MÔ PHỎNG THIẾT KẾ HỆ CƠ ĐIỆN TỬ VÀ đồ án đề TÀI CÁNH TAY ROBOT SCARA 3 BẬC TỰ DO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG
NGHỆ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ
NỘI
_____________

MÔN HỌC: MÔ PHỎNG THIẾT KẾ HỆ CƠ ĐIỆN TỬ VÀ ĐỒ ÁN
ĐỀ TÀI : CÁNH TAY ROBOT SCARA 3 BẬC TỰ DO
GIẢNG VIÊN: TRẦN CƯỜNG HƯNG
NHÓM 4
STT

Họ và tên

Mã sinh viên

1

Trần Việt Hoàng

18020569

2

Nguyễn Bá Hoàng

18020563


3

Vũ Đình Hiệu

Hà Nội, Ngày 08/11/2021

18020521


MỤC LỤC

I.

Lịch sử và sự phát triển Ro-bot
1. Nguồn gốc của thuật ngữ Robot và khái niệm
2. Lịch sử phát triển và Sự thay đổi của Ro-bot theo thời gian
3. Ưu điểm nổi bật của Robot

II.
III.

Phân loại và ứng dụng
Robot SCARA
1. Giới thiệu
2. Phân loại Robot SCARA
3. Cấu tạo của Robot SCARA

IV.

Bài toán động học Robot SCARA 3 bậc tự do
1. Hệ tọa độ Denavit- Hartenberg
2. Phương trình đọc học Robot

V.

Bài tốn động học thuận

VI.

Bài tốn động học ngược

VII.

Mơ phỏng trên MATLAB
1. Tính tốn và thiết kế Robot SCARA 3 bậc tự do
2. Vẽ và lắp ráp Robot SCARA trên SolidWorks
3. Xuất files Simulink để đưa vào MATLAB mô phỏng
4. Xây dựng bộ điều khiển



I.

Lịch sử và sự phát triển Robot

1. Nguồn gốc của thuật ngữ Robot và khái niệm
a. Nguồn gốc thuật ngữ
Robot dịch ra là “ lao động cưỡng bức” ( dựa trên tiếng Séc robota )
Thuật ngữ này đã được nhà văn Séc Karel Čapek chính thức lần đầu tiên đưa vào
sử dụng trong vở kịch “Các Robot Toàn năng của Rossum” của ông vào năm 1920. Và
mở ra một kỷ nguyên làm thay đổi nhân loại
b. Khái niệm

Khái niệm được chia làm 2 khía cạnh:


Lý thuyết:

Robot được hiểu là một loại máy được lập trình sẵn các chương trình hoạt động trên
các bo vi mạch điện tử hoặc được điều khiển bởi hệ thống máy tính, để từ đó chúng có
thể thực hiện những cơng việc nhất định một cách tự động, khơng có sự tham gia của con
người.
 Cấu tạo kỹ thuật:

Robot là một hệ thống cơ khí điện tử, hoàn toàn được làm ra dưới chất xám, tư duy
và bàn tay con người. Do đó, chúng có đặc điểm là: ảo và nhân tạo. Từ “ Robot ” được
cấu tạo từ phần mềm lập trình hoạt động và hệ thống cơ khí. Trên thế giới, có rất nhiều
loại Robot với đa dạng cơng dụng và hình dáng. Sự khác nhau này xuất phát từ mức độ tự
động của hệ thống cơ khí – điện tử của chúng.
2. Lịch sử phát triển và Sự thay đổi của Ro-bot theo thời gian
a. Lịch sử phát triển của Robot
09/10/1922: Đây là giai đoạn ra đời của thuật ngữ “Robot”. Thuật ngữ này được
nghĩ ra bởi một nhà soạn kịch người Tiệp thời bấy giờ. Ơng ước mơ về một cỗ máy tự
động hóa, có thể giúp cải thiện cuộc sống của con người.
Năm 1948: Tay máy đơi, hay cịn gọi là ( master-slave manipulator) ra đời bởi nhà
sáng chế là Goertz.


Năm 1954: Máy đôi sử dụng động cơ servo ra đời có chức năng nhận biết lực tác
động lên khâu cuối bởi nhà sáng chế là Goertz.
Năm 1956: Nhà sáng chế Generall  Mills chế tạo thành công cánh tay robot hoạt
động thám hiểm đại dương thành công.
Năm 1968: Nhà sáng chế: R.S. Mosher đến từ General Electric chế tạo cỗ máy biết

đi bằng 4 chân ra đời. Chức năng: Hệ thống vận hành bởi động cơ đốt trong và mỗi
chân vận hành bởi một hệ thống servo thủy lực.
Năm 1969: Robot tự hành nhờ nhận dạng hình ảnh ra đời ở Đại học Stanford.
Năm 1970: Robot Tự Hành Lunokohod thành công ra đời. Lunokohod dùng
để thám hiểm bề mặt mặt Trăng.
Năm 1973: KUKA robot group sản xuất robot công nghiệp 6 bậc tự do.
Năm 1984: Robot biết chơi đàn organ Wabot-2 ra đời.
Năm 1994: Robot hỗ trợ phẫu thuật Cyberknife ra đời.
Năm 1999: Robot thú cưng hình chó được Honda sản xuất.
Năm 2000: Sản xuất thành cơng Robot hình người ASIMO.
Năm 2002: iRobot sản xuất robot hút bụi đầu tiên.
Năm 2011: Robot hình người Robonaut 2 được sản xuất và sử dụng trên tàu con
thoi phóng lên vũ trụ.
Năm 2017: Robot hình người Sophia là robot đầu tiên được cấp quyền công dân
b. Sự thay đổi của Ro-bot theo thời gian
 Trang bị thêm thiết bị cảm ứng

Robot thời gian đầu là những bộ máy cồng kềnh với sự điều khiển thủ cơng, thì
ngày nay dưới sự nghiên cứu tìm tịi của con người. Chúng ta có thể dễ dàng điều khiển

Robot thơng qua các loại thiết bị cảm biến (tiền đề quan trọng cho sự phát triển của
Robot ) và giao tiếp giữa người và Robot .
 Cấu tạo ngày càng nhỏ gọn
Theo sau sự phát triển của công nghệ, khoa học kỹ thuật, Robot ngày càng nhỏ gọn,
tiện lợi hơn, kết hợp nhiều chức năng, công dụng đồng thời cũng thông minh hơn.


 Mô phỏng đặc điểm của con người và động vật
Con người đã đem những đặc điểm của động vật áp dụng lên Robot. Loại xe Robocar
được sử dụng phổ biến trong hệ thống tự động hóa sản xuất được phát minh ra dựa trên

chuyển động của động vật là: động vật 4 chân, bò sát,..
3. Ưu điểm nổi bật của Robot
 Tăng chất lượng môi trường làm việc lao động
 Giúp Doanh nghiệp giảm chi phí
 Tạo ra chất lượng sản phẩm đồng nhất và tốt nhất
 Hiệu quả năng suất của doanh nghiệp tăng rõ rệt

 Giá thành sản phẩm giảm do doanh nghiệp tiết kiệm được nguyên vật liệu
 Tăng vị thế cạnh tranh của Doanh nghiệp trên thị trường

II.

Phân loại và ứng dụng
Phân loại dựa theo chức năng:
 Giúp chữa cháy : Robot có khả năng di chuyển và hoạt động linh hoạt nên
robot này được ứng dụng vào việc thực hiện hoạt động ở các khu vực nguy
hiểm, dập lửa , vận chuyển thiết bị , sơ tán , thu thập thông tin và giám sát
24/7 thơng qua camera

Hình ảnh một số loại Robot giúp chữa cháy
 Làm việc trong các nhà máy : Robot là một thứ gì đó khơng thể thiếu trong
các nhà máy hiện nay. Nó được ứng dụng trong hầu hết các công đoạn của
nhà máy như là: Sản xuất, vận chuyển, kiểm tra, đóng gói …


Hình ảnh một số loại Robot trong nhà máy sản xuất
 Robot đồng hành với những người cao tuổi: robot sử dụng nhằm hỗ trợ con
người, cải thiện môi trường làm việc, cũng như vực dậy tinh thần vui tươi cho
những người già. Trò chuyện với người già giúp họ đỡ cô đơn hơn, massage
giúp người già thoải mái đỡ bị đau nhức …

Hình ảnh một số loại Robot đồng hành với người già
 Robot ứng dụng trong việc chăm sóc sức khoẻ: robot lễ tân, robot điều dưỡng
(trong khu vực bệnh viện), robot cứu thương, robot tư vấn sức khoẻ từ xa,
robot phục vụ trong bệnh viện, robot làm vệ sinh, robot phun xịt thuốc khử


trùng, robot phẫu thuật, robot xạ trị, robot phục hồi chức năng, robot thực
phẩm và robot giao hàng ngồi trời.

Hình ảnh một số loại Robot trong việc chăm sóc sức khỏe
 Robot gia dụng tự động thực hiện các công việc nhà: Ứng dụng để làm các
công việc nhà như là; quét dọn, lau chùi, hút bụi, rửa đồ…

Robot hút bụi


 Được sử dụng trong các nhiệm vụ tìm kiếm và hỗ trợ cứu nạn sau thiên tai:
ứng dụng trong việc hỗ trợ cứu nạn, di chuyển đến những nơi mà con người
không thể kiểm tra được, nhỏ gọn dễ dàng di chuyển.
 Máy dị mìn trong vùng chiến sự: cảnh báo cho mọi người biết chỗ có mìn khi
dị tìm để tránh và báo cáo đến cơ quan chức năng để được giải quyết

III.

Robot SCARA

1. Giới thiệu
a. Thuật ngữ Robot SCARA 
Nó là tên viết tắt của Selective Compliance dịch ra tiếng Việt có nghĩa là “Cánh tay

robot lắp ráp có chọn lọc” được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1979 tại Nhật Bản, trong
các hoạt động nghiên cứu lắp ráp tại trường đại học Yamanashi.
b. Khái niệm
Robot SCARA đó chính là một dạng robot trong kết cấu. Cùng với Scara, phân loại
theo kết cấu cịn có các loại hình robot khác như kiểu tay người, cầu, trụ, đề các
2. Phân loại Robot SCARA
 Scara 2 bậc

 Scara 3 bậc


 Robot scara 4 bậc

 Scara 5 bậc

 Scara 6 bậc


3. Cấu tạo của Robot SCARA
Hình mẫu nguyên thủy của Scara là một kiểu tay máy có cấu tạo rất đặc biệt. Nó bao
gồm 2 khớp quay, 1 khớp trượt. 3 khớp đều có trục song song với nhau. Các cấu trúc
của Scara là cấu trúc nối tiếp. Nghĩa là động cơ đầu tiên phải mang theo tất cả những
động cơ khác sau đó. Nếu Scara được thiết kế theo đơi cánh tay thì 2 động cơ đầu tiên
sẽ được cố định ở đấy và có chức năng kéo theo, điều khiển các động cơ cịn lại.

IV.

Bài tốn động học Robot SCARA 3 bậc tự do

1. Hệ tọa độ Denavit- Hartenberg

a) Quy tắc gắn các hệ tọa độ lên các khâu
Khi nghiên cứu động học Robot, người ta thường dùng quy tắc Denavit
Hartenberg. Theo quy tắc này thông qua việc gắn các hệ tọa độ lên các khâu ta có thể
xác định được các ma trận biểu biến đổi biểu thị mối quan hệ giữa các hệ tọa độ với
nhau nhờ các phép biến đổi thuần nhất. Nhờ đó mà mà ta xác định được vị trí của
điểm tác động cuối so với hệ tọa độ gốc.


Xét hai khâu kế tiếp nhau của Robot là khâu thứ i-1 và khâu thứ i được liên kết
với nhau thông qua khớp i. Nguyên tắc gắn các hệ tọa độ lên các khâu là:
-

Gốc tọa độ Oi của hệ tọa độO i x i y i z i gắn liền với khâu thứ i đặt tại giao điểm của
trục khớp động thứ i+1 và đường vng góc chung của trục khớp thứ i và trục
khớp thứ i+1. Nếu hai trục khớp này cắt nhau thì gốc tọa độ Oi đặt tại giao điểm
của hai trục khớp đó. Nếu hai trục khớp song song với nhau ta có thể đặt gốc tọa
độ Oi tại điểm bất kỳ nằm trên trục khớp thứ i+1

-

Trục zi của hệ tọa độ O i x i y i z i đặt dọc theo trục của khớp thứ i+1

-

Trục xi của hệ tọa độ O i x i y i z i đặt dọc theo phương của đường vng góc chung
giữa trục khớp thứ i và trục khớp thứ i+1. Chiều của truc xi hướng từ khớp động
thứ i sang khớp động thứ i+1. Trong một số trường hợp khi hai trục khớp động thứ
i và trục khớp động thứ i+1 giao nhau thì trục xi được xác định bằng tích giữa hai
vector z i x z i+1

-

Sau khi đã xác định đƣợc gốc tọa độ Oi , các trục zi và trục xi ta có thể xác định
trục yi bằng quy tắc bàn tay phải
Tương tự như các xây dựng trên ta xác định được hệ tọa độ Oi−1 x i−1 y i−1 zi−1được

gắn liền với khâu i-1


b) Các thông số động học Denavit Hartenberg
Bằng việc gắn các hệ tọa độ Oi x i y i z ivà Oi−1 x i−1 y i−1 zi−1ta xác định các thông số
Denavit Hartenberg. Thông qua các tham số động học Denavit Hartenberg này ta có
thể biểu thị mối quan hệ giữa hệ tọa độ Oi x i y i z ivà Oi−1 x i−1 y i−1 zi−1bằng các phép biến
đổi thuần nhất. Các thơng số động học Denavit Hartenberg đó là:

-

a i :Đường vng góc chung giữa trục khớp thứ i và trục khớp thứ i+1. Đây là

khoảng dịch chuyển để đưa điểm O i ' tới điểm Oi dọc theo chiều của trục x i. Ngoài
ra người ta thường gọi a i là chiều dài khâu i
-

α i :Góc giữa hai trục khớp i và trục khớp i+1 trong mặt phẳng vng góc với pháp

tuyến chung ai. Đây là góc quay quanh trục xi để trục z i−1chuyển đến trục z i.
-

d i :Là khoảng cách đo trên trục z i−1giữa đường vng góc chung tạo bởi trục khớp i

và trục khớp i+1 và đường vng góc chung tạo bởi trục khớp i-1 và trục khớp i.
Đây cũng là khoảng tịnh tiến dọc theo trục z i−1để gốc tọa độ Oi−1chuyển đến O i ' .
-

θi Góc giữa hai đường vng góc chung tạo bởi trục khớp i và trục khớp i+1 và

đường vng góc chung tạo bởi trục khớp i-1 và trục khớp i trong mặt phẳng
vng góc với trục khớp i. Đây cũng là góc quay quanh trục z i−1để phương của
trục tọa độ x i−1và trục x i trùng nhau.
Hai thông số ai và α i là 2 thông số của khâu. Hai thông số này luôn là hằng số độ
lớn của chúng phụ thuộc vào hình dáng, kích thước và vị trí tương đối giữa khâu thứ i
và khâu thứ i-1. Còn lại, d i và θi được gọi là thông số của khớp, chúng phụ thuộc vào


loại của khớp. Trong mỗi trường hợp thì một trong hai thơng số này là hằng số thơng
số cịn lại là ẩn số. Nếu khớp là khớp quay thì thơng số θi là ẩn số và ngược lại nếu
khớp là khớp trượt thì thơng số d i là ẩn số.

2. Phương trình đọc học Robot

V.

Bài tốn động học thuận

Mục đích của bài toán động học thuận là xác định vị trí của khâu tác động cuối của tay
máy khi biết các biến khớp của tay máy. Các bước thực hiện bài toán động học thuận cho
tay máy:
Bước 1: Xác định số khớp và số thanh nối
Bước 2: Gắn lên các thanh nối từ 0 đến n các hệ trục tọa độ
Ví dụ: Thanh nối i (i = 0 ÷ n) gắn hệ trục Oi i i i ,X ,Y , Z

 qi: là góc quay của thanh nối thứ i,
 di: là độ lệch khâu,
 ai: là độ dài đường vng góc chung giữa Zi-1 và Zi ,
 αi: là góc vặn của thanh nối.
Cách xác định trục Zi: là trục mà xung quanh nó khớp thứ i+1 quay hoặc dọc theo khớp
(i = 1÷ n-1) tịnh tiến.
 Z0: trục mà xung quanh nó khớp 1quay,
 O0: tâm hệ trục tọa độ quy chiếu, chọn một điểm cố định trên đế Robot,
 Z1: trục mà xung quanh nó khớp 2 quay hoặc khớp tịnh tiến,
 Zn-1 : trục mà xung quanh nó khớp n quay,
 Zn: trùng phương với Zn-1


Cách xác định trục Xi: Trục X thường được đặt dọc theo pháp tuyến chung và hướng từ
khớp i đến i+1. Trong trường hợp các trục khớp cắt nhau thì trục X chọn theo tích vectơ
Zi-1 x Zi.
Cách xác định trục Yi: Xác định theo quy tắc bàn tay phải.

Bước 3: Xác định các biến khớp
 Khớp quay tương ứng với biến khớp quay q.
 Khớp tịnh tiến tương ứng với biến khớp tịnh tiến d.
Bước 4: Xác định quan hệ giữa hai khung tọa độ i và i-1
Hệ trục tọa độ i và hệ trục tọa độ i-1 giữa hai khâu nối tiếp nhau có quan hệ với nhau
bằng phép biến đổi đồng nhất, theo trình tự sau:
 Quay xung quanh trục Zi-1 một góc θi sao cho trục Xi-1 trùng với phương của
trục Xi

 Tịnh tiến dọc theo trục Zi-1 một đoạn di để gốc khung tọa độ mới trùng chân
pháp tuyến chung trục i-1 và i, (Xi-1≡ Xi),
 Tịnh tiến dọc theo trục Xi-1 một đoạn ai, (Oi-1≡ Oi),
 Quay xung quanh trục Xi-1 một góc αi sao cho trục Zi-1 trùng với trục Zi.
Các phép biến đổi trên được thực hiện so với khung tọa độ hiện tại, do đó phép biến đổi
tổng hợp được xác định như sau:

Bước 5: Xác định phương trình động học thuận cho tay máy.

VI.

Bài tốn động học ngược

Mục đích của bài tốn động học ngược là tìm các biến khớp của tay máy khi biết vị trí
khâu tác động cuối của tay máy. Có 3 phương pháp cơ bản để xác định mơ hình động học
ngược của tay máy là phép đảo hướng, phép đảo vị trí và phép đảo kết hợp. Thơng
thường hay sử dụng phương pháp đảo kết hợp nên trong bài em đưa ra cách giải bài toán
động học ngược theo phương pháp đảo kết hợp.


Giả sử:

(2.4)
Ta nhân cả 2 vế với ma trận nghịch đảo (A1-1) ta được: A1-1.T2 = A2
Với ma trận nghịch đảo:


Cân bằng các thành phần cột 4 của phương trình trên ta nhận được các phương trình sau:
 Cθ1.px + Sθ1.py – a2 = 0                (2.5)
 Sθ1.px – Cθ1.py          = 0                (2.6)

 –pz                              = d2                (2.7)