .

.
.
.

∫
∫
∫
∫

⎤
⎥

⎥ (2.15)
⎥
⎦

Vì động năng của robot bằng tổng đại số động năng của các khâu trên:
=

=

1
2

. .

̇ ̇

(2.16)

Thế năng:
Thế năng Pi của khâu i:
=−

(

=−

.

)

( = 1,2,3,4)

(2.17)

Với g là vecto gia tốc trọng trường: g=(0,0,-g,0).

Suy ra thế năng của cơ cấu robot:
=

=−

Phương trình động lực học cơ cấu robot SCARA
Thay (2.9) và (2.11) vào (2.6) ta được:

13

(

.

)

(2.18)


Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara

=

̈ +

ℎ

̇

̇ +

(2.19)

Suy ra:
( ). ̈ + ℎ( . ̇ ) + ( )

=

(2.20)

Trong đó:
( ) là vec tơ (4x1) lực động tạo nên ở 4 khớp động:
( )=[

( ),

( ),

( ),

( )]T

(2.21)

( ) là vec tơ (4x1) biến khớp:
( ) = [ ( ),

( ),

( ),

( )]T

(2.22)

̇ ( ) là vecto (4x1) tốc độ thay đổi của biến khớp:
̇ ( ) = [ ̇ ( ), ̇ ( ), ̇ ( ), ̇ ( )]T

(2.23)

̈ ( ) là vecto (4x1) gia tốc của biến khớp:
̈ ( ) = [ ̈ ( ), ̈ ( ), ̈ ( ), ̈ ( )]T

(2.24)

D(q) là ma trân (4x4) có các phần tử Dik như nhau:
=

. .
(

(,

,

= 1,2,3,4)

(2.25)

(, )

ℎ( , ̇ ) là vecto (4x1) lực ly tâm và Coriolit
ℎ( , ̇ ) = [ℎ , ℎ , ℎ , ℎ ]T
ℎ =

ℎ

ℎ

̇

(2.26)
(, ,

̇

=

. .
(

= 1,2,3,4)

,

(2.27)

(2.28)

(, , )

( ) là vecto (4x1) lực trọng trường
( )=[ ,
=

−

,
.

,

]T

(2.29)

. . ̅

(2.30)

Từ (2.27), (2.28), (2.29) và (2.30) ta thiết lập đựơc phương trình động lực học
của cơ cấu robot SCARA.

14

Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara

2.3. Câu trúc tổng quan hệ điều khiển robot
Chức năng của hệ thống điều khiển là đảm bảo tay robot chuyển động bám theo
quỹ đạo đặt trước trong môi trường làm việc ( không gian làm việc). Chuyển động của
tay robot được thực hiện nhờ các hệ thống truyền động khớp robot. Trên cơ sở đó có
hai dạng hệ thống điều khiển chuyển động: hệ thống điều khiển ở không gian khớp và
hệ thống điều khiển ở không gian làm việc. Ở hệ thống điều khiển khớp, đại lượng
điều khiển là vị trí của khớp robot: góc quay đối với khớp quay; độ dịch chuyển thẳng
đối với khớp tịnh tiến. Bộ điều khiển được thiết kế để đảm bảo vị trí khớp ln bám
theo vị trí đặt, tức là sai lệch vị trí khớp hội tụ về khơng với giới hạn nhỏ nhất. Vị trí
đặt của khớp được tính tốn từ lượng đặt vị trí của tay robot trong khơng gian làm việc
thơng qua khâu tính tốn động học ngược.

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ở không gian khớp
Ưu điểm của phương pháp điều khiển ở không gian khớp là bộ điều khiển tác
động trực tiếp đến hệ thống truyền động của khớp. Tuy nhiên hệ thống này khó đảm
bảo độ chính xác vị trí của tay khi tồn tại các sai lệch trong cơ khí hoặc thiếu thơng tin
về quan hệ vị trí giữa tay robot và đối tượng. Ở hệ thống điều khiển không gian làm
việc có chức năng duy trì trực tiếp sai lệch vị trí của tay robot trong khơng gian làm
việc bằng không. Lượng đặt của hệ thống điều khiển vị trí là vị trí đặt tay trong khơng
gian làm việc và lượng phản hồi vị trí thực của tay. Khâu tính tốn động học ngược sẽ
thuộc mạch vịng điều khiển phản hồi.

15


Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển không gian làm việc
Ưu điểm của phương pháp điều khiển này là tác động trực tiếp các biến không
gian làm việc. Nhược điểm là khối lượng tính tốn lớn do tồn tại khâu tính tốn động
học ngược trong mạch vịng điều khiển.
2.3.1. Hệ thống điều khiển độc lập các khớp
a) Hệ thống điều khiển phản hồi
Hệ thống điều khiển phản hồi gồm 3 mạch vòng điều chỉnh gia tốc, tốc độ và vị
trí khớp với 3 bơ điều khiển tương ứng là Ra(p), Rw(p) và Rp(p). Cấu trúc bộ điều
khiển mạch vịng trong cùng Ra(p) có dangh tỷ lệ - tích phân (PI) để nhận được sai
lệch tĩnh bằng khơng. Các bộ điều khiển vịng ngồi có thể có cấu trúc tỷ lệ (P). Các
hệ số Ka, Kw và Kp tương ứng là hệ số phản hồi gia tốc, tốc độ và vị trí khớp.
Cấu trúc các bộ điều khiển có dạng:
Rp(p) = KRp,

Rw(p) = KRw,

Ra =

(2.31)

Hình 2.3 Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi
Phương pháp này áp dụng với mơ hình hệ thống lý tưởng bỏ qua hằng số thời
16


Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara

gian điện từ động cơ, hằng số thời gian bộ biến đổi, tính đàn hồi của bộ truyền lực.
Đối với phương pháp này thì hệ thống cần có hệ số phản hồi lớn. Tuy nhiên sẽ

khơng thích hợp trong thực tế vì chất lượng hệ bị suy giảm gây bởi đặc tính động học
của hệ thống cơ điện.
Phương pháp này khơng đáp ứng được độ chính xác với gia tốc và tốc độ khớp cao.
b) Hệ thống điều khiển tiền định
Hệ thống điều khiển tiền định gồm 3 vòng điều chỉnh gia tốc, tốc độ và vị trí khớp.

Hình 2.4 Hệ thống điều khiển tiền định
Hàm truyền hệ thống kín có dạng:
( )
( )= ∗
=
( )

1
1+

+

(1 +

)

(2.32)

Hệ thống điều khiển bù tiền định cho phép giảm sai số vị trí. Khâu bù tiền định
chỉ cần một tham số KD. Độ chính xác bám quỹ đạo sẽ đạt được khi các tham số sử
dụng trong bộ điều khiển và khâu bù tiền định luôn bằng tham số của đối tượng. Khi
có sai lệch về tham số, độ chính xác bám quỹ đạo sẽ giảm. Các khâu bão hòa trong hệ
thống điều khiển có tác dụng hạn chế các đại lượng của hệ thống trong quá trình quá
độ: tốc độ, gia tốc, điện áp động cơ.Từ sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tiền định

dạng cơ bản ta xây dựng được sơ đồ hệ thống điều khiển dạng PIDD2 là một dạng hệ
thống điều khiển chuẩn trong công nghiệp.

17


Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara

2.3.2. Hệ thống điều khiển tập trung
a) Hệ thống điều khiển phản hồi
Hệ thống điều khiển này có thể bỏ qua động học của cơ cấu chấp hành. Chức
năng của bộ điều khiển là tạo ra một momen cần thiết để truyền động khớp robot đảm
bảo khớp robot luôn bám theo vị trí đặt.
Bộ điều

Cơ cấu

khiển

robot

Cảm biến

Hình 2.5 : Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển phản hồi

Hình 2.6 Sơ đồ điều khiển với cấu trúc PD
Sơ đồ hệ thống điều khiển phản hồi với cấu trúc PD đơn giản với giả thiết
momen trọng lực G(p) được bù hồn tồn. Tín hiệu đặt vị trí qd được so sánh với vị trí
thực của khớp q, sai lệch được đặt vào khâu khuếch đạo với hệ số Kp. Tín hiệu ra của
khâu tỷ lệ được cộng đại số với tín hiện tỷ lệ với tốc độ của khớp và đặt tới cơ cấu

chấp hành của robot. Một dạng hệ thống điều khiển khác như hình (2.7) với bổ sung
thêm tín hiệu đặt tốc độ và sai lệch tốc độ được đặt vào khâu khuếch đại KD. Khi đó hệ
thống ổn định tồn cục. Để nâng cao độ chính xác của hệ thống thì cần tăng hệ số Kp
tuy nhiên Kp và KD lớn sẽ làm giảm độ ổn định và chất lượng quá độ như độ quá điều
chỉnh và thời gian quá độ tang. Mặt khác sự tồn tại ảnh hưởng của thành phần momen
trọng lực cũng làm giảm chất lượng của hệ thống. Để khắc phục được nhược điểm của
bộ điều khiển PD ta sử dụng bộ điều khiển cấu trúc PID.

18


Chương 2: Tìm hiểu về hệ thống truyền động cho robot scara

Hình 2.7 Sơ đồ điều khiển với cấu trúc PD có tín hiệu đặt tốc độ
b) Hệ thống điều khiển momen tính tốn
Ngun lý cơ bản của phương pháp điều khiển này là lựa chọn luật điều khiển
sao cho khử được các thành phần phi tuyến cuae phương trình động lực học robot và
phân ly đặc tính động lực học các thanh nối. Từ đó ta nhận được một hệ thống tuyến
tính dễ dàng thiết kế theo các phương pháp kinh điển của hệ thống tuyến tính đảm bảo
độ chính xác u cầu. Phương trình mơ tả bộ điều khiển moment tính tốn:
=

( ) + ( , ̇) + ( )

(2.33)

Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là cần phải biết đầy đủ và chính
xác các thơng số cũng như đặc tính động lực học của robot. Các thơng số này thay đổi
trong q trình làm việc nên để khử hoàn toàn các thành phần phi tuyến và phân ly
hồn tồn động lưc học của các khớp thì ta cần ước lượng chính xác các thơng số của

robot trong q trình làm việc.
Thuật tốn tính tốn luật điều khiển momen tính tốn sẽ liên quan đến các phép
tốn trung gian nên khối lượng tính tốn sẽ lớn.
Vì vậy phương pháp này sẽ khó áp dụng được trong các robot công nghiệp.

19