Thiết kế và điều khiển robot 6 bậc tự do không ràng buộc sử dụng kỹ thuật động học nghịch thông minh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 6
BẬC TỰ DO KHÔNG RÀNG BUỘC SỬ
DỤNG KỸ THUẬT ĐỘNG HỌC
NGHỊCH THÔNG MINH
GVHD: TS. ĐẶNG XUÂN BA
SVTH: ĐẶNG SỸ BÌNH
MSSV: 16151002

SKL 0 0 7 1 7 4

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2020


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 6 BẬC TỰ DO
KHÔNG RÀNG BUỘC SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐỘNG
HỌC NGHỊCH THÔNG MINH
SVTH

: ĐẶNG SỸ BÌNH

MSSV

: 16151002

KHĨA

: 2016 - 2020

NGÀNH : CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
GVHD

: TS. ĐẶNG XUÂN BA

Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2020


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 6 BẬC TỰ DO
KHÔNG RÀNG BUỘC SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐỘNG
HỌC NGHỊCH THÔNG MINH
SVTH

: ĐẶNG SỸ BÌNH

MSSV

: 16151002

KHĨA

: 2016 - 2020

NGÀNH : CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
GVHD

: TS. ĐẶNG XUÂN BA

Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2020


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----***---Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 7 năm 2020

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên : Đặng Sỹ Bình

MSSV: 16151002

Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Lớp: 16151CL2

Giảng viên hướng dẫn: TS. Đặng Xuân Ba

ĐT: 0945 853 990

Ngày nhận đề tài: 01 / 02 / 2020
Ngày nộp đề tài: 25 / 7 / 2020
1. Tên đề tài:
Thiết kế và điều khiển robot 6 bậc tự do không ràng buộc sử dụng kỹ thuật động học
nghịch thông minh
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
3. Nội dung thực hiện đề tài:
Tính tốn và thiết kế phần cứng của mơ hình UR3.
Tìm hiểu giải thuật và mô phỏng cân bằng cho mô hình trên phần mềm Matlab.
Áp dụng giải thuật điều khiển cho mơ hình thực, quy hoạch quỹ đạo để robot hoạt động
ổn định và tối ưu.
4. Sản phẩm:
Mơ hình thực nghiệm robot 6 bậc.
Chương trình điều khiển và giám sát.
Quyển báo cáo đồ án tốt nghiệp.
Đĩa CD .

TRƯỞNG NGÀNH

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

i


CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

.......
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Họ và tên sinh viên : Đặng Sỹ Bình

MSSV: 16151002

Ngành: CNKT Điều khiển và tự động hóa
Tên đề tài: Thiết kế và điều khiển robot 6 bậc tự do không ràng buộc sử dụng kỹ thuật
động học nghịch thông minh
Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: TS. Đặng Xuân Ba
NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
Đề tài này hướng tới phát triển một dạng robot 6 bậc tự do có cấu hình mới sử dụng
thuật tốn điều khiển động học thơng minh, do đó nội dung cơng việc khá lớn bao gồm
tính tốn, mơ phỏng, thiết kế, thi công và điều khiển giám sát cả hệ thống………………
2. Ưu điểm:
Để thực hiện thành công đồ án, địi hỏi một lượng cơng việc rất lớn ở đó địi hỏi các kỹ
năng chun sâu về kỹ thuật robot, nhưng nhóm đã hồn thành tốt các mục tiêu đề ra
bằng sự làm việc chăm chỉ và bền bỉ cùng sự đam mê và sáng tạo trong công việc………..
3. Khuyết điểm:
Do thời gian thực hiện công việc khá ngắn trên một lượng cơng việc rất lớn, nên nhóm
vẫn chưa kịp khắc phục các nhược điểm nhỏ trong thiết kế, chế tạo robot……………………..
4. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
Được bảo vệ............................................................................................................................
5. Đánh giá loại:
Xuất sắc...................................................................................................................................
6. Điểm: ….. 9.5……………. (Bằng chữ: Chín rưỡi …............................................................)
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 7 năm 2020
Giáo viên hướng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)

ii


CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH. SPKT TP.HCM

PHIẾU NHẬN XÉT PHẢN BIỆN
Họ và tên sinh viên

:…Đặng Sỹ Bình

Tên đề tài

: Thiết Kế Và Điều Khiển Robot 6 Bậc Tự Do Không Ràng Buộc Sử Dụng
Kỹ Thuật Động Học Nghịch Thông Minh.

Giảng viên Hướng dẫn : TS. ĐẶNG XUÂN BA
Giảng viên Phản biện

: PGS.TS. LÊ MỸ HÀ

Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Nhận xét chung về nội dung đề tài
Nội dung đủ hàm lượng của Đồ Án Tốt Nghiệp Đại học

2. Ý kiến kết luận (ghi rõ nội dung cần bổ sung, hiệu chỉnh)

Chỉnh sửa lỗi chính tả, lỗi đánh máy.
Bổ sung kết quả thực nghiệm.

Đề nghị : Được bảo vệ: 

Bổ sung để được bảo vệ:  Không được bảo vệ: 

3. Câu hỏi phản biện (Giảng viên khơng cho SV biết trước)
1/ Phân tích cơ sở tốn học của việc thêm thơng số γ trong phương trình 3.14 ?
2/ Đánh giá độ chính xác của kết quả thực nghiệm như thế nào ?
3/ Điều kiện dừng khi tìm thơng số góc Ɵ trong cơng thức 3.14 là gì ?

4. Điểm đánh giá đề tài:

8 /10 (Bằng chữ: tám

)
TP. HCM, ngày 3 tháng 8 năm 2020
Người nhận xét

iii


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên nhóm chúng em xin gửi lời tri ân và biết ơn sâu sắc đến Thầy –
Tiến sĩ Đặng Xuân Ba, người trực tiếp hướng dẫn đồ án tốt nghiệp, đã tận tình chỉ
bảo, động viên, khích lệ chúng em trong suốt q trình nghiên cứu, thực hiện đề tài.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Đào tạo Chất lượng
cao, Trường Đại học Sư phạm – Kỹ thuật đã nhiệt tình giảng dạy cho chúng em kiến
thức về các mơn đại cương cũng như các môn chuyên ngành, giúp em có được cơ sở

lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ chúng em trong suốt bốn năm học tập
tại đây.
Xin cảm ơn gia đình đã ln ở bên và động viên cho em. Bên cạnh đó, em xin
chân thành cảm ơn người bạn Lê Công Long, người đã góp cơng sức rất nhiều trong
đồ án của em và cùng với đó là lời cảm ơn tới tồn bộ tập thể thành viên của phịng
thí nghiệm Dynamics Robotics and Control. Nếu khơng có sự giúp sức của tất cả mọi
người, em đã có thể hồn thành đồ án của mình đúng như mong đợi.
Cuối cùng chúng em xin kính chúc các thầy cô dồi dào sức khỏe và gặt hái
được nhiều thành công trong sự nghiệp giảng dạy cao q. Đồng kính chúc những
người thân và bạn bè có nhiều sức khỏe và thành công trong cuộc sống.

TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 Năm 2019
Sinh viên thực hiện

Đặng Sỹ Bình

iv


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Dựa vào các kiến thức đã học về điều khiển tự động và những sự tìm hiểu về
ngành công nghiệp robot hiện nay trong suốt những năm đại học, chúng em nhận thấy
nghiên cứu robot là một trong những lĩnh vực được quan tâm nhất ngày nay. Cho đến
nay, các loại robot tự động, bán tự động hay cao cấp hơn là robot với trí tuệ nhân tạo
ngày càng phổ biến và phát triển rộng rãi mọi nơi. Nắm bắt được xu hướng nghiên
cứu của ngành điều khiển tự động, chúng em đã quyết định chọn đề tài đồ án tốt
nghiệp liên quan đến robot.
Tuy nhiên, do kiến thức chuyên ngành còn hạn chế mà lĩnh vực robot rất phức tạp
và tân tiến, nên chúng em cho rằng thật là thú vị nếu chúng em có thể thiết kế, chế
tạo và điều khiển được một con robot làm việc một cách tồn diện trong khơng gian.

Với đề tài đồ án tốt nghiệp “THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 6 BẬC TỰ DO
KHÔNG RÀNG BUỘC SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐỘNG HỌC NGHỊCH THÔNG
MINH”, chúng em đã thực hiện các nội dung sau:





Giải quyết bài toán động học thuận và động học nghịch.
Mô phỏng robot trên phần mềm Matlab.
Thiết kế và chế tạo mơ hình thực nghiệm robot 6 bậc tự do.
Tiến hành điều khiển robot thực tế với kỹ thuật điều khiển thơng minh

Nhóm chúng em tiến hành mơ phỏng phương trình động học, đồng thời nghiên
cứu và chế tạo mơ hình. Sau khi mơ hình và nhiệm vụ mơ phỏng được hồn thành,
chúng em tiến hành áp dụng các tính tốn đã nghiên cứu lên mơ hình thực.

v


ABSTRACT
Based on the knowledge learned about automatic control and our
understanding of the robotics industry today during the university years, we have
found robot research to be one of the most relevant fields today. Until now, types of
robots that are automatic, semi-automatic, or more advanced than robots with
artificial intelligence are increasingly popular and widely developed everywhere.
Understanding the research trend of the automation industry, we decided to choose a
graduate project related to robots.
However, due to limited specialized knowledge and the field of robotics is very
complex and advanced, we think it will be interesting if we can design, manufacture,

and control a robot Comprehensively working in space. With the theme of graduation
project "DESIGN AND CONTROL 6 DOF ROBOT WITH INTELLECTUAL
DYNAMIC ENGINEERING TECHNOLOGY", we have implemented the following
contents:





Solving forward and inverse kinematic problems.
Simulating robots on Matlab software.
Design and manufacture of a experimental model of the 6 DOF robot chosen.
Conduct realistic robot control with intelligent control techniques.

I conduct kinetic equation simulations, and researches and creates models. After
the model and simulation task completed, we proceed to apply the researched
calculations to the real model.

vi


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ......................................................................... i
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ......................................... ii
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ...........................................iii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ iv
TÓM TẮT ĐỒ ÁN .................................................................................................. v
ABSTRACT .......................................................................................................... vii
MỤC LỤC ..........................................................................................................viiii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................... xiii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ......................................................................... xiv
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ............................................................................ xv
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI..................................................................... 2
1.1.

Tính cấp thiết của đề tài.............................................................................. 2

1.2.

Tổng quan về robot và UR3 robot .............................................................. 3

1.2.1.

Sơ lược về lịch sử robot ....................................................................... 3

1.2.2.

Tổng quan về Robot DRC3 ................................................................ 10

1.3.

Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................. 10

1.4.

Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu và giới hạn đề tài .................. 11

1.4.1.

Đối tượng nghiên cứu ........................................................................ 11

1.4.2.

Phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 11

1.4.3.

Giới hạn đề tài ................................................................................... 11

1.5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài................................................... 11

1.5.1.

Ý nghĩa khoa học của đề tài ............................................................... 11

1.5.2.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài................................................................ 11

1.6.

Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 11

1.7.

Kết cấu luận văn ....................................................................................... 12

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................... 13

vii


2.1.

Ngun lí hoạt động ................................................................................. 13

2.2.

Phần mơ hình ........................................................................................... 13

2.2.1.

Cơ sở ý tưởng mơ hình....................................................................... 14

2.2.2.

Thiết kế mơ hình dùng SOLIDWORKS ............................................. 14

2.3.

2.2.2.1.

Sơ lược về SOLIDWORKS ......................................................... 14

2.2.2.2.

Xuất file để in 3D cho các chi tiết................................................ 15

Thuật toán điều khiển ............................................................................... 17

2.3.1.

Sơ lược lý thuyết điều khiển tự động.................................................. 17

2.3.1.1.

Các khái niệm cơ bản .................................................................. 17

2.3.1.2.

Các phần tử cơ bản của hệ thống ĐKTĐ ..................................... 17

2.3.1.3.

Phân loại hệ thống ĐKTĐ ........................................................... 18

2.3.1.4.

Các nguyên tắc điều khiển cơ bản ............................................... 18

2.3.2.

Phần mềm MATLAB ......................................................................... 18

2.3.2.1.

Giới thiệu về MATLAB .............................................................. 18

2.3.2.2.

Tổng quan cấu trúc dữ liệu và các ứng dụng của MATLAB ........ 19

2.3.2.3.

Hệ thống MATLAB .................................................................... 19

2.3.3.

Quy hoạch quỹ đạo cho Robot ........................................................... 20

CHƯƠNG 3 TÍNH TỐN, MƠ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG ĐỘNG HỌC CỦA
ROBOT BẰNG MATLAB .................................................................................... 23
3.1.

Tính tốn, mơ phỏng và kiểm chứng động học thuận ................................ 23

3.1.1.

Động học thuận .................................................................................. 23

3.1.2.

Mơ phỏng, kiểm chứng kết quả tính tốn ........................................... 25

3.2.

Tính tốn và kiểm chứng động học nghịch ............................................... 25

3.2.1.

Tính toán động học nghịch bằng phương pháp đại số ......................... 25

3.2.2.

Mơ Phỏng, kiểm chứng kết quả tính tốn phương pháp đại số............ 26

3.2.3.

Tính toán động học nghịch bằng phương pháp thông minh ................ 27

3.2.4.

Mô phỏng, kiểm chứng kết quả tính tốn phương pháp thơng minh ... 29

3.2.4.1.

So sánh thử nghiệm của các giải pháp tĩnh .................................. 30

3.2.4.2.

Thử nghiệm cho Robot vẽ theo quỹ đạo ...................................... 32
viii


3.3.

Nhận xét ................................................................................................... 36

3.4.

Kết luận .................................................................................................... 36

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH DRC3 ROBOT ................. 37
4.1.

Lựa chọn mơ hình robot UR3 ................................................................... 37

4.2.

Chế tạo mơ hình cho robot DRC3 ............................................................. 38

4.2.1.

Khớp thứ 1......................................................................................... 38

4.2.2.

Khớp thứ 2......................................................................................... 39

4.2.3.

Khớp thứ 3......................................................................................... 39

4.2.4.

Khớp thứ 4......................................................................................... 41

4.2.5.

Khớp thứ 5......................................................................................... 42

4.2.6.

Khớp thứ 6......................................................................................... 43

4.2.7.

Driver MR-J2S-10A .......................................................................... 43

4.2.8.

Động cơ HC-KFS053 ........................................................................ 47

4.2.9.

Động cơ HC-KFS13 .......................................................................... 49

4.3.

Thiết kế phần mềm ................................................................................... 50

4.3.1.

Giới thiệu ARDUINO ........................................................................ 50

4.3.2.

Giới thiệu phần mềm C# .................................................................... 52

4.3.3.

Các thiết bị hỗ trợ xử lý : Opto quang ................................................ 55

CHƯƠNG 5 ĐIỀU KHIỂN ROBOT DRC3 - 6DOF ........................................... 57
5.1.

Thiết bị sử dụng ....................................................................................... 57

5.2.

Kết nối phần cứng .................................................................................... 59

5.3.

Giao diện điều khiển................................................................................. 59

CHƯƠNG 6 KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................... 61
6.1.

Kết quả đạt được ...................................................................................... 61

6.2.

Hướng phát triển ...................................................................................... 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 67
PHỤ LỤC.............................................................................................................. 68

ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ĐKTĐ: Điều khiển tự động
IFR: International Federation of Robotics
AUV: Autonomoues Underwater Vehicles
UAV: Unmanned Arial Vehicles
ISO: International Standards Organization

xiii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các Thông Số Kỹ Thuật Của Robot.......... ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED.
Bảng 3.1 Bảng D-H ............................................................................................... 24
Bảng 3.2 Các Bộ Nghiệm Có Thể Có Của Robot 6 Bậc DRC3 .............................. 26
Bảng 4.1 Thông Số Cơ Bản Của Driver MR-J2S-10A ........................................... 47
Bảng 4.2 Thông Số Cơ Bản Của Động Cơ HC-KFS053 ........................................ 48
Bảng 4.3 Thông Số Cơ Bản Của Động Cơ HC-KFS13 .......................................... 50
Biểu Đồ 2.1 Sơ Đồ Nguyên Lý Hoạt Động Của Hệ Thống .................................... 13
Biểu Đồ 2.2 Sơ Đồ Tổng Quát Của Một Hệ Thống Đktđ ....................................... 17
Biểu Đồ 2.3 Quỹ Đạo Bậc 3 .................................................................................. 22
Biểu Đồ 3.1 Hệ Trục Tọa Độ Cho Robot 6 Bậc ..................................................... 23
Biểu Đồ 3.2 Q Trình Hội Tụ Góc Của Các Khớp Với Thuật Toán CLM ............ 30
Biểu Đồ 3.3 Quá Trình Hội Tụ Của Sai Số Các Khớp Với Thuật Tốn CLM ........ 31
Biểu Đồ 3.4 Q Trình Hội Tụ Góc Của Các Khớp Với Thuật Tốn SLM ............ 31
Biểu Đồ 3.5 Quá Trình Hội Tụ Của Sai Số Các Khớp Với Thuật Toán SLM ......... 32
Biểu Đồ 3.6 Biến Đổi Thông Minh Của Các Thông Số Học Với Thuật Toán SLM 32
Biểu Đồ 3.7 Kết Quả Động Học Nghịch Theo Quỹ Đạo Mong Muốn ................... 33

Biểu Đồ 3.8 Kết Quả Động Học Nghịch Theo Quỹ Đạo Mong Thực Tế................ 33
Biểu Đồ 3.9 Q Trình Hội Tụ Góc Của Các Khớp Với Thuật Toán CLM Trong
Thử Nghiệm Vẽ Theo Quỹ Đạo ...................................................................... 34
Biểu Đồ 3.10 Quá Trình Hội Tụ Của Sai Số Các Khớp Với Thuật Toán SLM Trong
Thử Nghiệm Vẽ Theo Quỹ Đạo ...................................................................... 34
Biểu Đồ 3.11 Q Trình Hội Tụ Của Sai Số Với Thuật Tốn Tự Học ................... 35
Biểu Đồ 3.12 Biến Đổi Thông Minh Của Thơng Số Học Của Thuật Tốn ............. 35

xiv


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Ba Chú Robot Trong Vở Kịch Của Karel Capek, 1921 ............................. 4
Hình 1.2 Các Bộ Phận Cấu Thành Robot Cơng Nghiệp [6] ...................................... 6
Hình 1.3 Hình Dáng Của Robot Ur3 ...................................................................... 10
Hình 2.1 Cấp Độ Của Phần Mềm Solidworks ........................................................ 15
Hình 2.2 Thiết Kế 3d Chi Tiết Cần In .................................................................... 15
Hình 2.3 Lưu Chi Tiết Với Định Dạng Stl ............................................................. 16
Hình 2.4 Xác Nhận Lưu File.................................................................................. 16
Hình 2.5 Icon Phần Mềm Matlab ........................................................................... 18
Hình 2.6 Giao Diện Matlab.................................................................................... 20
Hình 3.1 Hình Dáng Của Robot Ở Vị Trí Mẫu ...................................................... 27
Hình 3.2 Giá Trị Tọa Độ Điểm Đầu Cuối Pee Với 8 Trường Hợp ......................... 27
Hình 4.1 Robot Ur3 6 Dof ..................................................................................... 37
Hình 4.2 Khớp 1 Của Robot DRC3 ...................................................................... 38
Hình 4.3 Khớp 2 Của Robot DRC3 ...................................................................... 39
Hình 4.4 Khớp 3 Của Robot DRC3 ...................................................................... 40
Hình 4.5 Khớp 4 Của Robot DRC3 ...................................................................... 41
Hình 4.6 Khớp 5 Của Robot DRC3 ...................................................................... 42

Hình 4.7 Khớp 6 Của Robot DRC3 ...................................................................... 43
Hình 4.8 Driver Mr-J2s-10a................................................................................... 44
Hình 4.9 Driver Mr-J2s-10a................................................................................... 45
Hình 4.10 Ngun Lí Kết Nối Driver Mr-J2s-10a .................................................. 46
Hình 4.11 Động Cơ Hc-Kfs053 ............................................................................. 47
Hình 4.12 Bản Vẽ Kích Thước Động Cơ Hc-Kfs053 ............................................. 48
Hình 4.13 Động Cơ Hc-Kfs13 ............................................................................... 49
Hình 4.14 Bản Vẽ Kích Thước Động Cơ Hc-Kfs13 ............................................... 49
Hình 4.15 Những Thành Viên Khởi Sướng Arduino .............................................. 50
Hình 4.16 Giao Diện Làm Việc Của Phần Mềm Lập Trình Arduino Ide 1.8.9 ....... 51
Hình 4.17 Giao Diện Làm Việc Của Phần Mềm Lập Trình C# Visual Studio ........ 52
Hình 4.18 Giao Diện Làm Việc Của Phần Mềm Lập Trình C# Visual Studio ........ 53
Hình 4.19 Tạo Project Ứng Dụng .......................................................................... 54
Hình 4.20 Màn Hình Soạn Thảo Bộ Visual Studio 2017 ........................................ 54
Hình 4.21 Cửa Số Output Khi Chạy Chương Trình ............................................... 55
xv


Hình 4.22 Sơ Đồ Ngun Lí Bên Trong Opto ........................................................ 55
Hình 4.23 Hình Ảnh Thực Tế Opto ....................................................................... 55
Hình 5.1 Arduino Due .......................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
Hình 5.2 Sơ Đồ Chân Của Arduino Due ................................................................ 57
Hình 5.3 Sơ Đồ Kết Nối Phần Cứng ...................................................................... 59
Hình 5.4 Giao Diện Điều Khiển C3 Của Hệ Thống Robot ..................................... 59
Hình 6.1 Tủ Điện Điều Khiển Robot ..................................................................... 61
Hình 6.2 Mơ Hình Thực Tế Robot Drc3 ................................................................ 62
Hình 6.3 Mơ Hình Thực Tế Robot Drc3 ............................................................... 63
Hình 6.4 Mơ Hình Thực Tế Robot Drc3 ............................................................... 63
Hình 6.5 Quỹ Đạo Hình Trịn ................................................................................ 65

xvi


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã tạo ra những bước trưởng thành
đáng kể cho máy móc nói chung và robot nói riêng. Trong từng giai đoạn phát triển,
robot ngày càng trở nên đa dạng và thông minh hơn nhờ khả năng xử lý rất nhanh của
bộ điều khiển dùng máy tính. Tuy nhiên khả năng thực hiện hóa của các robot này
khơng chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển mà còn ở khả năng nhận biết của các “ cơ cấu
chấp hành”. Theo dự đoán, trong tương lai robot sẽ là tâm điểm của một cuộc cách
mạng lớn sau internet. Con người khi ấy sẽ có nhu cầu sở hữu một robot cá nhân như
nhu cầu sở hữu một máy tính để bàn hiện nay. Với xu hướng này cùng các ứng dụng
truyền thông khác của robot trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí và đặc
biệt là trong quốc phòng an ninh thì thị trường dành riêng cho robot sẽ vơ cùng to
lớn.
Trong cuộc cách mạng về robot, thế giới sẽ bước vào kỉ nguyên khám phá sâu hơn
về môi trường tự nhiên ở Trái Đất, thậm chí vượt ra khỏi quy mơ Trái Đất để tiến ra
ngồi vũ trụ. Do đó, các robot sẽ thay thế hoặc hổ trợ con người thực hiện những công
việc rất nhàm chán, những công việc nguy hiểm địi hỏi tốc độ hoặc những cơng việc
đòi hỏi độ chính xác cao vượt quá khả năng của con người.
Với đề tài đồ án này, chúng em sẽ hướng tới việc xây dựng nên một cánh tay
robot.Ý tưởng này vốn đã và đang được vận dụng rộng rãi trong các ngành công
nghiệp nặng và nhẹ, tuy nhiên vẫn còn khá mới mẻ đối với các đối tượng học sinh,
sinh viên. Chúng em lựa chọn đề tài này với mong muốn được tìm hiểu, nghiên cứu
sâu hơn về robot nói chung và cánh tay robot nói riêng.
 Tình hình ngồi nước

Robot đã có những bước tiến đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua. Robot đầu
tiên được ứng dụng trong ngành công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người
làm những công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong mơi trường độc hại. Dữ liệu của
Liên đồn robot quốc tế (IFR) cho thấy, trong năm 2015, ngành cơng nghiệp sản xuất
có 66 robot trên mỗi 10000 người lao động. Năm 2017, dữ liệu tăng lên 77 trên 10000
người lao động. Do nhu cầu sử dụng ngày càng nhiều trong q trình sản xuất phức
tạp nên robot cơng nghiệp cần có những khả năng thích ứng linh hoạt và thơng minh
hơn. Ngày nay, ngồi ứng dụng sơ khai ban đầu của robot trong chế tạo máy thì các
ứng dụng khác như trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nơng nghiệpm đóng tàu, xây dựng,
an ninh quốc phịng đang là động lực cho sự phát triển của ngành công nghiệp robot.
Theo như dự đốn trong vịng 20 năm nữa mỗi người sẽ có nhu cầu sử dụng
một robot cá nhân như nhu cầu sử dụng một máy tính PC hiện nay và robot sẽ là tâm
điểm của một cuộc cách mạng lớn sau internet. Với xu hướng này, cùng các ứng dụng
truyền thông khác của robot trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí và đặc
biệt là trong an ninh quốc phịng thì thị trường robot sẽ vơ cùng to lớn. Bên cạnh đó,
2
Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM


một số ứng dụng liên quan đến Robot cũng được sử dụng nhiều hơn, ví dụ như mang
robot lên điện toán đám mây hay mạng xã hội. Chi phí để sở hữu Robot cũng đang
giảm xuống rất nhanh, càng giúp cho q trình hiện đại hóa diễn ra một cách thuận
lợi. Quan trọng hơn, nhận thức chung của cộng đồng về Robot cũng đã có nhiều thay
đổi. Đó chính là các dấu hiệu rõ ràng cho thấy ngành công nghiệp này đang ở thời
điểm quan trọng, có nhiều tác động tích cực trong đời sống. Với sự phát triển của xã
hội và q trình hiện đại hóa ở các nước phát triển thì nhiều dịch vụ mới được hình
thành làm thay đổi quan điểm về robot từ robot phục vụ công nghiệp sang phục vụ
cho các nhu cầu xã hội và nhu cầu cá nhân của con người.
 Tình hình trong nước
Cùng với Thế Giới, Việt Nam đang được coi là thị trường tiềm năng cho robot

cơng nghiệp. Đã có những nhà máy sử dụng hàng ngàn người máy trong sản xuất xe
ôtô, làm trong những dây chuyền chế biến độc hại. Phó Giáo Sư, Tiến sĩ Bùi Văn
Hạnh, Phó Viện trưởng Viện Cơ Khí, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội nhận định:
Xu hướng nghiên cứu, ứng dụng robot trong cơng nghiệp, gia tăng mơ hình “nhà máy
thơng minh” tại các khu công nghiệp đang là xu hướng phát triển mạnh tại Việt Nam
hiện nay. Hiện đã có nhiều doanh nghiệp thực hiện thành công một số sản phẩm robot
và được thị trường đón nhận.
Có thể kể đến một số loại robot được quan tâm nhiều thời gian qua là: Tay máy (
Robot Manipulators), Robot di động (Mobile Robots), Robot phỏng sinh học (Bio
Inspired Robots) và Robot cá nhân (Personal Robots). Robot tự động được nghiên
cứu nhiều như xe tự hành dưới nước AUV (Autonomoues Underwater Vehicles),
Máy bay không người lái UAV (Unmanned Arial Vehicles). Với Robot phỏng sinh
học, các nghiên cứu thời gian qua tập trung 2 dạng chính là Robot đi ( Walking
Robots) và Robot dáng người (Humanoid Robots). Bên cạnh đó, các loại robot phỏng
sinh học dưới nước như robot cá, các cấu trúc chuyển động phỏng theo sinh vật biển
cũng được nhiều nhóm nghiên cứu phát triển. Mặc dù về cấu trúc của các loại robot
có khác nhau nhưng các nghiên cứu hiện nay đều hướng về các ứng dụng dịch vụ và
hoạt động của robot trong các môi trường tự nhiên.
1.2. Tổng quan về robot và UR3 robot
1.2.1. Sơ lược về lịch sử robot
Lịch sử hình thành và phát triển robot cơng nghiệp
Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng
dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa sản xuất. Xu hướng tạo ra những dây
chuyền về thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang hình thành. Các thiết bị này
đang thay thế dần các máy tự động “cứng” chỉ đáp ứng một việc nhất định trong
khi thị trường ln địi hỏi thay đổi mặt hàng về chủng loại, về kích cỡ và về tính
năng. Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng robot để tạo ra các hệ thống sản
xuất tự động linh hoạt. Thuật ngữ “robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1920 trong tác
3
Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM

phẩm viễn tưởng “Rossum’s Universal Robot” của Karel Capek[1][2][3]. Theo tiếng
Séc thì robot là người làm tạp dịch. Trong tác phẩm này nhân vật Rossum và con trai
của ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống con người để hầu hạ con người.

Hình 1.1 Ba chú robot trong vở kịch của Karel Capek, 1921
Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực.
Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện các loại tay máy
chép hình điều khiển từ xa trong các phịng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ.
Sự phát triển của cơng nghiệp điện tử dẫn đến sự ra đời của robot tự động điện
tử đầu tiên, được tạo ra bởi William Grey Walter ở Bristol, Anh năm 1948, cũng như
các công cụ máy tính điều khiển số (CNC) cuối những năm 1940 bởi John T. Parsons
và Frank L. Stulen. Robot đầu tiên, kỹ thuật số và lập trình được xây dựng bởi George
Devol năm 1954 và được đặt tên là Unimate [4].
Vào những năm 50, bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí , đã xuất hiện các
loại tay máy chép hình thủy lực và điện từ, như tay máy Minotaur I hoặc tay máy
Handyman của General Electric. Năm 1954 George C. Devol đã thiết kế một thiết
bị có tên là “ Cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo chương trình”. Đến năm
1965 Devol cùng với Joseph F. Engelber, một kỹ sư trẻ của công nghiệp hàng
không, đã tạo ra loại robot công nghiệp đầu tiên năm 1959 ở Công ty Unimation.
Chỉ đến năm 1975 Công ty Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm robot
đầu tiên này.
Robot cơng nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên, năm 1961, ở một
nhà máy ô tô của General Motors tại Trenton, New Jersey, Hoa Kỳ.
Năm 1967 Nhật Bản mới nhập khẩu chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ
Công ty AMF của Hoa Kỳ ( American Machine and Foundry Company). Đến
4
Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM

năm 1990 có hơn 40 cơng ty Nhật Bản, trong đó có những cơng ty khổng lồ như
Cơng ty Hitachi và Công ty Mitsubishi, đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại
robot nổi tiếng.
Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý
nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường
làm việc. Tại trường Đại học Tổng hợp Standford người ta đã tạo ra loại robot lắp
ráp tự động điều khiển bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến
lực và thị giác. Vào thời gian này, Công ty IBM đã chế tạo loại robot có các cảm
biến xúc giác và cảm biến lực, điều khiển bằng máy tính để lắp ráp các máy in
gồm 20 cụm chi tiết. Vào giai đoạn này ở nhiều nước khác cũng tiến hành các
cơng trình nghiên cứu tương tự, tạo ra các loại robot tự hành theo hướng bắt chước
chân người hoặc súc vật. Các robot này cịn chưa có nhiều ứng dụng trong công
nghiệp. Tuy nhiên các loại xe robot (robocar) lại nhanh chóng được đưa vào hoạt
động trong các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt.
Từ những năm 80, nhất là vào những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến
bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia
tăng, giá thành đã giảm đi rõ rệt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ
vậy robot cơng nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền tự động sản
xuất hiện đại.
Trước khi bước vào nghiên cứu các nội dung tiếp theo, chúng ta cũng cần
thống nhất về thuật ngữ “ robot công nghiệp” ( Industrial robot). Trong nhiều tài
liệu khác nhau, định nghĩa về robot công nghiệp cũng khác nhau. Khi “ robot công
nghiệp” đầu tiên ra đời, Cơng ty AMF đã quảng cáo nó là loại máy tự động vạn
năng. Trong từ điển Webster định nghĩa robot là những máy tự động có thể thực
hiện được một số chức năng của con người. Nhưng nếu vậy thì có nhiều loại máy
khác nhau cũng có thể gọi là robot. Viện Kỹ thuật robot của Hoa Kỳ định nghĩa
robot là loại tay máy nhiều chức năng, với chương trình làm việc thay đổi được,
dùng để thực hiện một số thao tác sản xuất. Có nhiều tài liệu khi định nghĩa robot
rất lưu ý đến tiêu chí điều khiển bằng máy tính nhưng trong phân loại robot công

nghiệp theo tiêu chuẩn của Nhật Bản (JIS B 0134- 1979) có cả nhóm tay máy điều
khiển bằng tay.
Theo ISO ( International Standards Organization) thì: “ robot cơng nghiệp là
một tay máy đa mục tiêu, có một số bậc tự do, dễ dàng lập trình, điều khiển trợ
động, dùng để tháo lắp phôi, dụng cụ hoặc các vật dụng khác. Do chương trình
thao tác có thể thay đổi nên thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng”. Tuy nhiên, robot
công nghiệp được định nghĩa như thế chưa hoàn toàn thỏa đáng.[5]
Robot cơng nghiệp có thể được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, bắt
chước được các chức năng lao động cơng nghiệp của con người. Nói đến thiết bị
tự động linh hoạt là nhấn mạnh đến khả năng thao tác với nhiều bậc tự do, được
điều khiển trợ động và lập trình thay đổi được. Cịn nói đến sự bắt chước các chức
5
Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM


năng lao động cơng nghiệp của con người là có ý nói đến sự khơng hạn chế từ các
chức năng lao động chân tay đơn giản đến trí khơn nhân tạo, tùy theo loại hình
cơng việc lao động cần đến chức năng đó hay khơng. Đồng thời cũng nói đến mức
độ cần thiết bắt chước được như con người hay khơng.
Cấu trúc chung của robot cơng nghiệp
Trên hình 1.2 giới thiệu các bộ phận chủ yếu của robot công nghiệp thông
thường. Tay máy gồm các bộ phận: đế 1 đặt cố định hoặc gắn liền với xe di động
2, thân 3, cánh tay trên 4, cánh tay dưới 5, tay kẹp 6.

Hình 1.2 Các bộ phận cấu thành robot cơng nghiệp [6]
Bên trong hoặc ở bên ngồi tay máy cịn đặt nhiều bộ phận khác nữa:
 Hệ thống truyền dẫn động có thể là cơ khí, thủy khí hoặc điện khí, là bộ phận
chủ yếu tạo nên sự chuyển dịch ở các khớp động.
 Hệ thống điều khiển đảm bảo sự hoạt động của robot theo các thông tin đặt
trước hoặc nhận biết được trong quá trình làm việc.

 Hệ thống cảm biến tín hiệu thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về
hoạt động của bản thân robot (cảm biến nội tín hiệu) và của mơi trường- đối
tượng mà robot phục vụ (cảm biến ngoại tín hiệu).
Các thông tin đặt trước hoặc cảm biến được sẽ đưa vào hệ thống điều khiển
sau khi xử lý bằng máy vi tính, rồi tác động vào hệ thống truyền dẫn động của tay

6
Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM


máy. Tiếp xúc trực tiếp môi trường và đối tượng làm việc là các dụng cụ (tools) được
giữ bằng các tay kẹp.
Phân loại robot công nghiệp
Ngày nay robot công nghiệp đã phát triển rất đa dạng. Có thể phân loại robot
công nghiệp theo nhiều cách khác nhau:
 Theo vị trí “ cơng tác” phân ra các loại robot cấp thốt phôi, robot vận chuyển,
robot vạn năng...
 Theo dạng công nghệ chuyên dụng phân ra các loại robot sơn, robot hàn, robot
lắp ráp...
 Theo cách thức và đặc trưng điều khiển phân ra: robot điều khiển tự động,
robot
điều khiển bằng dạy học, robot điều khiển bằng tay, robot nhìn được ( vision)...
 Theo các hệ tọa độ được dùng khi thực hiện các chuyển động cơ bản phân ra
các robot hoạt động theo hệ tọa độ trụ, cầu hoặc phỏng sinh...
Các chỉ tiêu đánh giá và thông số kỹ thuật
Để các cơ cấu tay máy hoạt động linh hoạt tức là có thể thực hiện được dễ
dàng các chuyển dịch mn màu mn vẻ, chúng cần phải có một số bậc tự do chuyển
động cần thiết. Như đã biết, với các cơ cấu tay máy dùng các cơ cấu hở không gian
có các khớp động loại 5 thì số bậc tự do bằng số khâu động. Khi tăng số bậc tự do tức
là tăng số khâu động và tăng số thiết bị động lực cho các khâu động đó nên sẽ tăng

độ phức tạp về kết cấu và chế tạo. Vấn đề đặt ra là khi cùng số bậc tự do có thể chọn
lựa cơ cấu tay máy nào đảm bảo tính linh hoạt cao hơn. Tính linh hoạt của cơ cấu tay
máy là một chỉ tiêu tổng hợp được thể hiện qua các yếu tố sau đây:
Độ động của cơ cấu
Khâu thao tác robot được xác định bằng 6 thông số xE, yE, zE, , , , trong đó
3 thơng số đầu là vị trí của gốc hệ tọa độ gắn với khâu thao tác, cịn 3 thơng số
sau xác định hướng của khâu thao tác. Trong lúc mỗi cấu hình của cơ cấu tay máy
được xác định bằng n giá trị biến khớp q1... qn. Số bậc tự do n của cơ cấu tay
máy có thể bằng hoặc khác 6. Có thể xảy ra 3 trường hợp sau:
 Nếu n=6, khi điểm E thực hiện di chuyển nhỏ xE, yE, zE, ,  sang một
vị trí mới nào đó, thì có thể xác định q1…qn một cách đơn trị.
 Nếu n  6 thì khơng phải lúc nào điểm E cũng đạt tới vị trí với định hướng như
yêu cầu được.
 Nếu n  6 thì có nhiểu lời giải để điểm E đạt tới vị trí với định hướng đã yêu
cầu.
Hiệu số n-6=m được gọi là độ cơ động của tay máy. Có thể xác định độ cơ
động m bằng số bậc tự do còn lại của cơ cấu nếu giữ cố định bàn kẹp lại.
7
Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM


Sự tồn tại độ cơ động (m 1) là có lợi vì khi đó cơ cấu tay máy có thể đạt
tới đích với nhiều phương án khác nhau. Điều đó càng quan trọng nhất là khi mơi
trường làm việc có các chướng ngại. Tuy nhiên dễ có độ cơ động cao, tức là cần
số bậc tự do cao thì độ phức tạp kết cấu tay máy cũng tăng theo và sẽ không tránh
khỏi việc tăng giá thành và giảm độ chính xác chuyển động.
Hệ số phục vụ
Trong vùng làm việc, tức là trong khoảng không gian mà bàn kẹp tay máy
có thể thao tác được, khơng phải ở bất cứ điểm nào trong vùng này bàn kẹp tay
máy cũng thao tác dễ dàng như nhau. Để đánh giá mức độ dễ dàng thao tác đó

người ta dùng khái niệm hệ số phục vụ.
Hệ số phục vụ  là tỷ số giữa góc phục vụ  so với 4. Góc phục vụ  là góc
nón qt một vùng khơng gian mà chỉ ở phía trong đó bàn kẹp mới có thể hướng tới
tọa độ cần thiết:
=


4𝜋

(1.1)

Giá trị của  và  không những phụ thuộc vào vị trí điểm thao tác trong vùng
làm việc, mà còn phụ thuộc vào kết cấu của tay máy.
Độ dễ điểu khiển của cơ cấu robot
Trong thực tế điều khiển hoạt động của tay máy, từ khi nhận được tín hiệu
về định vị và định hướng của” điểm đầu cuối” EE tại một điểm của quỹ đạo,
cho tới khi điều khiển để đạt được mục tiêu đó, robot phải thực hiện hoạt động đó
trong một khoảng thời gian nhất định. Thời gian đó bao gồm thời gian tính tốn
để xác định các thơng số điều khiển và thời gian thực hiện di chuyển.
Tổng các thời gian đó có thể gọi là thời gian điều khiển. Trong đó thời gian
tính tốn giá trị các biến khớp qi theo các thông số định vị và định hướng tại điểm
E, phụ thuộc vào loại cơ cấu tay máy. Qua thơng số thời gian điều khiển nói trên
có thể xác định mức độ khó dễ điều khiển, như một chỉ tiêu đánh giá cơ cấu tay
máy.
Các thông số kỹ thuật của robot công nghiệp
Robot công nghiệp thường được đặc trưng bằng bảng các thông số kỹ thuật
cơ bản xem Bảng 1.1. Hệ truyền dẫn động được ghi rõ là thủy lực, khí nén, động
cơ điện một chiều, động cơ bước...
Sai số định vị của tay kẹp (mm) là độ sai lệch giữa vị trí thực so với vị trí yêu
cầu. Mức chính xác thấp  >  1(mm) áp dụng cho các loại robot vận chuyển,

phun phủ...Mức chính xác trung bình 0,1    1,0(mm) thích hợp với các việc

8
Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM


như lắp ráp có khe hở, vặn vít, hàn hồ quang...Mức chính xác cao   0,1(mm)
dùng khi đo lường, lắp ráp khít...
Bảng 1.1 Các thơng số kỹ thuật của Robot [6]
Đơn
vị

Thông số kỹ thuật

Số bậc tự do
Tải nâng
Giá trị giới hạn (max, min)
*Biến khớp quay
*Biến khớp tịnh tiến
Vận tốc góc lớn nhất khi quay

Kg
rad
mm
rad/s

Thơng số kỹ thuật

Vận tốc tịnh tiến lớn nhất
Tầm với (max/min)

Tầm cao (max/min)
Sai số định vị
Hệ truyền dẫn động
Hệ điều khiển

Đơn
vị
mm/s
mm
mm
mm
-

Các bài toán thường gặp đối với robot công nghiệp
Trong thực tế, để chế tạo ra một robot cơng nghiệp hồn chỉnh và có thể
thương mại hóa nó phải trải qua rất nhiều bước. Tuy nhiên, ở đây ta chỉ giới hạn
ở các vấn đề tính tốn lý thuyết cơ bản thì các bài tốn liên quan đến robot công
nghiệp bao gồm:
+ Phân tích động học: Tìm mối quan hệ giữa chuyển động của khâu thao tác (tay kẹp,
đầu hàn, sơn, phun phủ…) và chuyển động của các khớp (góc quay của các
động cơ hoặc chuyển động tịnh tiến đặt ở mỗi khớp). Sau đó, chúng ta cần phải
giải mối quan hệ này theo cả hai chiều: cho trước chuyển động của khâu thao tác,
cần tìm chuyển động của các khớp hoặc ngược lại. Bên cạnh đó, vấn đề tính tốn
vận tốc dài, vận tốc góc cũng là 1 vấn đề quan trọng, làm đầu vào cho bài toán
động lực học. Các yếu tố đầu vào của bài toán động học bao gồm cấu trúc động
học và kích thước các khâu của robot.
+ Phân tích động lực học: Ở bài toán động lực học, chúng ta cần quan tâm đề
nguyên nhân gây ra chuyển động tức là mối quan hệ giữa momen ( hoặc lực) đặt
vào các khớp quay (hoặc tịnh tiến) và chuyển động tương ứng của các khớp đó.
Các yếu tố đầu vào của bài toán động lực học bao gồm kết quả của bài toán động

học và các yếu tố về khối lượng, momen quán tính khối của các khâu của robot.
+ Thiết kế quỹ đạo và điều khiển: Đây là bài toán sau cùng cũng là bài tốn phức
tạp nhất của tính toán robot. Chúng ta cần thiết kế đường di chuyển cho khâu thao
tác và chuyển động của các khớp cùng với các yếu tố về vận tốc, gia tốc để đáp
ứng yêu cầu kỹ thuật trong sản xuất. Bài toán điều khiển nhằm đảm bảo robot sẽ

9
Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM


hoạt động bám theo đúng những thông số ta đã thiết kế trước, chất lượng của điều
khiển quan hệ mật thiết với chất lượng của một robot.
1.2.2. Tổng quan về Robot DRC3
Robot DRC3 được mơ phỏng theo ngun lí của robot UR3 - là một robot có
6 bậc tự do có thể di chuyển trong khơng gian 3d và khơng bị ràng buộc (trục xoay
của 3 khớp cuối không giao nhau) như Hình 1.3.
Universal Robots UR3 là loại robot cộng tác công nghiệp siêu nhỏ gọn, là lựa
chọn lý tưởng khi cần gắn cobot lên bàn. Khối thể tích nhỏ giúp dễ dàng lắp dựng
robot ngay bên trong máy hoặc ở các không gian làm việc chật chội khác. Cobot này
chỉ nặng có 24,3 lbs (11 kg) nhưng có tải trọng là 6,6 lbs (3 kg). Góc quay ±360 độ
trên tất cả các khớp khuỷu cùng góc quay vơ cực tại khớp cuối khiến cobot này hết
sức phù hợp để ứng dụng lắp ráp nhẹ và bắt vít.
Các thơng số như chiều dài, khối lượng... của các thanh nối (link) sẽ được nêu
cụ thể ở phần 3.1. Vấn đề đặt ra là tìm ra hệ trục tọa độ tối ưu cho robot và tính toán
ra được động học nghịch nếu như muốn điều khiển cơ bản, còn nhiều yếu tố tác động
tới việc điều khiển robot như quy hoạch quỹ đạo,…

Hình 1.3 Hình dáng của robot UR3
1.3. Mục tiêu nghiên cứu
Để điều khiển tay robot, ta cần tính ra được động học nghịch của robot nhưng với

các phương pháp thông thường thì khá tốn thời gian và nếu thay đổi một số thơng số
của robot thì có thể chúng ta phải tính lại từ đầu. Đây cũng là mục tiêu của nhóm khi
phát triển theo hướng giải động học nghịch bằng phương pháp thơng minh. Bên cạnh
đó, việc thiết kế cịn phải tính tốn kỹ lưỡng khả năng chịu lực của robot khi mô
phỏng lại robot UR3 với vật liệu rẻ hơn, chịu lực yếu hơn như nhựa in 3D… Để hồn
thành đề tài, nhóm đặt ra các mục tiêu cụ thể sau:
Chế tạo mơ hình thực nghiệm robot UR3: thiết kế và thử từng khớp một

10
Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM