BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT DELTA 3 BẬC
TỰ DO ỨNG DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ - ĐIỆN TỬ
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: Th.S Lê Tấn Sang

Sinh viên thực hiện:

MSSV:

Lớp:

Lê Văn Danh

1711030183

17DCTA2

Phạm Phước Sang

1711030263

17DCTA2

Trương Tiến Phú

1711030055

17DCTA1

Tp. Hồ Chí Minh, tháng …/… (ghi ngày tháng bảo vệ)

i


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN. .............................................................................................................. ii
MỤC LỤC. .................................................................................................................... iii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU. ........................................................................................ vi
DANH SÁCH HÌNH VẼ. ............................................................................................ vii
TÓM TẮT ĐỀ TÀI.......................................................................................................ix
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN..............................................................................................1
1.1

Đặt vấn đề .................................................................................................................. 1

1.2

Tổng quan về robot delta ......................................................................................... 1

1.2.1 Khái niệm ............................................................................................................... 1
1.2.2 Lịch sử phát triển................................................................................................... 2
1.2.3 Phân loại robot ....................................................................................................... 5
1.2.4 Ứng dụng ................................................................................................................ 8
1.3


Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi của đề tài ............................................................ 11

1.3.1 Đề tài đồ án ........................................................................................................... 11
1.3.2 Mục tiêu ................................................................................................................ 11
1.3.3 Nhiệm vụ ............................................................................................................... 11
1.4

Tổ chức đồ án .......................................................................................................... 11

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN.....................................................................13
2.1

Lựa chọn cơ cấu delta............................................................................................. 13

2.2

Lựa chọn động cơ truyền động .............................................................................. 14

2.2.1 Giới thiệu một số loại động cơ phổ biến............................................................. 14
2.2.2 Lựa chọn động cơ................................................................................................. 16
iii


2.3

Lựa chọn khớp truyền động................................................................................... 17

2.4


Lựa chọn bộ điều khiển .......................................................................................... 19

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC..............................................................20
3.1

Cấu trúc cơ bản của robot delta ............................................................................ 20

3.2

Xây dựng mơ hình tốn học ................................................................................... 21

3.2.1 Cấu trúc hình học ................................................................................................ 21
3.2.2 Bài toán động học thuận...................................................................................... 24
3.2.3 Bài toán động học nghịch .................................................................................... 26
3.2.4 Không gian làm việc của robot delta.................................................................. 29
3.3

Kết luận ................................................................................................................... 29

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ MẠCH ĐIỆN..................................................30
4.1

Thiết kế cơ khí ......................................................................................................... 30

4.1.1 Yêu cầu thiết kế .................................................................................................... 30
4.1.2 Lựa chọn vật liệu.................................................................................................. 30
4.1.3 Thiết kế các cụm chi tiết ...................................................................................... 31
4.1.4 Tính tốn cơng suất và lựa chọn động cơ .......................................................... 34
4.1.4 Tổng kết phần cơ khí ........................................................................................... 36
4.2


Thiết kế mạch điện.................................................................................................. 36

4.2.1 Yêu cầu hệ thống điện ......................................................................................... 36
4.2.2 Mạch Arduino Uno R3 ........................................................................................ 38
4.2.3 Driver và động cơ bước ....................................................................................... 39
4.2.4 Cảm biến xác định vị trí Home ........................................................................... 41
4.2.5 Nguồn điện ............................................................................................................ 42
4.2.6 Tổng kết phần điện .............................................................................................. 42
CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN..............47
5.1

Mô phỏng động học trên phần mềm Matlab Similink ........................................ 47

5.1.1 Xây dựng mơ hình mô phỏng..............................................................................
47
iv


5.1.2 Kết quả mô phỏng ................................................................................................ 49
5.2

Thiết kế giải thuật điều khiển ................................................................................ 50

5.2.1 Yêu cầu thiết kế .................................................................................................... 50
5.2.2 Chương trình điều khiển robot delta ................................................................. 50
5.2.3 Giải thuật điều khiển đưa robot về vị trí Home ................................................ 52
5.2.4 Giải thuật điều khiển vị trí .................................................................................. 53
CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ....................................55
6.1


Mục đích thực nghiệm ............................................................................................ 55

6.2

Bố trí thí nghiệm kiểm tra...................................................................................... 55

6.3

Tổng kết và đánh giá kết quả ................................................................................. 58

6.4

Phương án khắc phục hạn chế và hướng phát triển đề tài ................................. 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 59

v


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Bảng so sánh ưu nhược điểm của động cơ bước và động DC-servo ...........17
Bảng 2.2: Bảng so sánh bộ điều khiển ...........................................................................19
Bảng 4.1: Đặc tính của hợp kim nhôm 1060 .................................................................32
Bảng 4.2: Thông số điện áp nguồn cấp cho hệ thống. ...................................................42

vi


DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mơ hình robot delta đầu tiên của giáo sư Remond Clevel ..............................2
Hình 1.2: Robot Line-Placer dùng trong cơng nghiệp đóng gói bánh quy......................3
Hình 1.3: Robot IRB 340 FlaxPicker ..............................................................................4
Hình 1.4: SurgiScope robot đang vận hành thử ...............................................................4
Hình 1.5: Robot FANUC M-2iA .....................................................................................5
Hình 1.6: Sơ đồ phân loại delta robot 3 bậc tự do ...........................................................6
Hình 1.7: Cơ cấu robot delta dạng khớp xoay .................................................................6
Hình 1.8: Cơ cấu robot delta dạng khớp trượt .................................................................7
Hình 1.9: Cơ cấu robot delta dạng tổng hợp....................................................................8
Hình 1.10: Ứng dụng của delta robot trong đóng gói sản phẩm .....................................9
Hình 1.11: Ứng dụng của robot delta trong lắp ráp linh kiện ..........................................9
Hình 1.12: Ứng dụng của robot delta trong lĩnh vực y học giải phẫu ...........................10
Hình 1.13: Ứng dụng của robot delta trong cơng nghệ in 3D và vẽ 2D ........................10
Hình 1.14: Ứng dụng của cơ cấu delta trong công nghê giao tiếp Haptic .....................10
Hình 2.1: Cơ cấu robot delta dạng khớp xoay được lựa chọn .......................................13
Hình 2.2: Động cơ DC ...................................................................................................14
Hình 2.3: Động cơ bước ................................................................................................15
Hình 2.4: Động cơ DC-servo .........................................................................................15
Hình 2.5: Động cơ AC-servo .........................................................................................16
Hình 2.6: Khớp cầu........................................................................................................18
Hình 2.7: Khớp xoay .....................................................................................................18
Hình 3.1: Cấu trúc cơ bản của Delta robot ....................................................................20
Hình 3.2: Cấu trúc hình học của robot delta ..................................................................21
Hình 3.3: Đơn giản hóa mơ hình tốn học robot delta ..................................................22
Hình 3.4: Hình chiếu điểm hệ trục tọa độ cố định trong hệ tọa độ Oxy .......................22
Hình 3.5: Kí hiệu các khâu ............................................................................................23
Hình 3.6: Hệ trục tọa độ các khâu .................................................................................23
Hình 3.7: Sơ đồ bài tốn động học thuận ......................................................................24
Hình 3.8: Ba hình cầu giao nhau tại hai điểm................................................................25
vii



Hình 3.9: Sơ đồ bài tốn động học nghịch ....................................................................26
Hình 3.10: Hai vị trí cánh tay số 1.................................................................................27
Hình 3.11: Kích thước các khâu ....................................................................................29
Hình 4.1: Bản vẽ phân rã 3D một nhánh của kết cấu cụm động cơ và khâu 1..............32
Hình 4.2: Bản vẽ phân rã 3D một nhánh kết cấu cụm khâu 2 và đầu cơng tác.............33
Hình 4.3: Bản vẽ phân rã 3D một nhánh của mơ hình robot Delta trên Solidwork......34
Hình 4.4: Vị trí khâu 1 nằm ngang và vng góc với khâu 2.......................................35
Hình 4.5: Sơ đồ khối mạch điện của tồn hệ thống ......................................................37
Hình 4.6: Kit Arduino Uno R3......................................................................................39
Hình 4.7: Sơ đồ khối Driver Leashine DM542 – 05.....................................................40
Hình 4.8: Sơ đồ nguyên lý module GY – 521 MPU – 6050.........................................42
Hình 5.1: Phần động học thuận trong phần mềm matlab..............................................48
Hình 5.2: Phần động học ngược trong phần mềm matlab.............................................48
Hình 5.3: Sơ đồ giao tiếp I2C........................................................................................51
Hình 5.4: Lưu đồ giải thuật đưa robot về vị trí Home...................................................52
Hình 5.5: Lưu đồ giải thuật điều khiển vị trí.................................................................53
Hình 6.1: Vị trí Home....................................................................................................56
Hình 6.2: Tiến hành gắp vật...........................................................................................56
Hình 6.3: Tiến hành thả vật............................................................................................57

viii


TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Trong những năm trở lại đây cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật,
tự động hóa trong cơng nghiệp bằng robot là chìa khóa chiến lược để nâng cao
năng suất và sức cạnh tranh giữa các doanh nghiệp. Sự phát triển mạnh mẽ của của các
loại robot đóng một vai trị to lớn cho sự phát triển của một nền cơng nghiệp, đem lại

lợi ích to lớn cho con người và xã hội. Đặc biệt trong ngành cơng nghiệp đóng gói và
lắp ráp, cần những robot có tốc độ làm việc nhanh, chính xác và ổn định. Tuy nhiên,
việc sử dụng những robot nối tiếp có khối lượng nặng đến hàng trăm kilơgram chỉ để
di chuyển những vật chỉ nặng vài trăm gram thì rất lãng phí và khơng phù hợp với mục
đích hướng đến của ngành cơng nghiệp đóng gói. Từ đó, Robot Delta ra đời để
giải quyết vấn đề trên. Nhận thấy tầm quan trọng đó, Đồ án xin trình bày q trình
nghiên cứu, thiết kế và điều khiển Robot Delta 3 bậc tự do.
Trong phạm vi thời gian và kinh phí hạn chế, đồ án trình bày quá trình
nghiên cứu, thiết kế và điều khiển cơ cấu Robot Delta 3 bậc tự do di chuyển từ điểm
đến điểm. Trong tờ nhiệm vụ đồ án sẽ đưa ra một số yêu cầu cụ thể đối với đề tài.
Những yêu cầu này là cơ sở cho việc tính tốn, lựa chọn các thiết bị và lập trình.
Tiếp theo tiến hành xây dựng mơ hình tốn và tiến hành kiểm tra tính đúng đắn của
bài tốn động học. Thiết kế mơ hình 3D trên Solidwork.

ix


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Vào thập niên 80 của thế kỷ 19, ngành công nghiệp đóng gói bắt đầu phát triển
mạnh mẽ. Để đáp ứng nhu cầu sản xuất, một yêu cầu đặt ra là cần một robot có thể
di chuyển linh hoạt với tốc độ cao, chính xác và khả năng lặp lại tốt. Mặc dù,
vào thời điểm đó , robot nối tiếp với ý tưởng mô phỏng hoạt động cánh tay con người
đã được nghiên cứu và ứng dụng đem lại hiệu quả cao trong sản xuất công nghiệp.
Tuy nhiên, việc sử dụng một robot có khối lượng nặng đến hàng trăm kilơgram chỉ để
di chuyển những vật chỉ nặng vài trăm gram thì rất lãng phí và khơng phù hợp với
mục đích hướng đến của ngành cơng nghiệp đóng gói. Từ đó, Robot Delta ra đời để
giải quyết vấn đề trên.

Những năm sau đó, việc nghiên cứu được thực hiện nhiều hơn nữa, hàng loạt
công ty ra đời tạo điều kiện cho Robot Delta ngày càng phát triển. Robot Delta
không chỉ được ứng dụng trong cơng nghiệp đóng gói, lắp ráp linh kiện mà còn được
quan tâm nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực khác như trong lĩnh vực y tế và trong
các phịng thí nghiệm.
Nhận thấy tầm quan trọng đó, đề tài đồ án này tiến hành nghiên cứu, thiết kế và
điều khiển Robot Delta 3 bậc tự do dạng khớp xoay di chuyển từ điểm đến điểm.
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, tính tốn, thiết kế và điều khiển robot theo cả 3
phương X, Y, Z. Để kiểm tra tính đúng đắn của phương tình động học.
1.2 Tổng quan về robot delta
1.2.1 Khái niệm
Robot Delta là một loại robot song song ba bậc tự do. Cũng như các robot song
song khác, Robot Delta có cấu trúc vịng kín. Trong đó có 3 nhánh, mỗi nhánh có một
đầu được nối với giá cố định bằng khớp tịnh tiến hoặc khớp xoay và đầu còn lại được
nối với một giá di động thơng qua cơ cấu hình bình hành. Với cấu trúc hình học như vậy

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
nên giá di động luôn định hướng và chỉ có thể chuyển động tịnh tiến trong mặt phẳng
Oxy và theo phương z.
1.2.2 Lịch sử phát triển
Vào đầu thập niên 80, một nhóm nghiên cứu dưới sự chỉ đạo của giáo sư Reymond
Clavel (EPFL, Thụy Sĩ) đã nảy ra một ý tưởng độc đáo là sử dụng cơ cấu hình bình hành
để tạo ra một robot song song có ba bậc tự do tịnh tiến và một bậc tự do quay. Mục đích
của loại robot mới này là thao tác gắp nhả các vật nhẹ và nhỏ với tốc độ cao, nhu cầu
cơng nghiệp vào thời điểm đó. [1]
Giáo sư Reymond Clavel khi đó đã nhìn thấy được những hạn chế của robot
nối tiếp như các động cơ được đặt tại mỗi khớp nối tiếp nên công suất động cơ sẽ

tăng dần lên tính từ đầu cơng tác gây tốn kém chi phí cho q trình sản xuất. Ngoài ra,
với cơ cấu các khớp nối tiếp và di chuyển độc lập với nhau thì cần khối lượng robot
đủ lớn để đảm bảo độ cứng vững. Để giải quyết vấn đề này, Clavel đã cố định tất cả
các động cơ thay vì di động nhờ đó giảm được đáng kể khối lượng các khâu. Từ việc
robot có khối lượng nhẹ dẫn đến moment xoắn tại các động cơ sẽ giảm xuống, điều đó
có nghĩa là vận tốc di chuyển của Robot Delta sẽ lớn hơn robot nối tiếp.

Hình 1.1: Mơ hình robot delta đầu tiên của giáo sư Remond Clevel

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Tuy nhiên, với những ưu điểm kể trên so robot nối tiếp thì bên cạnh đó robot song
song vẫn có những nhược điểm nhất định. Điểm hạn chế lớn nhất của Robot Delta so với
cánh tay robot nối tiếp là mơ hình tính tốn phức tạp hơn và sự giới hạn trong chuyển
động và không gian làm việc.
Lịch sử của Robot Delta trên thương trường rất dài, phức tạp. Mọi chuyện khởi
nguồn từ năm 1983 khi mà hai anh em người Thụy Sĩ là Marc-Olivier và Pascal
Demaurex thành lập cơng ty Demaurex đóng tại Romanel-sur-Lausanne, Thụy Sĩ. Vào
năm 1987, họ mua giấy phép sử dụng bản quyền Robot Delta và đặt ra mục tiêu chính là
thương mại hóa robot này vào ngành cơng nghiệp đóng gói.

Hình 1.2: Robot Line-Placer dùng trong cơng nghiệp đóng gói bánh quy
Những năm kế tiếp, công ty Demaurex phiên bản khác cũng đã được đưa ra thị
trường với tên gọi là Pack-Placer, Line-Placer, Top-Placer và Presto. Vào năm 1996,
anh em nhà Demaurex đã mua bản quyền Robot Delta từ công ty EPFL.
Năm 1991, Reymond Clavel đã trình bày luận án tiến sĩ về đề tài “Conception
d'un robot parallèle rapide à 4 degrés de liberté” và nhận giải “Golden Robot Award”
năm 1999 cho cơng trình nghiên cứu và phát triển robot delta.

Cũng trong năm 1999, công ty ABB Flexible Automation đã giới thiệu các
Robot Delta của mình có tên IRB 340 FlaxPicker . PlexPicker được trang bị hệ thống
chân khơng được tích hợp ln vào robot, có khả năng nhấc và nhả nhanh đối với các

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
vật có khối lượng đến 1 kg. Robot được dẫn hướng bởi một thiết bị quan sát của hãng
Cognex và được trang bị bộ điều khiển ABB S4C. Robot cũng có thể được trang bị một
bộ điều khiển chuyển động và hệ thống quan sát của hãng Adept Technology. Vận tốc
mà robot này đạt được lên tới 10 m/s, khoảng 150 lần nhấc mỗi phút với khối lượng tải
từ 1 ÷ 2 kg.

Hình 1.3: Robot IRB 340 FlaxPicker
Sau đó hàng loạt các cơng ty chun sản xuất robot delta ra đời phục vụ ở nhiều
lĩnh vực khác nhau như: Elekta, một công ty Thụy Điển chuyên sản xuất các robot về
lĩnh vực giải phẫu, sản phẩm này có tên gọi là SurgiScope. Tập đồn FANUC của Nhật
chun sản xuất các sản phẩm tự động hóa và các dịch vụ như robot và các hệ thống
điều khiển số bằng máy tính.

Hình 1.4: SurgiScope robot đang vận hành thử
tại Surgical Robotics Lab, đại học Humboldt, Đức

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Năm 2009, FANUC phát hành phiên bản mới nhất của robot delta, Robot
FANUC M-1iA, và sau đó sẽ phát hành các biến thể của robot delta cho tải nặng hơn.

FANUC đã phát hành M-3iA vào năm 2010 với trọng tải nặng hơn, và gần đây nhất là
Robot FANUC M-2iA cho các trọng tải trung bình vào năm 2012.

Hình 1.5: Robot FANUC M-2iA
Ngày nay, rất nhiều biến thể của robot này đã được tạo ra, song hầu hết chúng
đều gần với thiết kế gốc. Hiện nay trên thị trường robot thế giới Robot Delta vẫn tỏ ra
khơng có đối thủ cạnh tranh về tốc độ thực thi.
1.2.3 Phân loại robot
Robot Delta là một loại robot song song bao gồm nhiều chuỗi động và kết nối
khâu nền (base) và khâu tác động cuối (end- effector). Robot Delta tạo ra chuyển động
ba bậc tự do cho khâu tác động cuối. Cơ cấu truyền động của cơ cấu Robot Delta có
thể là dạng truyền động trượt (linear) hoặc truyền động quay (rotational). Dựa vào đó,
ngườita phân loại delta robot thành ba nhóm cơ bản:
− Delta robot khớp xoay (rotation delta)
− Delta robot khớp trượt (linear delta)
− Delta robot tổng hợp vừa khớp trượt vừa khớp xoay (hybrid delta)
5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Robot Delta

Rotational Delta

Linear Delta

Vertical
Structure


Horizontal
Structure

Orthogonal
Structure

Hybrid Delta

Keop
Structure

Hình 1.6: Sơ đồ phân loại delta robot 3 bậc tự do
Các dạng cơ cấu delta robot lần lượt được trình bày như sau:
• Cơ cấu delta robot dạng khớp xoay (rotational delta robot)

Hình 1.7: Cơ cấu robot delta dạng khớp xoay
Ưu điểm:
-

Tốc độ nhanh do các khâu delta liên kết trực tiếp với động cơ.

-

Không gian làm việc rộng.

-

Khả năng lặp lại vị trí tốt, chính xác.

6



CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Nhược điểm:
-

Chịu tải kém do các khâu delta liên kết trực tiếp với trục động mà không
thông qua bộ truyền.

-

Kết cấu giá đỡ phải cứng vững để tránh cho robot bị rung trong quá trình
làm việc với tốc độ cao, gây tốn kém chi phí.

• Cơ cấu delta robot dạng khớp trượt (linear delta robot)
Cơ cấu delta robot sử dụng khớp trượt rất đa dạng, cơ bản được phân loại theo
những dạng sau:
Vertical Structure

Horizontal Structure

Orthogonal Structure

Keop Structure

Hình 1.8: Cơ cấu robot delta dạng khớp trượt
Ưu điểm:
-

Có sự linh hoạt trong vùng không gian làm việc, ứng với mỗi bố trí khớp

trượt mà ta có vùng khơng gian làm việc khác nhau.

-

Độ chính xác cao.

-

Khả năng chịu lực cao.

Nhược điểm:
-

Không gian làm việc bị hạn chế.
7


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
-

Tốc độ di chuyển khá chậm so với robot delta dạng khớp xoay do phải
thông qua các bộ truyền như cơ cấu vít me – đai ốc.

-

Rất khó canh chỉnh trong q trình lắp ráp.

• Cơ cấu delta robot dạng tổng hợp
Cơ cấu delta robot dạng tổng hợp là sự kết hợp giữa cơ cấu khớp trượt và cơ cấu
khớp xoay. Nhờ có sự kết hợp đó nên robot dạng này có sự di chuyển linh hoạt.


Hình 1.9: Cơ cấu robot delta dạng tổng hợp
Ưu điểm:
- Kích thước nhỏ gọn, thường dùng để lắp rắp các sản phẩm có kích thước
nhỏ.
-

Khả năng di chuyển linh hoạt.

-

Chiếm ít không gian.

Nhược điểm:
- Không gian làm việc bị hạn chế.
- Tốc độ di chuyển chậm do phải thông qua bộ truyền như vít me – đai ốc.
1.2.4 Ứng dụng
Hiện nay, hàng loạt công ty chuyên sản xuất robot delta ra đời như ABB, Fanuc,
Hwin,… đã tạo điều kiện cho robot này càng phát triển. Nhờ những ưu điểm vượt trội

8


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
về tốc độ, khả năng lặp lại vị chính xác mà delta robot được ứng dụng rộng rãi trong
nhiều ngành công nghiệp khác nhau như: phân loại và đóng gói sản phẩm, lắp rắp linh
kiện điện tử, công nghệ in 3D, trong lĩnh vực y học giải, cơng nghệ giao tiếp Haptic,…
• Phân loại và đóng gói sản phẩm: đây là lĩnh vực ứng dụng chủ yếu của delta robot
trong các dây chuyền sản xuất hiện nay vì tính linh hoạt, tốc độ cao và khả năng
lặp lại vị trí chính xác của nó.


Hình 1.10: Ứng dụng của delta robot trong đóng gói sản phẩm
• Lắp ráp linh kiện điện tử trong các mạch điện cũng là một ứng dụng nổi bật của
robot delta nhờ vào khả năng lặp lại chính xác và tốc độ di chuyển cao.

Hình 1.11: Ứng dụng của robot delta trong lắp ráp linh kiện

9


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• Trong y học: nhờ vào tính chính xác cao, delta robot được ứng dụng trong y học
giải phẫu.

Hình 1.12: Ứng dụng của robot delta trong lĩnh vực y học giải phẫu
• Trong sản xuất in 3D, vẽ 2D, gia cơng CNC,...

Hình 1.13: Ứng dụng của robot delta trong cơng nghệ in 3D và vẽ 2D
• Cơng nghệ giao tiếp Haptic

Hình 1.14: Ứng dụng của cơ cấu delta trong công nghê giao tiếp Haptic

10


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi của đề tài
1.3.1 Đề tài đồ án
“ Thiết kế , chế tạo và điều khiển Robot Delta 3 bậc tự do ứng dụng trong việc
phân loại sản phẩm ”

1.3.2 Mục tiêu
Tìm hiểu, tính tốn, thiết kế, chế tạo và điều khiển mơ hình Robot Delta 3 bậc
tự do di chuyển từ điểm đến điểm, thông qua việc áp dụng những kiến thức đã học về
cơ khí, điện và lập trình. Robot có kết cấu vững chắc, làm việc ổn đinh, chính xác và
sai số nhỏ.
1.3.3 Nhiệm vụ
− Tìm hiểu tổng quan về đề tài và lựa chọn phương án.
− Khối lượng tải tối đa: 50 gram
− Phân tích bài tốn động học.
− Thiết kế phần cơ khí và mạch điện.
− Mô phỏng động học trên matlab simulink.
− Thiết kế giải thuật điều khiển .
1.4 Tổ chức đồ án
Quá trình thực hiện để đạt được mục tiêu và hoàn thành các nhiệm vụ trên được
trình bày qua 6 chương và nội dụng các chương được trình bày lần lượt như sau:
Chương 1: Trình bày tổng quan về robot delta bao gồm giới thiệu về lịch sử hình
thành và phát triển Robot Delta, phân loại các dạng cơ cấu delta 3 bậc tự do và cuối
cùng là trình bày những ứng dụng nổi bật của robot delta trong các lĩnh vực. Sau đó,
đưa ra mục tiêu, nhiệm vụ cho đề tài.

11


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Chương 2: Tìm hiểu, phân tích và lựa chọn để đưa ra phương án phù hợp nhất
cho đề tài bao gồm lựa chọn dạng cơ cấu delta, động cơ truyền động và chọn bộ điều
khiển.
Chương 3: Phân tích bài tốn động học bao gồm việc giải phương trình động học
thuận - nghịch, kiểm tra tính đúng đắn của phương trình động học thuận – nghịch và
đưa ra vùng khơng gian làm việc cho robot delta.

Chương 4: Trình bày tính tốn, thiết kế cơ khí và mạch điện dựa trên những yêu
cầu đặt ra ở các chương trên.
Chương 5: Mô phỏng động học trên phần mềm matlab simulink và trình bày lưu
đồ giải thuật điều khiển robot delta.
Chương 6: Trình bày kết quả thực nghiệm mơ phổng, đánh giá và hướng phát
triển đề tài.

12


CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Trong chương này sẽ thực hiện việc lựa chọn phương án thiết kế về các phần
như: dạng cơ cấu robot delta, động cơ truyền động, khớp nối khâu hình bình hành của
cơ cấu delta, bộ điều khiển. Đây là các lựa chọn chính để xây dựng mơ hình.
Các lựa chọn phụ như driver động cơ, vi điều khiển, cảm biến… sẽ được trình bày ở các
chương sau của đồ án.
Mục tiêu lựa chọn phương án:
-

Dạng cơ cấu Robot Delta: phù hợp với mục tiêu là thiết kế và điều khiển
Robot Delta di chuyển từ điểm đến điểm với độ chính xác cao, khả năng
lặp lại vị trí tốt và hướng tới việc thực hiện chứ năng gắp vật.

-

Động cơ truyền động: khả năng điều khiển vị trí và vận tốc chính xác,
mơmen giữ tốt và giá thành rẻ.


-

Khớp nối cơ cấu hình bình hành: phù hợp với tính di chuyển linh hoạt của
cơ cấu, khối lượng nhẹ.

-

Bộ điều khiển: khả năng xử lý nhanh, sử dụng những ngôn ngữ lập trình
đã được học, giá thành rẻ.

2.1 Lựa chọn cơ cấu delta
Dựa vào nội dung phân loại các dạng robot delta ở chương 1 đã trình bày và mục
tiêu của đề tài hướng tới thì cơ cấu delta dạng khớp xoay được lựa chọn.

Hình 2.1: Cơ cấu robot delta dạng khớp xoay được lựa chọn
13


CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
2.2 Lựa chọn động cơ truyền động
2.2.1 Giới thiệu một số loại động cơ phổ biến
• Động cơ DC
Động cơ một chiều DC (Direct Current Motors) là động cơ điều khiển trực tiếp
có cấu tạo gồm hai dây (Hình 2.2). Động cơ DC thường quay rất nhanh, trong một số
trường hợp hộp giảm tốc được sử dụng để làm tăng momen quay của động cơ, tuy nhiên
điều này sẽ khiến động cơ rất cồng kềnh. Một động cơ DC sẽ được điều khiển thông qua
một mạch cầu H, hoặc sử dụng một IC điều khiển động cơ chuyên dụng. Tốc độ của
động cơ điện một chiều tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào nó. Một phương pháp phổ biến
để điều khiển tốc độ động cơ là phương pháp băm xung (PWM), bằng việc thay đổi duty
cycle của xung, dẫn đến thay đổi điện áp trung bình qua động cơ, hệ quả là thay đổi tốc

độ động cơ. Thay đổi chiều quay của động cơ điện một chiều bằng cách đảo chiều nối
dây từ nguồn vào động cơ.

Hình 2.2: Động cơ DC
• Động cơ bước
Động cơ bước (Hình 2.3) là động cơ điện khơng đồng bộ dùng để biến đổi các
tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc
quay. Bằng việc đóng cắt điện áp theo thứ tự cho trước, các stator sẽ tạo nên các từ
trường thay đổi kéo rotor quay theo từng bước. Số lần đóng cắt tín hiệu sẽ bằng tổng số
góc quay của rotor, chiều quay và tốc độ phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số
chuyển đổi của tín hiệu.
14


CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Hình 2.3: Động cơ bước
• Động cơ Servo
Động cơ servo là một tổ hợp chung cơ bản của bốn bộ phận: động cơ DC, bộ
giảm tốc, một vi điều khiển và một cảm biến. Động cơ servo được thiết kế cho những
hệ thống hồi tiếp vịng kín, tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển.
Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này và nếu có
bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ thì cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận
thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch
cho động cơ đạt được điểm chính xác.

Hình 2.4: Động cơ DC-servo
Đặc tính vận hành của một động cơ servo phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính từ và
phương pháp điều khiển động cơ servo. Có 3 loại động cơ servo sử dụng phổ biến hiện
nay là động cơ servo AC không chổi than dựa trên nền tảng động cơ không đồng bộ


15


CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
(Hình 2.5), động cơ servo DC dựa trên nền tảng của động cơ DC (Hình 2.4) và động cơ
servo dựa trên nền tảng động cơ AC lồng sốc.

Hình 2.5: Động cơ AC-servo
2.2.2 Lựa chọn động cơ
Với mong muốn xây dựng một mơ hình robot thực nghiệm với kết cấu đơn giản,
nhỏ gọn và làm việc êm, ổn định và chính xác, chi phí thấp nên bỏ qua phương án
động cơ DC thường và động cơ AC-servo vì:
− Vận tốc đầu ra của động cơ DC thướng rất lớn (trên 5000 rpm). Nếu muốn sử
dụng để điều khiển cho robot delta ta cần một bộ giảm tốc. Điều này làm ảnh
hưởng đến kích thước robot.
− Muốn điều khiển chính xác, động cơ DC thường cần gắn thêm encoder hoặc cảm
biến và một bộ hồi tiếp. Điều này làm tăng độ phức tạp cho robot.
− Trong khi đó, động cơ AC-servo sử dụng nguồn điện AC lớn hơn 100V nên cần
đảm bảo an toàn về điện.
− Ngoài ra, cùng một cơng suất thì một tổ hợp động cơ AC-servo có giá thành cao
hơn so với động cơ bước và động cơ DC-servo, thông thường phải mua kèm
driver từ các nhà sản xuất động cơ, do đó khơng phù hợp với tiêu chí đặt ra của
đề tài.
Do đó, chỉ lựa chọn giữa động cơ bước và động cơ DC-servo dựa vào bảng so
sánh dưới đây:
16


CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Bảng 2.1: Bảng so sánh ưu nhược điểm của động cơ bước và động DC-servo
Loại động cơ

Động cơ bước

Động cơ DC-servo

- Điều khiển chính xác vị trí và - Điều khiển vị trí và vận tốc
vận tốc.

chính xác nhờ có tín hiệu hồi tiếp

- Dễ điều khiển do điều khiển trả về từ encoder.
Ưu điểm

vòng hở khơng cần tín hiệu hồi - Có thể hoạt động ở tốc độ cao
tiếp.

(3000-5000 rpm).

- Mômen giữ tốt.

- Không xảy ra hiện tượng trượt
bước khi quá tải.
- Làm việc êm.

- Xảy ra hiện tượng trượt bước - Khi dừng, dễ bị dao động tại vị
khi quá tải.

trí dừng gây rung lắc.


- Điều khiển vòng hở dễ gây ra - Điều khiển và xử lý tín hiệu
Nhược điểm

sai số.

phức tạp.

- Làm việc ồn.

- Độ chính xác của động cơ phụ

- Khơng thích hợp cho các ứng thuộc vào độ chính xác của bộ
dụng làm việc với tốc độ cao điều khiển.
(từ 2000 rpm trở lên).

Kết luận: Từ những ưu nhược điểm của hai loại động cơ trên, tác giả chọn động cơ
bước. Vì muốn set được vị trí home cho robot delta dạng khớp xoay ta cần loại động cơ
có mômen giữ tốt đễ giữ cho cánh tay robot không bị rung động dẫn đến sai lệch về
vị trí Home. Bên cạnh đó, động cơ bước giúp điều khiển chính xác vị trí và vận tốc, dễ
điều khiển và giá thành lại rẻ.
2.3 Lựa chọn khớp truyền động
Sự khác nhau giữa các cơ cấu delta còn được thể hiện ở việc lựa chọn khớp
kết nối cơ cấu hình bình hành. Khớp được lựa chọn cần thỏa mãn các yêu cầu đặt ra
như phù hợp với tính di chuyển linh hoạt của cơ cấu, khối lượng nhẹ và giá thành
phù hợp. Có hai phương án được lựa chọn là khớp cầu hoặc khớp xoay.

17