TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
----------

PROJECT ROBOT CÔNG NGHIỆP
THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT CHƠI CỜ CARO
GVHD:

PGS. TS. NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH

SINH VIÊN 1:

LÊ ĐẠI TRÍ

MSSV: 17146347

SINH VIÊN 2:

HUỲNH CÔNG DANH

MSSV: 17146241

SINH VIÊN 3:

NGUYỄN HOÀNG ĐỨC HÙNG

MSSV: 17146275

SINH VIÊN 4:

NGUYỄN VĂN PHÚ

MSSV: 17146309

SINH VIÊN 5:

TRẦN QUỐC TRỌNG

MSSV: 1714

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2020
1


LỜI MỞ ĐẦU
Thế kỉ 21 với những sự phát triển vượt bậc về khoa học – kỹ thuật, từng bước
đưa thế giới chạy theo xu hướng công nghiệp hóa – hiện đại hóa. Hàng loạt thiết bị,
máy móc hiện đại được ứng dụng vào sản xuất, nhằm giảm sức lao động con người,
tăng năng suất, chất lượng và tối ưu được giá thành sản phẩm. Song song với sự phát
triển đó, Cuộc cách mạng robot đã bắt đầu và định hình lại sâu sắc nền kinh tế thế
giới và đang từng bước được đẩy mạnh ở nhiều quốc gia như: Nhật Bản, Mỹ, Trung
Quốc, Hàn Quốc,... Robot có thể thực hiện những công việc bình thường nhất, hoặc
những việc mà con người khó thực hiện hoặc không thực hiện được như: làm những
công việc đòi hỏi độ chính xác cao, làm việc trong môi trường nguy hiểm, thám hiểm
không gian vũ trụ…
Nhằm giúp sinh viên làm quen và tiếp cận gần hơn với công nghệ. Mong muốn
sinh viên phát huy khả năng tìm hiểu, thiết kế, lập trình và chế tạo một cánh tay robot
đơn giản. Ngoài ra, sinh viên có thể áp dụng ngay kiến thức đã học ở bộ môn Robot
Công Nghiệp vào thực tế. Đoàn khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy trường ĐH. Sư Phạm Kỹ

Thuật đã tổ chức cuộc thi “Thiết kế robot chơi cờ caro”.
Qua đây, chúng em cũng xin trân trọng cảm ơn đến tất cả các quý thầy cô thuộc
khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy nói chung, và bộ môn Cơ Điện Tử trường Đại học Sư
Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói riêng, đã tạo cho chúng em cơ hội trau dồi kiến thức và
rèn luyện kỹ năng cũng như tay nghề qua cuộc thi này.


MỤC LỤC
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ..................................................................................... 1
1. Giới thiệu về Robot công nghiệp ..................................................................... 1
2. Tình hình phát triển ......................................................................................... 2
2.1. Trên thế giới ............................................................................................... 2
2.2. Tại Việt Nam............................................................................................... 3
3. Phân loại robot công nghiệp ............................................................................ 4
3.1. Phân loại theo kết cấu................................................................................ 4
3.2. Phân loại theo phương pháp điều khiển ................................................... 4
3.3. Phân loại theo ứng dụng ........................................................................... 4
4. Ứng dụng của robot công nghiệp .................................................................... 5
5. Ưu điểm, nhược điểm của robot công nghiệp ................................................ 6
5.1. Ưu điểm ...................................................................................................... 6
5.2. Nhược điểm ................................................................................................ 7
6. Giới thiệu cuộc thi “Robot chơi caro” ............................................................ 8
6.1. Giới thiệu cuộc thi ...................................................................................... 8
6.2. Thể lệ cuộc thi ............................................................................................ 9
CHƯƠNG II. CƠ SỞ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ................................... 10
1. Số bậc tự do của robot.................................................................................... 10
2. Lựa chọn cấu hình robot ................................................................................ 10
2.1. Robot tọa độ Descartes ............................................................................. 10
2.2. Robot tọa độ trụ ........................................................................................ 11
2.3. Robot delta ................................................................................................ 11

2.4. Robot SCARA ........................................................................................... 12


2.5. Kết luận ..................................................................................................... 13
3. Cơ cấu tác động .............................................................................................. 13
4. Cơ cấu truyền động ........................................................................................ 13
5. Chọn vật liệu thiết kế ..................................................................................... 14
6. Thiết kế trên phần mềm SOLIDWORKS .................................................... 14
CHƯƠNG III. BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC .............................................................. 15
1. Cơ sở tính toán bài toán động học ................................................................ 15
2. Bài toán động học thuận ................................................................................ 16
2.1. Phương pháp Denavit – Hartenberg ....................................................... 16
2.2. Bảng tham số D-H ................................................................................... 16
2.3. Giải bài toán động học thuận .................................................................. 17
2.4. Không gian làm việc của robot ................................................................ 19
3. Bài toán động học nghịch ............................................................................... 20
CHƯƠNG IV. ĐIỀU KHIỂN QUỸ ĐẠO DI CHUYỂN ..................................... 27
1. Mạch điện ........................................................................................................ 27
1.1. Nguồn ....................................................................................................... 27
1.2. Động cơ ..................................................................................................... 27
2. Mạch điều khiển ............................................................................................. 27
2.1. Arduino Uno ............................................................................................. 27
2.2. Driver A4988 ............................................................................................ 28
2.3. CNC Shield V3 ......................................................................................... 28
3. Code điều khiển .............................................................................................. 29
4. Lưu đồ giải thuật code điều khiển ................................................................ 32
CHƯƠNG V. THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ .................................................. 34


1. Lắp ráp hoàn thiện robot ............................................................................... 34

2. Điều khiển........................................................................................................ 36
3. Kết luận ........................................................................................................... 36
CHƯƠNG VI. KẾT LUẬN .................................................................................... 37
1. Về lý thuyết ..................................................................................................... 37
2. Về thực nghiệm ............................................................................................... 37
3. Ưu điểm, nhược điểm ..................................................................................... 37
4. Hướng phát triển ............................................................................................ 37
CHƯƠNG VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................... 39
CHƯƠNG VIII. BẢN VẼ CƠ KHÍ ....................................................................... 39


ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP

zalo:0376264617

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1. Giới thiệu về Robot công nghiệp
Thuật ngữ "robot" xuất phát từ tiếng Séc robota, có nghĩa là "lao động cưỡng
bức", và từ robot lần đầu tiên được sử dụng vào năm 1922 trong tác phẩm “Rossum’s
Universal Robot” của Karel Capek. Trong tác phẩm nhân vật Rossum và con trai đã
tạo ra chiếc máy giống con người để phục vụ cho con người.
Khái niệm chung về robot: Robot hay còn gọi là “người máy”, là một
loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều
khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình. Robot là một tác nhân cơ
khí, nhân tạo, ảo, thường là một hệ thống cơ khí-điện tử.
Bằng sáng chế đầu tiên cho thứ mà bây giờ chúng ta coi là robot đã được đệ
trình vào năm 1954 bởi George C. Devol (Mỹ) và được cấp vào năm 1961. Thiết bị
này bao gồm một cánh tay cơ khí với một bộ gắp được gắn trên một đường đua và
chuỗi chuyển động được mã hóa dưới dạng các mẫu từ tính được lưu trữ trên trống
quay. Công ty robot đầu tiên, Unimation, được thành lập bởi Devol và Joseph

Engelberger vào năm 1956 và robot công nghiệp đầu tiên của họ được lắp đặt vào
năm 1961.
Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu
sản xuất robot công nghiệp: Anh – 1967,
Nhật và Thụy Điển – 1968, CHLB Đức –
1971, Pháp – 1972,...

H1.1. Cánh tay robot đầu tiên

1


ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP

zalo:0376264617

2. Tình hình phát triển
2.1. Trên thế giới
-

Khái niệm về robot công nghiệp được khai sinh vào năm 1954 khi một robot
có khả năng nhấc lên và đặt xuống các vật thể được cấp bằng sáng chế tại
Hoa Kỳ.

-

Chiếc robot công 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 chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty

AMF. Đến năm 1990 có hơn 40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng
lồ như công ty Hatachi và công ty Mitsubisi, đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại
robot nổi tiếng.
-

Từ năm 1968, ở Châu Á, Nhật bắt đầu nghiên cứu những ứng dụng của IR,

năm 1970, Robot đã được chú ý nhiều hơn và bắt đầu xuất hiện ở các nước Đức, Ý,
Pháp...
-

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 giảm đi rõ rêt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ vậy
robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.
-

Đến nay, trên thế giới có khoảng trên 200 công ty sản xuất IR. Trong đó Mỹ

và Nhật chiếm đa số.

H1.2. Quá trình phát triển của robot
2


ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP


-

zalo:0376264617

Robot ngày càng được hoàn thiện và phát triển qua từng thế hệ:

2.2. Tại Việt Nam
-

Trong những năm qua, nước ta đã có những hoạt động nghiên cứu bước đầu

và đã có những bước tiến đáng kể về robot. Trong đó có những đề tài nghiên cứu
khoa học và phát triển công nghệ cấp nhà nước thuộc các lĩnh vực tự động hóa, cơ
khí chế tạo do các tổ chức KH&CN trên toàn quốc thực hiện như Đại học Bách Khoa
Hà Nội, Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ
Chí Minh, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Viện Cơ học và Viện Công nghệ
Thông tin (Viện KH&CN Việt Nam) ...
-

Tuy nhiên, có thể nói, cho đến nay ở Việt Nam ngành công nghiệp robot vẫn

chưa hình thành một cách rõ nét. Các doanh nghiệp sản xuất kinh doanh robot Việt
Nam vẫn phát triển mang tính tự phát. Thậm chí, kể cả các chính sách của nhà nước
cũng chưa đề cập đến việc phát triển ngành công nghiệp robot hiện tại và tương lai.
-

Về mặt lý thuyết, chúng ta cũng hoàn toàn có thể phát triển được các loại

robot thông minh, nhưng do cơ sở hạ tầng kỹ thuật còn hạn chế, ngành công nghiệp

3


ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP

zalo:0376264617

hỗ trợ cho công nghiệp robot chưa phát triển, các thiết bị kiểm tra, kiểm định chất
lượng robot chưa có hoặc có chưa đầy đủ và quy mô thị trường còn hạn hẹp, nên
không đủ điều điện để phát triển các loại robot dạng này. Vì vậy, xu hướng hiện nay
vẫn dừng lại ở việc phát triển các loại robot công nghiệp.
3. Phân loại robot công nghiệp
3.1. Phân loại theo kết cấu
-

Robot chuỗi: Là một chuỗi động học hở với một khâu cố định gọi là đế và

các khâu động, trong đó các khâu động được bố trí nối tiếp với nhau. Mỗi khâu động
được liên kết hay nối động với một khâu khác nhờ các khớp liên kết.
-

Robot song song: Là một chuỗi động học kín, ở đó mỗi khâu luôn luôn được

liên kết với ít nhất hai khâu khác.
-

Robot có khớp nối: Là robot có những khớp quay. Robot có khớp có thể có

hai kết cấu nối với nhau rất đơn giản đến những hệ thống có tới hơn 10 kết cấu tương
tác với nhau. Chúng có thể dùng để nhấc các chi tiết nhỏ với độ chính xác cực cao.

3.2. Phân loại theo phương pháp điều khiển
-

Điều khiển hở: Dùng truyền động bước mà quãng đường hoặc góc dịch

chuyển tỷ lệ với xung điều khiển. Kiểu này đơn giản nhưng cho độ chính xác thấp.
-

Điều khiển kín: Điều khiển kiểu servo, sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để

tăng độ chính xác điều khiển.
-

Kiểu điều khiển điểm-điểm: Phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm

kia theo đường thẳng với tốc độ không cao, thường được dùng trên các Robot hàn
điểm, vận chuyển, tán đinh và bắn đinh.
-

Điều khiển contour: Đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo

bất kì, với tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các
Robot hàn hồ quang và phun sơn.
3.3. Phân loại theo ứng dụng

4


ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP


-

zalo:0376264617

Dựa vào những ứng dụng của robot trong sản xuất ta có những loại robot

sau: robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot chuyển phôi...
4. Ứng dụng của robot công nghiệp
Hiện nay trên thế giới, nhu cầu sử dụng robot ngày càng nhiều trong các quá
trình sản xuất phức tạp với mục đích góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công
nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng, và nâng cao khả năng cạnh tranh của sản
phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động, nên robot công nghiệp cần có những khả
năng thích ứng tốt và thông minh hơn với những cấu trúc đơn giản và linh hoạt.
Một số ứng dụng điển hình của robot:
-

Robot song song dùng trong phân loại và đóng gói sản phẩm: IRB 660 Flex

Palletizer, IRB 340 FlexPicker, IRB 260 FlexPicker. Các robot này có thể gắp lần
lượt các hộp vắc xin bại liệt từ băng tải và đặt nó vào thùng gồm 20 hộp một cách
chính xác
-

Robot sơn và phun sơn: Được ứng dụng khá nhiều trong sơn gỗ, sơn thép

-

Robot dùng trong công nghệ ép phun nhựa: IRB 6650 của hãng ABB có thể

thao tác nhanh, dễ dàng lấy sản phẩm ra khỏi khuôn ở vị trí tách khuôn, giám sát, làm

sạch, điều khiển chất lượng dựa trên camera.
-

Robot gắp hàng, Robot bốc xếp hàng hóa hay Robot bốc dỡ hàng hóa: Đây

là thiết bị Robot đa dạng nhất với điều khiển tự động.
-

Robot vận chuyển và đóng gói sản phẩm: Robot đóng gói và vận chuyển

trong phạm vi rộng các sản phẩm khác nhau: giường đóng gói phẳng và ngăn kéo.
-

Robot hàn công nghiệp hay robot hàn tự động: phục vụ cho ngành ô tô xe

máy, với tỷ lệ hơn 70% số robot đang hoạt động, phải kể đến là robot hàn tự động
Panasonic.
-

Ngoài ra, robot còn có nhiều lĩnh vực được nghiên cứu như robot dịch vụ,

robot dùng trong lĩnh vực quân sự, robot di động đồng thời kết hợp với nhận dạng và
điều khiển trên cơ sở xử lý những thông tin hình ảnh, đặc biệt là kết hợp với xử lý
ngôn ngữ.
5


ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP

zalo:0376264617


5. Ưu điểm, nhược điểm của robot công nghiệp
5.1. Ưu điểm
Nâng cao hiệu quả hoạt động:
Lợi ích đầu tiên chắc chắn phải nhắc đến đó chính là khả năng giúp nâng cao
năng suất, hiệu quả công việc. Đây là lợi ích mà ai cũng phải gật gù đồng ý, không
hề có ý kiến phản bác gì. Những cánh tay robot công nghiệp là thiết bị cơ khí, được
lập trình sẵn với các chức năng tương tự như cánh tay người. Với khả năng linh hoạt
cao, thiết bị này được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau, từ: hàn, sơn, lắp
ráp các bảng mạch in, dán nhãn, hỗ trợ xử lý vật liệu, kiểm tra sản phẩm và thử
nghiệm,…
Tiết kiệm không gian:
Không chỉ sở hữu sự linh hoạt, ứng dụng cao vào nhiều lĩnh vực, mà các cánh
tay robot công nghiệp còn ghi điểm nhờ khả năng tiết kiệm không gian đáng kể. Giờ
đây, cùng một công việc, bạn không cần phải sử dụng đến nhiều nguồn nhân lực hay
các máy móc nặng nề nữa. Chỉ cần một cánh tay robot đã “dư sức” hoàn thành những
công việc này một cách nhanh chóng và đúng chuẩn. Bên cạnh đó, những thiết bị này
không những tiết kiệm một không gian làm việc đáng kể mà còn giúp “mở rộng”
không gian lắp đặt các thiết bị máy móc cồng kềnh, phức tạp.
Tiết kiệm chi phí:
Trong sản xuất kinh doanh, tài chính luôn là bài toán khiến các nhà đầu tư phải
đau đầu vì không biết làm thế nào để vừa nâng cao năng suất công việc, vừa giảm
thiểu tối đa chi phí nhân công. Thế nhưng, giờ đây bạn đừng quá lo lắng vì đã có sự
hỗ trợ tuyệt vời từ những cánh tay robot.
Cùng lúc có thể đảm nhiệm nhiều công việc, cánh tay robot giúp tiết kiệm hàng
loạt các khoản chi phí như: chi phí thuê nhân công, chi phí bảo trì, bảo dưỡng máy
móc, chi phí thuê mặt bằng,…

6



ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP

zalo:0376264617

Hạn chế sai sót:
Cho dù đội ngũ nhân công có được đào tạo bài bản đến đâu đi chăng nữa thì
tất nhiên trong quá làm việc, việc phát sinh các sai sót là điều khó tránh khỏi.
Tuy nhiên, đã có một cách giải quyết cực kỳ cực hiệu quả, đó chính là
những cánh tay robot công nghiệp. Với sự lập trình, tính toán cẩn thận trong từng chi
tiết, những cánh tay robot chắc chắn sẽ chẳng bao giờ khiến bạn phải đau đầu xử lý
các lỗi sai, các vấn đề trục trặc có thể xảy ra trong quá trình sản xuất.
Kinh tế an toàn:
Không chỉ hạn chế phát sinh các sai sót, mà việc sử dụng những cánh tay robot
còn mang lại môi trường làm việc an toàn và hiệu quả hơn rất nhiều.
Các thiết bị này luôn được trang bị những tính năng an toàn, bao gồm các bộ
cảm biến phát hiện lực tác động hoặc chướng ngại trong khu vực hoạt động, đảm bảo
chắc chắn rằng các robot sẽ không gây hại cho con người.
Giờ làm việc dài hơn:
Thông thường, mọi người phải có thời gian nghỉ ngơi, bị phân tâm và sau thời
gian sự chú ý giảm và tốc độ chậm lại. Với robot, nó có thể hoạt động 24/7 và luôn
chạy ở mức 100%. Thông thường, nếu bạn thay thế một người trong một quy trình
quan trọng trong dây chuyền sản xuất bằng một rô-bốt, sản lượng sẽ tăng 40% trong
cùng một giờ làm việc chỉ vì robot có sức chịu đựng cao hơn và không bao giờ dừng
lại. Robot cũng không nghỉ lễ hoặc nghỉ ốm đột xuất.
5.2. Nhược điểm
Đầu tư ban đầu cao:
Robot thường yêu cầu một khoản đầu tư trả trước lớn. Khi bạn nghiên cứu
trường hợp kinh doanh của mình để mua, bạn cần xem xét tất cả các chi phí, bao gồm
cả cài đặt và cấu hình. Bạn cũng nên đánh giá xem liệu robot của bạn có thể dễ dàng

sửa đổi nếu bạn cần thay đổi hoạt động trong tương lai.
7


ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP

zalo:0376264617

Chuyên môn có thể khan hiếm:
Robot công nghiệp cần vận hành, bảo trì và lập trình phức tạp. Mặc dù số
lượng người có những kỹ năng này đang tăng lên, nhưng hiện tại số người có kỹ năng
này rất hạn chế. Do đó, điều quan trọng là phải xem xét việc đầu tư nhân sự mà bạn
sẽ cần thực hiện để mang lại kiến thức chuyên môn đó hoặc “trang bị lại” nhân viên
hiện tại của bạn để đảm nhận nhiệm vụ.
Chi phí liên tục:
Mặc dù robot công nghiệp có thể giảm một số chi phí lao động sản xuất, nhưng
chúng đi kèm với các chi phí liên tục của riêng chúng, chẳng hạn như bảo trì. Ngoài
ra, bạn sẽ muốn xem xét các chi phí để giữ cho robot của mình và mọi thiết bị được
kết nối IoT có liên quan được bảo vệ khỏi các cuộc tấn công mạng.
6. Giới thiệu cuộc thi “Robot chơi caro”
6.1. Giới thiệu cuộc thi
Nhằm tạo sân chơi lành mạnh, phát triển khả năng tư duy sáng tạo của sinh
viên, đồng thời giúp các bạn ứng dụng được những kiến thức cơ bản đã học vào thực
tế. Với mong muốn sinh viên được tiếp cận gần hơn với những công nghệ tiên tiến,
phát triển ngành công nghiệp robot của nước nhà trong tương lai. Đoàn khoa Cơ Khí
Chế Tạo Máy đã đứng ra tổ chức cuộc thi “Thiết
kế mô hình Robot chơi cờ caro”.
Chơi cờ Caro một trò chơi khá quen
thuộc với mỗi chúng ta. Với lối chơi đơn giản
nhưng yếu tố trí tuệ lại rất cao nên cờ Caro được

rất nhiều người yêu thích đặc biệt là các bạn học
sinh, sinh viên. Cùng với thiết kế, chế tạo và
điều khiển robot chơi cờ Caro không chỉ mang
tính chất nghệ thuật, kỹ thuật mà là một cuộc
đấu trí vô cùng gay cấn dựa trên nền tảng trí tuệ
8


ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP

zalo:0376264617

nhân tạo nhằm thể hiện khả năng thiết kế robot và đẳng cấp bộ điều khiển được thiết
kế của sinh viên Sư phạm Kỹ thuật.
Qua cuộc thi này, sinh viên sẽ có thêm những kiến thức và kỹ năng mềm như:
tư duy thiết kế, kỹ năng giải quyết vấn đề, kỹ năng quản lý thời gian, tư duy sáng tạo,
làm việc nhóm, thuyết trình. Việc này sẽ góp phần nâng cao khả năng nghiên cứu,
phác thảo ý tưởng và trình bày các dự án khoa học của các bạn trẻ.
6.2. Thể lệ cuộc thi
 Kích thước robot và bàn cờ:

 Cách thức điều khiển robot:
Điều khiển cho robot di chuyển đầu bút từ vị trí ban đầu đến ô trên bàn cờ. Khi
đầu bút chạm vào màn hình ở ô nào thì coi như là đánh vào ô đó. Ban tổ chức sẽ cho
hiển thị ô đã đánh (vì đầu bút không tác động vào màn hình cảm ứng được). Với cờ
3x3, nếu robot bên nào đánh được 3 ô liên tiếp theo đường thẳng hoặc chéo là thắng.

9



ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP

zalo:0376264617

CHƯƠNG II. CƠ SỞ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ
1. Số bậc tự do của robot
Để đáp ứng yêu cầu của cuộc thi, robot phải di chuyển được đầu bút đến các ô
và chạm vào các ô trên bàn cờ.
Vậy số bậc tự do tối thiểu của robot là 3 bậc:
-

TH1: Tịnh tiến trục x, tịnh tiến trục y, tịnh tiến trục z (Tọa độ descartes,
Delta)

-

TH2: Xoay trục z, tịnh tiến trục x, tịnh tiến trục z (Tọa độ trụ)

-

TH3: hai khớp nối đứng, tịnh tiến trục z (SCARA)

2. Lựa chọn cấu hình robot
Các cấu hình robot có thể áp dụng như sau:
2.1. Robot tọa độ Descartes
 Đặc điểm:
Robot tọa độ Descartes (còn gọi là robot
tuyến tính) là một robot công nghiệp có ba trục điều
khiển chính là tuyến tính (tức là chúng di chuyển
theo đường thẳng chứ không phải xoay) và vuông

góc với nhau. Ba khớp trượt tương ứng với việc di
chuyển cổ tay lên xuống, vào-ra, tới-lùi. Trong số
các ưu điểm khác, cách bố trí cơ khí này đơn giản
hóa giải pháp cánh tay điều khiển Robot. Các robot
kiểu Descartes với thanh nằm ngang được hỗ trợ ở
cả hai đầu đôi khi được gọi là rô bốt cầu trục.
 Ưu điểm:
-

Đơn giản về kết cấu, dễ thiết kế

-

Tay máy kiểu này có độ cứng vững cao
10


ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP

zalo:0376264617

-

Độ chính xác được đảm bảo đồng đều trong toàn bộ vùng làm việc

-

Vận tốc hoạt động nhanh, phù hợp cho những đường di chuyển dài và nhanh
với tải trọng lớn


 Nhược điểm:
-

Chiếm nhiều không gian

-

Ít linh hoạt

2.2. Robot tọa độ trụ
Tay máy kiểu tọa độ trụ khác với tay máy
kiểu đề các ở khớp đầu tiên: dùng khớp quay thay
cho khớp trượt. Vùng làm việc của nó có dạng hình
trụ rỗng. Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy
“thò” được vào khoang rỗng nằm ngang.
 Ưu điểm:
-

Độ cứng vững cơ học của tay máy trụ tốt,
thích hợp với tải nặng

 Nhược điểm:
-

Độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng.

2.3. Robot delta

11



ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP

zalo:0376264617

Robot delta là một loại robot song song
bao gồm ba cánh tay được nối với các khớp
quay ở bệ cố định. Đặc điểm thiết kế chính của
nó là sử dụng hình bình hành trong các cánh
tay, giúp duy trì sự định hướng của bộ phận đầu
cuối, ngược lại với nền tảng Stewart là có thể
thay đổi hướng của bộ phận đầu cuối của nó
Robot Delta được sử dụng phổ biến
trong công việc gắp thả và đóng gói trong các
nhà máy vì chúng di chuyển rất nhanh, một số có thể xếp tới 300 sản phẩm mỗi phút.
 Ưu điểm:
-

Cơ cấu hoạt động linh hoạt

 Nhược điểm:
-

Cấu trúc phức tạp, khó thiết kế

-

Không gian hoạt động nhỏ

2.4. Robot SCARA

SCARA

-

Selective

Compliance

Assembly Robot Arm, là một kiểu tay máy có
cấu tạo đặc biệt, gồm 2 khớp quay và 1 khớp
trượt, nhưng cả 3 khớp đều có trục song song
với nhau. Kết cấu này làm tay máy cứng vững
hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng
vững theo phương được chọn là phương ngang.
Loại này chuyên dùng cho công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ, theo phương
thẳng đứng. Vùng làm việc của SCARA là một phần của hình trụ rỗng
 Ưu điểm:
12


ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP

-

Nhỏ gọn, hoạt động linh hoạt

-

Đơn giản trong việc thiết kế


zalo:0376264617

 Nhược điểm:
-

Kém cứng vững theo phương ngang

2.5. Kết luận
Với mục tiêu thiết kế một robot tối thiểu 3 bậc tự do. Vừa nhỏ gọn, dễ thiết kế
và điều khiển, vừa phải đáp ứng được không gian hoạt động đúng yêu cầu như bàn
cờ đã đưa ra. Đặc biệt, chi phí thấp nhất nếu có thể.
Dựa vào các ưu điểm, nhược điểm của các cơ cấu robot đã nêu trên. Chúng em
quyết định chọn cơ cấu tay máy theo kiểu SCARA 3 bậc tự do, với hai khớp quay là
hai khớp nối đứng, một khớp tịnh tiến theo trục z.
3. Cơ cấu tác động
Mục tiêu: Cơ cấu tác động nhằm tạo ra các lực để tăng tốc/giảm tốc các khâu
do đó chúng phải nhẹ, chi phí thấp, độ tin cậy cao và dễ bảo trì.
Có nhiều loại cơ cấu tác động như:
-

Động cơ điện: động cơ DC, động cơ servo, động cơ bước...

-

Cơ cấu tác động thủy lực: động cơ thủy lực, bơm thủy lực, xy lanh,..

-

Cơ cấu tác động khí nén: bơm khí nén, xy lanh,...
Để dễ dàng trong việc tìm mua và điều khiển, tiết kiệm chi phí, chúng em chọn


cơ cấu tác động cho các khớp của robot SCARA là 3 động cơ bước - tương ứng với
ba bậc tự do.
4. Cơ cấu truyền động
Là một hệ gồm các chi tiết hoặc cấu trúc được liên kết bởi bánh răng, cam,
trục khuỷu… để truyền chuyển động hoặc truyền lực.
Có chức năng tăng tốc, giảm tốc hoặc thay đổi hướng chuyển động.
13


ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP

zalo:0376264617

Một số cơ cấu truyền động phổ biến như: cơ cấu bánh răng, bánh đai, vismeđai ốc, trục truyền song song,....
Trong trường hợp này, robot SCARA 3 bậc tự do, cần hai chuyển động quay
và một chuyển động tịnh tiến. Vì thế cần có các cơ cấu truyền động để giúp biến đổi
chuyển động quay sang tịnh tiến. Ngoài ra, để đảm bảo trọng tâm nằm ở đế, robot
phải cứng vững, vậy nên ta không thể đặt mỗi động cơ ở mỗi khớp riêng biệt do khối
lượng động cơ nặng. Để khắc phục, ta cần phải sử dụng cơ cấu truyền động. Do đó,
chúng em chọn cơ cấu visme – đai ốc và bộ truyền đai răng.
5. Chọn vật liệu thiết kế
Yêu cầu:
Đây là mô hình robot, yêu cầu chủ yếu về mặt điều khiển. Không yêu cầu về
độ bền, sử dụng liên tục trong thời gian dài. Tuy nhiên vật liệu làm robot cũng phải
đáp ứng được các yêu cầu cứng vững, chịu lực tốt, đảm bảo độ thẩm mỹ và giá thành
rẻ. Do vậy, chúng em chọn vật liệu mica làm khung cho robot.
6. Thiết kế trên phần mềm SOLIDWORKS

H2.1. Thiết kế mô hình trên SOLIDWORK

14


ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP

zalo:0376264617

CHƯƠNG III. BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC
1. Cơ sở tính toán bài toán động học
Bài toán động học của robot bao gồm các bài toán về vị trí, bài toán về vận
tốc, về gia tốc. Trong bài toán tìm vị trí thì việc xác định vị trí và hướng của điểm tác
động cuối tại những thời điểm khác nhau là vấn đề cốt lõi. Để có thể giải quyết được
bài toán, thì như ta đã biết robot là một hệ nhiều vật rắn ghép nối với nhau bằng các
khớp, chủ yếu là khớp quay và khớp tịnh tiến. Do vậy cần phải xác định được các hệ
tọa độ gắn với các khớp của robot.
Từ sơ đồ cơ cấu robot, ta gắn các hệ trục tọa độ thích hợp để đi đến việc tính
toán và giải bài toán động học thuận. Từ đó giải được bài toán động học nghịch robot.
 Sơ đồ cơ cấu robot SCARA:

H3.1. Sơ đồ cơ cấu robot SCARA

15


ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP

zalo:0376264617

2. Bài toán động học thuận
2.1. Phương pháp Denavit – Hartenberg

Đây là phương pháp tiêu biểu để biểu diễn robot và mô hình hóa các chuyển
động của nó. Mô hình hóa Denavit – Hartenberg (D-H) là cách biểu diễn đơn giản
mô hình các khâu và khớp của robot và có thể sử dụng cho bất cứ cấu hình robot nào,
kể cả bài toán phức tạp hay đơn giản. Và chúng có thể dùng phương pháp này để biểu
diễn cho bất kỳ hệ trục tọa độ nào như: Descartes, trụ, cầu, Euler, RPY,... Thêm vào
đó, nó có thể sử dụng để biểu diễn cho tất cả robot mà chúng ta có thể gặp trong công
nghiệp và robot dịch vụ, robot biến hình.
Mặc dù chúng ta có thể giải các bài toán đơn giản bằng phương pháp ma trận
thuần nhất hay hình học nhưng với việc biểu diễn D-H chúng ta còn có thể sử dụng
kết quả của nó cho các bài toán như Jacobi, phân tích lực, độ cứng,...
Vì vậy, để thuận tiện trong việc giải và tính toán sau này, ta sử dụng phương
pháp D-H để tính toán cho bài toán động học thuận robot.
2.2. Bảng tham số D-H
 Sơ đồ biểu diễn các hệ trục tọa độ theo phương pháp D-H

16


ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP

-

zalo:0376264617

Hệ gồm 3 bậc tự do nên ta đặt 4 hệ trục tọa độ từ O0 đến O3 (từ bệ robot đến
tay gắp)

-

Tất cả mọi khớp đều được biểu diễn theo trục z:






-

Hệ trục O0X0Y0Z0 – tương ứng khớp quay 1, với biến khớp là 𝜃 1
Hệ trục O1X1Y1Z1 – tương ứng khớp quay 2, với biến khớp là 𝜃2
Hệ trục O2X2Y2Z2 – tương ứng khớp phẳng 3, với biến khớp là L1-L4
Hệ trục O3X3Y3Z3 - ứng với khâu cuối – cơ cấu chấp hành

Với: L1 = 220 (mm), L2 = 250 (mm), L3 = 200 (mm), L4 = 155 (mm)

 Lập bảng tham số D-H
Quy tắc:
-

di : là khoảng cách từu gốc tọa độ thứ i-1 đến gốc tọa độ thứu i đo theo trục
zi-1

-

li : là khoảng cách từu gốc tọa độ thứ i-1 đến gốc tọa độ thứu i đo theo trục
xi

-

𝜃i : là góc giữa trục xi-1 và trục xi đứng nhìn từ trục zi-1


-

𝛼i : là góc giữa trục zi-1 và trục zi đứng nhìn từ trục xi

Bảng tham số D-H:

2.3. Giải bài toán động học thuận
 Tổng quát: ma trận chuyển vị thứ i
cos i
 sin 
i
Ai  
 0

 0

 sin i .cos  i
cos  i .cos  i
sin  i
0

sin i .sin  i
 cos i .sin  i
cos  i
0

li .cos i 
li .sin  i 
di 


1 
17


ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP

zalo:0376264617

Ta được:



cos(1 + 2 )  sin(1 + 2 )



cos(1 + )
A1   sin(1 + )

2
2

0
0


0
0
cos( 2 )  sin(2 )
 sin( ) cos( )

2
2
A2  
 0
0

0
 0

1
0
A3  
0

0

0
1
0
0

0 l2 .cos(1 +

 

)
2 

 
0 l2 .sin (1 + )

2 

1
l1


0
1

0 l3 .cos( 2 ) 
0 l3 .sin ( 2 ) 

1
0

0
1


0 0 
0 0 
1  l4 

0 1 

 Sử dụng phần mềm matlab để nhân các ma trận với nhau
Code D-H:
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
2%DENAVIT - HATENBERG
clc

syms l0 l1 l2 l3 l4 the t1 t2 t3 t4 pi
n=input('Degree of Freedom: ')
T=eye(4);
for k=1:n
t=input('Rotation angle: ');
l=input('length of link: ');
ai=input('Twist angle: ');
d=input('Offset joints: ');
ct=cos(t);st=sin(t);ca=cos(ai);sa=sin(ai);
A=[ct -st*ca st*sa l*ct; st ct*ca -ct*sa
1]
T=T*A;
end
simplify(T)

l*st; 0 sa ca d; 0 0 0

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
 Kết quả

18


ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP

  sin(1 + 2 )  cos(1 + 2 )
 cos( + )  sin( + )
1
2
1

2
U
TT  A1. A2 . A3  

0
0

0
0


zalo:0376264617

0 l3 .sin(1 + 2 )  l2 .sin(1 ) 
0 l3 .cos(1 + 2 )+l2 .cos(1 ) 

1
l1  l4

0
1


Vậy:
Px  l3 .sin(1 + 2 )  l2 .sin(1 )
Py  l3 .cos(1 + 2 )+l2 .cos(1 )
Pz  l1  l4

2.4. Không gian làm việc của robot
Không gian làm việc 2D

Là hình vành khăn, có đường kính lớn R = 900 (mm), đường kính nhỏ
r=100(mm)
Vẽ không gian làm việc 2D trên matlab:
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
%Khong gian lam viec 2D
l2=250;
l3=200;
for t1=-pi:0.2:pi
for t2=-pi:0.2:pi
x=-l3*sin(t1+t2)-l2*sin(t1);
y=l3*cos(t1+t2)+l2*cos(t1);
plot(x,y,'*')
hold on
end
end

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

H3.2. Không gian làm việc 2D

19


ĐỒ ÁN ROBOT CÔNG NGHIỆP

zalo:0376264617

 Không gian làm việc 3D
 Là hình trụ rỗng có đường kính lớn R = 900 (mm), đường kính nhỏ r=100 (mm),
chiều cao h = L1 – L4 = 220 – 155 = 65 (mm)

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
%Khong gian lam viec 3 dof
l1=220;
l2=250;
l3=200;
l4=155;
for t1=-pi:0.2:pi
for t2=-pi:0.2:pi
for l4=0:23:230
x=-l3*sin(t1+t2)-l2*sin(t1);
y=l3*cos(t1+t2)+l2*cos(t1);
z= l1-l4;
plot3(x,y,z,'*')
hold on
end
end
end

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

H3.3. Không gian làm việc 3D

3. Bài toán động học nghịch
Để cơ cấu chấp hành cuối của robot (bút) di chuyển và chạm đến vị trí ô cờ
mong muốn, ta phải tính được các góc quay, khoảng tịnh tiến là bao nhiêu khi cho
trước vị trí chính xác Px , Py ,Pz . Vì vậy, ta bắt buộc phải giải được bài toán động học
nghịch của robot. Từ kết quả của bài toán động học thuận, ta tiến hành tính toán bài
toán động học nghịch như sau:
20