TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
VIỆN KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ
=====***=====

BÁO CÁO TIỂU LUẬN HỌC PHẦN

ROBOT CÔNG NGHIỆP
Đề tài:

THIẾT KẾ ROBOT 4 BẬC TỰ DO

Sinh viên thực hiện:

Giảng viên hướng dẫn:

Nguyễn Xuân Nam (NT)
Thịnh Kiên Cường
Phan Đình Diệu
Trần Ngọc Dũng
Trần Văn Tấn
Thái Đắc Tường
ThS. Hồ Sỹ Phương

Nghệ An, 2022


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH......................................................................................................1
LỜI NĨI ĐẦU........................................................................................................................2
CHƯƠNG 1. KHÁI NIỆM VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT..............................3
1.1. Khái niệm về Robot.....................................................................................................3

1.2. Sự phát triển của Robot công nghiệp...........................................................................3
1.3. Ứng dụng robot cơng nghiệp đem lại những lợi ích như thế nào?...............................4
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ ĐỘNG HỌC NGHỊCH
CỦA ROBOT.......................................................................................................................... 6
2.1. Động học thuận............................................................................................................6
2.2. Động học nghịch........................................................................................................11
2.3. Động lực học robot....................................................................................................15
2.4. Chọn động cơ cho robot.............................................................................................16
CHƯƠNG 3 MƠ PHỎNG KẾT QUẢ TRÊN MALAB VÀ SOLIDWORKS....................19
3.1. Mơ phỏng điều khiển robot 4 bậc trên sơ đồ..............................................................19
3.2. Thiết kế hình dạng Robot dưới phần mềm Solidworks..............................................20
KẾT LUẬN........................................................................................................................... 23
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................................24


DANH MỤC HÌNH ẢN
Hình 1.1. Robot trong sản xuất cơng nghiệp...........................................................................4
Hình 2.1. Tay máy có khâu phẳng...........................................................................................6
Hình 2.2. Tính ma trận tổng quát............................................................................................8
Hình 2.3. Giải phương trình động học bằng Matlab................................................................9
Hình 2.4. Kết quả.................................................................................................................... 9
Hình 2.5. Tính động học nghịch bằng Matlab.......................................................................14
Hình 2.6. Mơ hình cánh tay robot trên Matlab......................................................................18
Hình 3.1. Mơ phỏng robot 4 bậc matlab Simulink................................................................19
Hình 3.2. Gắn động lực học vào mơ hình robot....................................................................19
Hình 3.3. Phần đế robot mơ phỏng Soliworks.......................................................................20
Hình 3.4. Phần thân 1 robot mơ phỏng Soliworks.................................................................20
Hình 3.5. Phần thân 2 robot mơ phỏng Soliworks.................................................................21
Hình 3.6. Phần thân 3 robot mơ phỏng Soliworks.................................................................21
Hình 3.7. Phần đầu mũi robot mơ phỏng Soliworks..............................................................22

Hình 3.8. Tổng quan Robot và lắp ghép hoàn hiện gắn hệ trục toạ độ..................................22

1


LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm gần đây cả nước ta đang bước vào công cuộc CNH, HĐH đất nước.
Sự giáo dục đóng vai trị quan trọng trong cơng cuộc này, đặc biệt là đào tạo ra đội ngũ cán
bộ có tay nghề cao kết hợp chặt chẽ lý thuyết và thực tiễn vào sản xuất.
Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin… ngành kỹ
thuật điều khiển và tự động hóa đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới. Tự động hóa không
những làm giảm nhẹ sức lao động cho con người mà cịn góp phần rất lớn trong việc nâng
cao năng suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm.
Với sự phát triển của kinh tế xã hội hiện nay, các dây chuyền sản xuất tự động đóng vai
trị rất lớn đặc biệt là với sự đa dạng về các loại cánh tay robot, giúp cơng việc sản xuất được
an tồn, nhanh chóng tiện lợi nâng cao năng suất lao động, giảm thiểu rủi ro. Với đề tài thiết
kế robot 4 bậc tự do lần này là một cơ hội lớn để chúng em hiểu thêm về các kỹ thuật tự
động, áp dụng được vào thực tế một cách hiệu quả.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, cơ trong bộ mơn tự động hóa đã
tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành tốt bản đồ án này.

2


CHƯƠNG 1. KHÁI NIỆM VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT
1.1. Khái niệm về Robot
Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các
chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ, có khả năng định vị,
định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất như chi tiết, đạo cụ, gá lắp theo những hành
trình thay đổi đã được chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.

1.2. Sự phát triển của Robot công nghiệp
Trên thế giới:
Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Séc (Czech) “Robota” có nghĩa là cơng việc tạp
dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921.
Thuật ngữ Industrial Robot (IR) xuất hiện đầu tiên ở Mỹ do công ty AMF (American
Machine and Foundry Company) quảng cáo, mơ phỏng một thiết bị có dáng dấp và có một
số chức năng như tay người được điều khiển tự động, thực hiện một số thao tác sản xuất có
tên gọi là “Versatran”.
Q trình phát triển của Robot cơng nghiệp được tóm tắt như sau:
– Năm 1950 ở Mỹ thành lập viện nghiên cứu đầu tiên.
– Đầu năm 1960 công ty AMF cho ra đời sản phẩm đầu tiên có tên gọi là Versatran.
– Từ năm 1967, ở Anh, người ta đã bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR theo bản quyền của
Mỹ.
– Từ năm 1970, việc nghiên cứu các tính năng của robot đã được chú ý nhiều hơn và cũng
bắt đầu xuất hiện ở các nước Đức, Ý, Pháp, Thụy Điển.
– Từ năm 1968, ở Châu Á, Nhật bắt đầu nghiên cứu những ứng dụng của IR.
– Từ những năm 1980, nhất là vào những năm 1990, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ
thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot cơng nghiệp đã gia tăng với nhiều
tính năng vượt bậc. Chính vì vậy mà robot cơng nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây
chuyền sản xuất tự động hiện đại như hiện nay.
Đến nay, trên thế giới có khoảng trên 200 cơng ty sản xuất IR trong số đó bao gồm:
– 30 cơng ty của Mỹ, ta có thể lấy một số cơng ty điển hình như: Robots.Pro, Vecna
Robotics, Robot Dynamics …cùng với những sản phẩm nổi tiếng như: robot lấy sách tự
động, robot HOAP-3, robot BEAR, robot tự hành Spirit and Opportunity…
– 80 công ty của Nhật, ta có thể lấy một số cơng ty điển hình như: Fanuc, Toyota, Honda,
Hitachi, Kawasaki, shikawajima-Harima, Yasukawa…Cùng với những sản phẩm robot được
áp dụng phổ biến như: robot Asimo, robot EMIEW 2, robot Simroid, robot chơi vĩ cầm,
robot phẫu thuật…….

3



Hình 1.1. Robot trong sản xuất cơng nghiệp
1.3. Ứng dụng robot cơng nghiệp đem lại những lợi ích như thế nào?
Các loại robot ra đời có ý nghĩa vai trị vô cùng quan trọng trong sản xuất và đời
sống, giúp hỗ trợ rất nhiều cho con người, nâng cao hiệu quả sản xuất, tiết kiệm chi phí,
nhân cơng… Đặc biệt là trong những môi trường, điều kiện làm việc khắc nghiệt, độc hại và
nguy hiểm.
Sau đây là ứng dụng của một số loại robot công nghiệp tiêu biểu được dùng phổ biến
hiện nay:
+ Robot bốc xếp hàng hóa
Ứng dụng dùng để xếp bao từ dây chuyền sản xuất lên pallet, xếp các loại thùng
hàng…
+Robot hàn gia cơng cơ khí
Thường được áp dụng trong các dây chuyền sản xuất tự động địi hỏi tính chun
mơn cao, phức tạp trong các lĩnh vực như sản xuất ô tô, xe máy, giá đỡ…Ứng dụng robot
hàn gia cơng cơ khí dùng để hàn tích, hàn dây, hàn điểm, hàn laze…
+ Robot gắp và xếp sản phẩm
Dùng để gắp đặt sản phẩm từ vị trí cố định hoặc di chuyển sang vị trí, cho phép sử
dụng trong tất cả các giai đoạn của quá trình sản xuất, từ cấp nhiên vât liệu đầu vào đến

4


đóng gói sản phẩm ở đầu ra. Các sản phẩm thuộc dịng robot này có phạm vi ứng dụng chủ
yếu trong các nhà máy sản xuất, chế biến thực phẩm, nước giải khát, hàng tiêu dùng, dược
phẩm, hóa chất…
+ Robot đúc và rèn
Ứng dụng của robot công nghiệp này thường thấy trong ngành đúc, có nhiệm vụ rót
kim loại nóng chảy vào khuôn, cắt mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tặng bền vật đúc

bằng cách phun cát.

5


CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ ĐỘNG HỌC
NGHỊCH CỦA ROBOT
2.1. Động học thuận
Thiết kế tay máy 4 bậc tự do:
+ Ta xét tay máy có khâu phẳng như hình sau ở vị trí bất kì:

Hình 2.1. Tay máy có khâu phẳng

6


+ Ta xác định hệ toạ độ và lập bảng thông số D-H:
a

α

d

θ

1

0

90


L1

Θ1

2

L2

0

0

Θ2

3

L3

0

0

Θ3

4

L4

0


0

Θ4

+ Xác định các ma trận A
Ma trận có dạng như sau:
An=
Với quy ước viết tắt: C1=Cos;S1= Sin; C2=Cos…
*Cho L2=L3=150; L4=160; L1=45
Θ1=90; Θ2=0; Θ3=0; Θ4=0
+ Tính ma trận biến đổi thuần nhất T:
T1=;
T3=

T2=
T3=

+ Ma trận tổng quát

T=

=> , R là hướng

7


Hình 2.2. Tính ma trận tổng qt

=

=
=
=

Ta có hệ phương trình động học của robot như sau:
=
=
=
=0
=
=
=
=+
Giải phương trình dưới dạng Malab ta có như sau:

8


Hình 2.3. Giải phương trình động học bằng Matlab

Hình 2.4. Kết quả

9


*Code matlab:
theta1=90;
anpha1= 90;
a1=0;
d1=45;

A1=[cosd(theta1) -cosd(anpha1)*sind(theta1)
sind(theta1)*sind(anpha1) a1*cosd(theta1); sind(theta1)
cosd(theta1)*cosd(anpha1) -cosd(theta1)*sind(anpha1)
a1*sind(theta1);0 sind(anpha1) cosd(anpha1) d1; 0 0 0 1]
theta2=0;
anpha2=0;
a2=0.15;
d2= 0;
A2=[cosd(theta2) -cosd(anpha2)*sind(theta2)
sind(theta2)*sind(anpha2) a2*cosd(theta2); sind(theta2)
cosd(theta2)*cosd(anpha2) -cosd(theta2)*sind(anpha2)
a2*sind(theta2);0 sind(anpha2) cosd(anpha2) d2; 0 0 0 1]
theta3=0;
anpha3=0;
a3=0.15;
d3=0;
A3=[cosd(theta3) -cosd(anpha3)*sind(theta3)
sind(theta3)*sind(anpha3) a3*cosd(theta3); sind(theta3)
cosd(theta3)*cosd(anpha3) -cosd(theta3)*sind(anpha3)
a3*sind(theta3);0 sind(anpha3) cosd(anpha3) d3; 0 0 0 1]
theta4=0;
anpha4=0;
a4=0.16;
d4=0;
A4=[cosd(theta4) -cosd(anpha4)*sind(theta4)
sind(theta4)*sind(anpha4) a4*cosd(theta4); sind(theta4)
cosd(theta4)*cosd(anpha4) -cosd(theta4)*sind(anpha4)
a4*sind(theta4);0 sind(anpha4) cosd(anpha4) d4; 0 0 0 1]

10



T1=A4
T2=A3*T1
T3=A4*T2
T4=A3*T3
2.2. Động học nghịch
- Từ phương pháp xây dựng phương trình của động học thuận ta xây dựng lại phương trình
động học ngược như sau:
+ Xuất phát từ phương trình Tn:

11


Ta gắn hệ trục toạ độ OXYZ lên cùng với toạ độ của Robot ta tìm các giá trị cịn lại:
+ Sử dụng phương pháp tính tốn dựa trên hình học:

+ Tính θ1:
θ1=atan2(Px,Py)

12


+ Tính θ3:
Áp dụng định lí Cosin vào tam giác :
()^2=()^2+()^2-2*Cos(180-)
Trong đó: ;=L3;
Cos(180-)= -Cos()
=> Cos() =
Ta tính () :

Xét tam giác vng () :
()^2 = ()^2+()^2
=+DC=L1+(DB-BC)
Trong đó: BC=EO5=L4*Cos(234);DB=OA=
=> O2C=L1+-L4*Cos(234)
+ Tính O4C:
O4C=O4E+EC=L4*Sin(234) + (Pz-AB)=Pz-L1
=> O4L=Pz-L1+L1*Sin(234)
Mặt khác ta có :
Sin=
=>=atan2(Sin,Cos)
Xét tam giác vuông F :
=atan2(F,F)
F=L3*Sin
F=L2+L3*Cos()
=>=atan2(,L2+L3C3)
Xét tam giác vuông O2O4C :
=atan2(O4C,O2C)
=>=+
=++
=>=-(+)=-(+)

13


+ Tính tốn trên Malab:

Hình 2.5. Tính động học nghịch bằng Matlab
*Code matlab:
%Nhap bo thong so DH

a={0,0.15,0.15,0.16};anpha={90,0,0,0};theta={90,0,0,0};d={0.4
5,0,0,0};
%Khoi tao ma tran A
A1=ones(4,4);A2=A1;A3=A1;A4=A1;
%Khai bao mang chua cac ma tran A
mtA={A1,A2,A3,A4};
for i=1:4
mtA{i}=[
cosd(theta{i})
-cosd(anpha{i})*sind(theta{i})
sind(theta{i})*sind(anpha{i}) a{i}*cosd(theta{i});...
sind(theta{i})
cosd(theta{i})*cosd(anpha{i})
-cosd(theta{i})*sind(anpha{i}) a{i}*sind(theta{i});...
0 sind(anpha{i}) cosd(anpha{i}) d{i};...
0 0 0 1];
end

14


T=mtA{1}*mtA{2}*mtA{3}*mtA{4}
2.3. Động lực học robot
Hàm Langrange của một hệ thống năng lượng được định nghĩa:
L=K-P
Trong đó: K là tổng động năng của hệ thống
P là tổng thế năng
K và P đều là những đại lượng vơ hướng nên có thể chọn bất cứ hệ toạ độ thích hợp
để giải bài tốn
Đồi với robot có 4 khâu ta có :

K= ; P=
Ở đây,Ki và Pi là động năng và thế năng của khâu thứ I xét trong hệ toạ độ chọn.Ta
biết mỗi đại lượng Ki và Pi là một hàm số phụ thuộc nhiều biến số
)
)
Với là toạ độ suy rộng của khớp thứ i.Nếu khớp thứ I là khớp quay thì là góc quay
,nếu là khớp tịnh tiến thì là độ dài tịnh tiến
Lực (hay mommen) tổng quát tác dụng lên khâu thứ i:
F=
Áp dụng hàm Lagrange cho ví dụ trên, ta có :
Phương trình Lagrange:
L = K-P= +--= + + -L=+ -(
Khi tính lực tổng quát, các biến của hệ: và
Phương trình chuyển động của Lagrange:

Tốc độ được biểu diễn bằng công thức:

15


2.4. Chọn động cơ cho robot
Môn men quay của động cơ tại một điểm là tỷ số giữa công suất và vận tốc góc
(N.m)
(1)
Mà ta có vận tốc góc là:
(rad/s)
(2)
(tỷ số giữa vận tốc quay của động cơ chia cho bán kính động cơ)
Có cơng suất của động cơ thì bằng lực nhân vận tốc động cơ
W)

(3)
hay (3) vào công thức (1) ta được:
(4)
Tính tốn trình bày:
Chọn động cho khâu thứ 4 (DC4)
Dựa vào các công thức (1), (2), (3), (4) mà ta có mơn men quay của cả động cơ trên
cả khâu 4 là:
(N.m)
Mà chiều dài khâu 4 là: nên ta có mơn men quay của cả khâu 4 là:
(N.m)
Cơng suất của động cơ:
(W)
Vận tốc góc của khâu 4: (rad/s)
Chọn động cơ cho khâu thứ 3 :
Vì khâu thứ ba ngồi trọng lực của nó nó cịn mang theo cả trọng lực của khâu thứ 4
Do vậy lực tác động của khâu 3 là

Vậy: Công suất động cơ ba là:
(W)
Vận tốc góc của khâu 3:
(rad/s)
Mơn men quay của động cơ là:

16


(N.m)
Ta lại có :
(m)
Nên suy ra :

(N.m)
Tương tự với khâu 2 ta có vận tốc góc, cơng suất và mơ men quay được tính theo
cơng thức sau:
Đối với khâu 2:
Vận tốc góc của khâu 2:
(rad/s)
Cơng suất:
(W)
Mơ men quay:
(N.m)
Mà :
Nên ta có:

(m)

(N.m)
Đối với khâu 1: Ta có vận tốc góc, cơng suất và mơ men quay được tính theo cơng
thức sau:
Vận tốc góc của khâu 1:
(rad/s)
(W)
(N.m)
Ta cũng có:
(m)
Nên:
(N.m)
Để chọn một động cơ phù hợp ta cần phải có đủ bộ ba thơng số vận tốc góc , cơng
suất động cơ và mô men quay của động cơ
+ Môn men quay của đông cơ: T
(N.m)

+ Công suất của động cơ: P
(W)
+ Vận tốc góc của động cơ:
(Rad/s)

17


Đây chỉ là một trong những phương pháp dựa trên cơ sở lý thuyết một cách khoa học
mà nhóm em đã đưa ra để chọn lại động cơ.

Hình 2.6. Mơ hình cánh tay robot trên Matlab

18


CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG KẾT QUẢ TRÊN MALAB VÀ SOLIDWORKS
3.1. Mơ phỏng điều khiển robot 4 bậc trên sơ đồ

Hình 3.1. Mơ phỏng robot 4 bậc matlab Simulink

Hình 3.2. Gắn động lực học vào mơ hình robot

19


3.2. Thiết kế hình dạng Robot dưới phần mềm Solidworks
- Phần đế:

Hình 3.3. Phần đế robot mơ phỏng Soliworks

- Phần thân 1:

Hình 3.4. Phần thân 1 robot mơ phỏng Soliworks

20


- Phần thân 2:

Hình 3.5. Phần thân 2 robot mơ phỏng Soliworks
- Phần thân 3:

Hình 3.6. Phần thân 3 robot mô phỏng Soliworks

21


- Phần đầu mũi:

Hình 3.7. Phần đầu mũi robot mơ phỏng Soliworks
- Tổng quan Robot và lắp ghép hoàn hiện gắn hệ trục toạ độ:

Hình 3.8. Tổng quan Robot và lắp ghép hoàn hiện gắn hệ trục toạ độ

22


KẾT LUẬN
Nội dung tiều luận môn “Robot Công Nghiệp” là tìm hiểu về xây dựng Robot 4 bậc
tư do,bài tốn động lực học, động học thuận,động học nghịch, điều khiển thiết kế simulink

dưới malab và mô phỏng trên phần mềm Solidworks.
Qua bài tiều luận, chúng em đã hồn thành tìm hiểu về các yêu cầu của bài toán trên
xây dựng theo động học thuận nghịch theo các cách khác nhau và đã gần như hoàn thiện của
các loại hệ thống trên.
Mặc dù nhóm đã có nhiều cố gắng xong do thời gian và trình độ có hạn, nên nội dung
của bài tiểu luận khơng thể tránh khỏi thiếu sót, vì vậy chúng em rất mong có được sự đóng
góp ý kiến của thầy, cô cùng các bạn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

23