Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

TRỊNH HOÀNG KIÊN

NGHIÊN CỨU TAY MÁY SONG SONG BA BẬC TỰ DO
PHẲNG KIỂU RRR
Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2010


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên em xin chân thành cảm ơn Thầy Phạm Huy Hồng đã tận tình chỉ bảo, góp
ý và động viên em trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này.
Em cũng xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Huy Hồng đã nhiệt tình quan tâm và
động viên em trong suốt thời gian vừa qua. Nhân đây em xin gửi lời cảm ơn đến quý
Thầy Cô, những người đã tận tình truyền đạt kiến thức cho em trong hai năm học cao
học vừa qua.
Những lời cảm ơn sau cùng con xin cảm ơn cha mẹ đã hết lòng quan tâm và tạo điều
kiện tốt nhất để con hoàn thành được luận văn tốt nghiệp này.
Trịnh Hoàng Kiên


LỜI NĨI ĐẦU
Nền cơng nghiệp của thế giới đã có những bước tiến vượt bậc nhờ sự phát
triển và ứng dụng nhiều dạng tay máy vào quá trình sản xuất. Các tay máy này
khơng những góp phần nâng cao độ chính xác, chất lượng mà cịn giúp giảm

thời gian sản xuất để nhanh chóng đưa sản phẩm ra thị trường. Một trong số
những tay máy được sử dụng phổ biến hiện nay là kiểu tay máy song song.
Khoa học nghiên cứu về tay máy song song đến nay đã có những bước phát
triển vượt bậc hình thành những nền tảng cơ bản về lý thuyết và đã có nhiều mơ
hình được ứng dụng rộng rãi vào thực tế sản xuất và đời sống.
Tay máy song song có những ưu điểm vượt trội khi so sánh với các dạng tay
máy khác. Tuy nhiên việc nghiên cứu và thiết kế tay máy loại này cũng phức
tạp hơn cũng đòi hỏi một nền tảng kiến thức rộng về nhiều lĩnh vực như: cơ cấu
máy, điều khiển, lập trình,… . Được sự hướng dẫn của Thầy Phạm Huy Hoàng
em đã quyết định chọn đề tài: Nghiên cứu và thiết kế cánh tay máy song song ba
bậc tự do phẳng kiểu RRR.
Đây là mảng đề tài khá rộng, với khối lượng công việc lớn nên em đã gặp
một số khó khăn trong q trình nghiên cứu và thiết kế, song được sự hướng
dẫn tận tình của Thầy Phạm Huy Hoàng em đã hoàn thành tốt luận văn tốt
nghiệp này. Em xin chân thành cảm ơn Thầy vì sự giúp đỡ q báu đó. Tuy
nhiên do hạn chế về thời gian cũng như về trình độ của bản thân, nên khơng
tránh khỏi cịn nhiều chỗ thiếu sót, em rất mong được sự chỉ bảo của các Thầy
(Cơ) để em hồn thiện hơn luận văn này.
Học viên thực hiện
Trịnh Hoàng Kiên


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu và định nghĩa cánh tay máy song song.........................................1
1.2. Ưu nhược điểm ..............................................................................................2
1.3. Ứng dụng của cánh tay máy song song .........................................................3
1.4. Cánh tay máy song song phẳng 3 bậc tự do kiểu RRR. ................................14

1.4.1. Giới thiệu ...........................................................................................14
1.4.2. Ứng dụng ...........................................................................................15
1.5. Tình hình nghiên cứu .....................................................................................15
1.5.1. Cơ sở lý thuyết ...................................................................................15
1.5.2. Mơ hình ..............................................................................................20
1.5.3. Tình hình nghiên cứu cánh tay máy song song nói chung và
cánh tay máy song song 3 bậc tự do phẳng kiểu RRR ở Việt Nam
nói riêng .......................................................................................................21
1.6. Mục tiêu của luận văn....................................................................................22
1.4. Nội dung thực hiện của luận văn ...................................................................23
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC – GIẢI BÀI TỐN
KHƠNG GIAN LÀM VIỆC CỦA TAY MÁY
2.1. Bậc tự do của cơ cấu ......................................................................................24
2.2. Hình dáng hình học của tay máy ...................................................................24
2.3. Phân tích động học ........................................................................................26
2.3.1. Động học ngược .................................................................................26
2.3.2. Động học thuận ..................................................................................27
2.3.3. Ứng dụng Matlab trong phân tích động học – giải bài tốn
khơng gian làm việc cho tay máy song song phẳng
ba bậc tự do kiểu R-R-R ..............................................................................29
2.4. Phân bố không gian làm việc của tay máy ....................................................33
2.4.1. Phát biểu bài toán ...............................................................................33


2.4.2. Giải thuật............................................................................................34
2.4.3. Chương trình ......................................................................................34
2.4.4. Điều khiển động cơ bước (Step motor) .............................................37
2.4.5. Tối ưu hóa khơng gian làm việc của tay máy song song phẳng
ba bậc tự do kiểu R-R-R ..............................................................................42
2.5. Kết luận..........................................................................................................53

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TĨNH HỌC TAY MÁY
4.1. Tổng quát .......................................................................................................54
4.2. Phương pháp phân tích bằng sơ đồ phân tích lực ..........................................54
4.3. Phương pháp sử dụng ngun lý cơng ảo......................................................59
4.3.1. Giới thiệu ............................................................................................59
4.3.2. Phân tích lực tay máy bằng phương pháp công ảo ............................59
4.4. Kết luận..........................................................................................................61
CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY
5.1. Định luật Newton-Euler Laws .......................................................................62
5.1.1. Điểm tham khảo chung ......................................................................62
5.1.2. Công thức Newton-Euler đệ quy .......................................................63
5.2. Phân tích động lực học tay máy song song phẳng 3 bậc tự do kiểu RRR

67

5.3. Quỹ đạo làm việc của tay máy ......................................................................76
5.3.1. Tổng quát ...........................................................................................76
5.3.2. Quỹ đạo làm việc của tay máy ...........................................................77
5.4. Sử dụng Matlab trong phân tích động lực học tay máy song song phẳng
ba bậc tự do kiểu RRR ..........................................................................................79
5.4.1. Giải thuật............................................................................................79
5.4.2. Chương trình ......................................................................................80
5.5. Sử dụng Matlab Simulink để mơ phỏng động lực học tay máy ....................83
5.5.1. Giới thiệu về Matlab Simulink ..........................................................83
5.5.2. Yêu cầu bài toán và tổng hợp các khối được dùng trong
mơ hình Simulink.........................................................................................84


5.5.3. Kết quả ...............................................................................................87
5.7. Mơ hình 3D Inventor .....................................................................................90

5.6. Kết luận..........................................................................................................93
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHO ĐỀ TÀI
TÀI LIỆU THAM KHẢO


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG
1.1.

QUAN

Giới thiệu và định nghĩa tay máy song song:
1.1.1. Giới thiệu:
Nhìn chung các tay máy có hai dạng chính: tay máy nối tiếp (Serial
Robot) và (tay máy song song) Parallel Robot. Serial Robot là một cấu
trúc mở bao gồm nhiều khâu liên kết nối tiếp nhau. Cánh tay con người
là một ví dụ điển hình của Serial Robot, trên hình 1.1 là một Serial
Robot được phát triển bởi cơng ty Kuka.

Hình 1.1: Serial Robot của công ty Kuka
Hiện nay, tất cả các tay máy phát triển sau này ít nhiều cũng có hình
dạng giống như vậy. Là một chiếc máy có cấu trúc tốt cho nên nó được
ứng dụng nhiều trong cơng nghiệp. Tuy nhiên các cơ cấu chấp hành gắn
trên giá phải mang và di chuyển cả cánh tay, các liên kết và cơ cấu chấp
hành, vì lý do đó trong thực tế khó có thể thực hiện việc điều khiển
những dịch chuyển nhanh và chính xác với cánh tay như vậy. Kết quả là
cánh tay kém cứng vững và kém chính xác.
Ngược lại, một Parallel Robot là một cấu trúc gồm nhiều chuỗi vịng
kín với một nhóm các trục và cơ cấu tác động cuối mắc song song nhau.

Với những vịng kín như vậy sẽ làm tăng độ cứng vững của tay máy.
Hơn thế nữa, tất cả các cơ cấu chấp hành ta có thể đặt trên giá nếu cần
1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
để đạt được một kết cấu di chuyển rất nhẹ và tận dụng được phần lớn
năng lượng trực tiếp từ trục động cơ. Bên cạnh đó ta cịn giảm được sai
số vị trí của cơ cấu tác động cuối, vì lý do đó mà tay loại này chiếm ưu
thế trong điều khiển tốc độ cao, độ chính xác cao, tải trọng lớn và có độ
cứng vững cao hơn là Serial Robot. Để đạt được những yêu cầu đó
người ta đã và đang thiết kế, phát triển loại Parallel Robot và nhắm đến
việc đưa chúng vào ứng dụng. Trên hình 1.2 giới thiệu một loại Parallel
Robot.

Hình 1.2: giới thiệu một loại Parallel Robot
1.1.2. Định nghĩa:
Một robot song song được tạo thành bởi 1 phần di động (endeffector) n bậc tự do và 1 phần cố định (fixed base) được kết nối với
nhau bởi ít nhất 2 chuỗi động học độc lập. Lực phát động cơ cấu được
thực hiện thông qua n khâu dẫn.
1.2.

Ưu - nhược điểm:

So với tay máy nối tiếp thì tay máy song song có những ưu điểm nổi bật sau
đây:
• Độ bền cơ: tải trọng tại phần di chuyển được đỡ bởi nhiều tay nối cùng 1
lúc nên lực tác dụng lên mỗi tay nối thấp hơn.

2



CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• Khối lượng di chuyển thấp: các động cơ của 1 tay máy song song điển
hình có thể được đặt lên phần cố định (đối lập với robot nối tiếp) nên
giúp giảm đáng kể khối lượng cần được di chuyển.
• Làm việc chính xác hơn nhờ có cấu trúc cứng cáp. Các lỗi xảy ra trên
từng đoạn tay nối khơng bị cộng dồn lại
• Có thể thực hiện các di chuyển nhỏ và rất nhỏ với độ chính xác cao, 1 ưu
điểm rất lớn trong các trạm lắp ráp tự động
• Vị trí của các động cơ nằm tại hay gần với phần nền cố định
• Giải pháp cho bài toán động học nghịch đơn giản hơn so với tay máy nối
tiếp
• Vận tốc di chuyển và gia tốc cao
Tuy nhiên so với tay máy nối tiếp thì tay máy song song cũng có những
nhược điểm nhất định:
• Khơng gian làm việc (workspace) nhỏ hơn: khơng gian làm việc của
tay máy song song bị giới hạn bởi chính kiến trúc của nó, cụ thể là do sự
va chạm giữa các tay nối.
• Cấu trúc cơ phức tạp hơn: do có nhiều khớp và tay nối hơn trong tay
máy song song so với tay máy nối tiếp nên nó sẽ tiêu tốn nhiều hơn trong
q trình chế tạo, bảo trì để đạt được cùng 1 mức độ chính xác.
1.3.

Ứng dụng của cánh tay máy song song
1.3.1. Các ứng dụng trong hàng không:
Các cơ cấu song song đã được đề xuất ứng dụng cho các thiết bị
hàng không từ rất lâu. 1 trong những ứng dụng đó là các trong thiết bị
định vị không gian, như đã được đề nghị trước đây bởi 1 nhóm nghiên
cứu thuộc trường đại học Canterbury.


3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.3: 1 ví dụ của việc sử dụng robot song song để điều khiển
hướng của antenna. (Chú ý đến kích thước nhỏ của thiết bị phát động so
với chảo antenna)
Cùng theo xu hướng này thì 1 ứng dụng rất thành công của kết cấu
robot song song là thiết bị định vị cho kính viễn vọng. Hầu như tất cả
các kính viễn vọng đặt trên trái đất đều dùng cơ cấu hexapod như là hệ
thống sắp gương thứ cấp hay sơ cấp (Telescopio Nazionale Galileo, Đại
học MMT Arizona (cả hai đều được thiết kể bởi ADS International),
UKIRT, The ESO VISTA hay The GRANTECAN trên đảo Canary)

Hình 1.4: 1 hệ thống định vị kính viễn vọng được lắp đặt tại trạm
quan sát Cerro Armazones ở Chile.
Các cấu trúc robot song song cũng có thể được dùng để trang bị cho
1 vệ tinh. 1 robot song song đã được xem xét trong quá trình thử nghiệp
vệ tinh SAGE III và 1 phiên bản khác được gắn trên ISS đã được phát
triển cho ESA bởi ADS International.

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.5: 1 Hexapod định vị được trangbị cho SAGE III.
1.3.2. Ứng dụng trong dao động:

Dải sóng cao của các cấu trúc robot song song cho phép ứng dụng tốt
chúng trong giảm chấn dao động.

Hình 1.6: Giảm chấn dao động của đại học Wyoming sử dụng bộ
phát động voice coil

5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.7: Một hexapod của MicroMega
Một ví dụ thú vị khác là của hệ thống VISS (hệ thống dao động
(Vibration), cách ly (Isolation), hãm (Suppression) và lái (Steering)),
được phát triển đồng thời bởi không quân Hoa Kỳ, Honeywell, Trisys và
JPL để tách các hệ thống đo lường (quang, laser, …) khỏi thân của vệ
tinh để gia tăng mức độ chính xác của các dụng cụ gắn trên thân của các
vệ tinh này.

Hình 1.8: Thiết bị cách ly dao động của CSA Engineering
1.3.3. Các ứng dụng trong y khoa:
Robots đang từng bước được ứng dụng vào lĩnh vực y khoa với các
hệ thống như DaVinci (Intuitive Surgical) hay Zeus (Computer Motion).
Các cấu trúc robot song song đang giữ 1 vai trò lớn trong những ứng
dụng này
SurgiScope là 1 robot Delta được gắn lên trần nhà. Nó có 7 bậc tự do
và cho phép áp dụng tất cả các kiểu phẫu thuật. Nó được sử dụng đặc

6



CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
biệt cho các ứng dụng hiển vi trong giải phẫu thần kinh và cho phép hoạt
động với tất cả các tư thế thơng thường của bệnh nhân.

Hình 1.9: Robot Delta SurgiScope
Một khó khăn mà các robot phẫu thuật thường gặp phải đó là phải
theo chuyển động của bệnh nhân. Điều này thúc đẩy sự phát triển của
robot MARS có cấu trúc 6-UPS; trong đó robot được gắn trực tiếp lên
cấu trúc xương của bệnh nhân gần vùng phẫu thuật.

Hình 1.10: Robot MBARS (Mini Bone-attached Robotic System) cho
phẫu thuật chỉnh hình đầu gối đang được phát triển tại CMU.

7


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.11: The Spine Assist và MBARS đang hướng tới 1 cách tiếp
cận khác cho các robot phẫu thuật dựa trên các cấu trúc robot nhỏ,
thích nghi và chi phí tương đối thấp so với các cấu trúc lớn mắc tiền
trước kia
1.3.4. Các ứng dụng trong thiết bị mô phỏng:
Sau đề xuất ban đầu về hệ thống mô phỏng bay sử dụng robot
Stewart, hiện nay đã phát triển rất nhiều các robot song song ứng dụng
cho lĩnh vực này. Ngày nay nhiều công ty đang xây dựng các thiết bị mô
phỏng chuyển động thực không chỉ cho máy bay mà còn cho tầu thủy,
xe lửa, và xe tải, …


Hình 1.12: Thiết bị mơ phỏng bay

8


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.13: Thiết bị mơ phỏng lái xe hơi NADS tại đại học Iowa
Một cơ cấu robot song song rất ấn tượng, bộ mô phỏng Turret
Motion Based Simulator (TMBS) được chế tạo bởi US Army Center for
Tanks Research (TACOM). Khâu dẫn là hệ thống thủy lực có khả năng
mang 27 tấn với gia tốc thẳng đứng khoảng 4-6.g. Thiết bị này được
dùng để kiểm tra khả năng tối ưu bên trong của xe tank, và để nghiên
cứu các hệ thống ổn định khác.

Hình 1.14: Thiết bị mơ phỏng Turret Motion Based Simulator của
quân đội Hoa Kỳ.

9


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Một bộ mô phỏng thú vị khác là Persival, được phát triển đầu tiên
bởi ´Ecole Nationale d’´Equitation của Pháp. Thiết bị này được chế tạo
riêng để luyện tập cho những người cưỡi ngựa để tránh những nguy
hiểm gặp phải khi học mơn này.

Hình 1.15: Persival – thiết bị mô phỏng của École Nationale
d’Équitation, được chế tạo với sự hợp tác của ENAC
Một hệ thống mô phỏng khác là mô phỏng xe đạp được phát triển

bởi KAIST ở Hàn Quốc và hệ thống Caren của Motek được sử dụng để
huấn luyện thể thao và hồi phục thể trạng.

Hình 1.16: Thiết bị mơ phỏng xe đạp

Hình 1.17: mơ phỏng chuyển động sử dụng cho huấn luyện thể thao
và phục hồi thể trạng
10


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.3.5. Các ứng dụng trong cơng nghiệp:
• Máy công cụ/Trung tâm gia công:
Trong sản xuất lớn, những Robot này là những hệ thống được tự
động hố hồn tồn: chúng đo đạc, cắt khoan các thiết bị chính xác
và có khả năng hiệu chỉnh các cơng việc của mình, hầu như ở nay
khơng can sự giúp đỡ của con người trừ chương trình điều khiển
trong máy tính điện tử. Chỉ với vài người giám sát cơng việc.

Hình 1.18: Robot Tornado được cấu hình làm máy phay 5 trục
dùng trong Sản xuất tự động

Hình 1.19 Hexapod kết hợp với máy phay ngang tạo thành máy
CNC 5 trục

11


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• Thiết bị định vị:


Hình 1.20: Robot SpaceFab, 1 robot kiểu 3-PPS để điều chỉnh sợi
quang học
• Những ứng dụng trong công nghiệp khác:
Một trong những ứng dụng thành cơng nhất của parallel robot là
trong đóng gói đặc biệt là với Robot Delta với tỉ số truyền và độ
chính xác cao cho phép thao tác với các chi tiết dễ hỏng như những
chi tiết thường gặp trong công nghiệp thực phẩm.

12


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hình 1.21: Ứng dụng của robot Delta trong công nghiệp thực
phẩm
o Hệ thống nhận dạng và giám sát:
Q trình sản xuất ln phải kiểm tra và giám sát để kịp thời sửa
chữa những sai lầm phạm phải trong q trình sản xuất. Tuy nhiên
cơng việc này rất nhàm chán và đòi hỏi sự tập trung cao độ của công
nhân làm cho người công nhân dễ mệt mỏi dẫn đến sai lầm. Đối với
Robot thì khác, Robot có thể làm việc không mệt mỏi và năng xuất
ổn định .Vì vậy mà từ lâu rồi người ta đã thay thế con người bằng
các hệ thống giám sát bằng cảm biến, bằng camera, cùng với các giải
thuật nhận dạng ảnh để xác định các chi tiết lắp ráp (dùng trong các
day chuyền lắp ráp ), hay loại bỏ các phế phẩm.
Một trong các ưu điểm của hệ thống nhận dạng bằng camera là
tôc độ nhận dạng cao nhờ được xử lý bằng PC, có tốc độ xử lý cao
hơn các bộ xử lý khác.
Các mẫu sau đây là một số Robot ứng dụng dùng trong giám sát


13


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Hình 1.22: Haptic Master Device
o Lắp ráp:

Hình 1.23: Robot Hexa áp dụng trong công nghệ lắp ráp
1.4.

Cánh tay máy song song phẳng 3 bậc tự do kiểu RRR:
1.4.1. Giới thiệu:

Hình 1.24: Cấu trúc của tay máy song song 3 bậc tự do phẳng kiểu R-R-R
Đối với 1 cánh tay máy phẳng song song 3 bậc tự do trong hình 1.24,
3 khớp quay cố định P,Q và R xác định hình dáng hình học của phần cố
định và 3 khớp quay di chuyển A,B và C xác định hình dáng hình học
của phần chuyển động. 3 cánh tay kết nối phần chuyển động tại các
điểm A,B và C với phần cố định tại các điểm P,Q và R bằng các khớp
quay. Mỗi cánh tay gồm 2 khâu kết nối nhờ 1 khớp quay. Cùng với

14


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
nhau, kết cấu gồm 8 khâu và 9 khớp quay. Bậc tự do của cơ cấu được
tính từ công thức:
F = λ (n − j − 1) + ∑ f i = 3(8 − 9 − 1) + 9 = 3
i


Do đó cơ cấu có 3 bậc tự do. Chúng ta xem phần chuyển động như là
khâu ra và các khâu PD, QE và RF là các khâu vào. Do đó tất cả các
thành phần dẫn động có thể được lắp vào phần cố định.
1.4.2. Ứng dụng: Nhờ vào các ưu điểm: kết cấu đơn giản, giá thành
không cao, độ cứng vững tốt, tốc độ và độ chính xác cao nên tay
máy phẳng 3 bậc tự do kiểu R–R–R được ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực bao gồm:
• Cấp liệu
• Lắp ráp
• Gia cơng
1.5.

Tình hình nghiên cứu:

Do những ưu điểm vượt trội của nó, cánh tay máy song song phẳng 3 bậc tự
do kiểu RRR từ lâu đã thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, kỹ
thuật. Rất nhiều các bài báo nghiên cứu và các mơ hình thực tế đã ra đời làm
củng cố thêm cơ sở lý thuyết cũng như giải quyết được các vấn đề liên quan
đến cánh tay máy này. Nền tảng này cho phép việc ứng dụng tay máy RRR vào
thực tế cũng như cung cấp một cơ sở để chúng ta tiếp tục nghiên cứu các cánh
tay máy song song có kết cấu tương đương.
1.5.1 Cơ sở lý thuyết:
1.5.1.1Động học:
Động học robot nghiên cứu vể chuyển động của robot.
Trong phân tích động học thì vị trí, vận tốc và gia tốc của tất
cả các khâu được tính tốn mà khơng xem xét đến lực gây ra
chuyển động này.
Phân tích động học có 2 kiểu chủ yếu là: động học thuận
và động học nghịch. Trong động học thuận thì ta có chiều dài

của mỗi khâu và góc của mỗi khớp và ta cần tính vị trí của bất

15


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
kỳ điểm nào trên phần chuyển động của robot. Trong động
học nghịch thì cho chiều dài mỗi khâu và vị trí của điểm trên
phần chuyển động và ta phải tính góc của mỗi khớp [x, y].
Để khảo sát chi tiết động học của cơ cấu tay máy song song
phẳng 3-RRR thì ta có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau
như phương pháp số phức, ma trận thuần nhất hay vòng lặp
vector [1], kết hợp với việc sử dụng các chương trình lập trình
mơ phỏng hiện đại như matlab, hay Java Applets [14,15]
1.5.1.2 Động lực học
Động lực học robot là xem xét đến mối quan hệ giữa lực tác
dụng lên cơ cấu và gia tốc mà chúng tạo ra. Trong đó cơ cấu
robot được xem như 1 hệ thống hoàn toàn cứng và động lực học
robot là ứng dụng của động lực học vật cứng vào robot. Có 2 vấn
đề chính trong động lực học robot là:
Động lực học thuận: cho lực, tìm ta gia tốc
Động lực học nghịch: cho gia tốc tìm lực
Q trình phân tích động lực học cho các tay máy này là khá
phức tạp do sự tồn tại của nhiều vịng kín. Đầu tiên phương pháp
số dựa trên định luật Newton và Euler được sử dụng. Sau đó 1
phương pháp hiệu quả hơn dựa trên nguyên lý công ảo được phát
triển. Cuối cùng cơng thức Lagrangian được dùng để tìm phương
trình chuyển động của cơ cấu.
1.5.1.3 Không gian làm việc (Workspace): là vùng khơng gian có
thể đạt được bởi 1 điểm tham khảo C đặt trên tấm di chuyển

(mobile platform).
Không gian làm việc được chia thành nhiều loại khác nhau và
được xác định bằng nhiều giải thuật khác nhau. Do đây là một
trong những thành phần quan trọng cho quá trình hình thành
hệ thống điều khiển tay máy nên đã có nhiều nghiên cứu chi
tiết về vấn đề này. Như trong tài liệu [3], Merlet đã dùng
phương pháp họa đồ để xác định nhiều dạng không gian làm
16


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
việc khác nhau. Đầu tiên, không gian làm việc hướng cố định
(constant orientation workspace) được xác định. Khơng gian
làm việc này được định nghĩa là vùng có thể đạt đến được của
điểm C khi hướng của phần chuyển động là khơng đổi. Sau đó
khơng gian làm việc lớn nhất (maximal workspace) được định
nghĩa là vùng có thể đạt đến của điểm C với ít nhất 1 hướng
của phần chuyển động sẽ được xác định. Không gian làm việc
lớn nhất cũng được xem là không gian làm việc có thể đạt đến
của tay máy. Từ những vùng trên không gian làm việc bao
quát (inclusive workspace) cụ thể là vùng có thể thu được của
điểm C với ít nhất 1 hướng nằm trong phạm vi cho trước của
phần chuyển động được xác định. Sau đó khơng gian làm việc
hướng tổng quát (total orientation workspace) (vùng không
gian mà điểm C có thể đạt được với tất cả các hướng của phần
chuyển động trong 1 phạm vi cho phép) được xác định. Cuối
cùng không gian làm việc linh hoạt (dextrous workspace) (là
vùng mà điểm C có thể đạt được với bất kỳ hướng nào của
phần chuyển động) được xác định. Các giải thuật phát triển ở
đây rất hữu ích trong việc thiết kế và lập trình chuyển động

cho các tay máy song song phẳng.
Ta cũng có thể xác định khơng gian làm việc bằng phương
pháp giải tích. Như trong [9], Pennock và Kassner tập trung
vào phân tích khơng gian làm việc trực tiếp của một tay máy
dạng phẳng 3 bậc tự do dẫn động song song hình học tổng
quát. Một tập hợp các cơng thức được trình bày xác định
khơng gian làm việc như một hàm số của hướng của phần
chuyển động. Công thức được thiết lập thông qua lời giải cho
bài tốn vị trí ngược của tay máy. Các vị trí có thể đạt được
của phần chuyển động ứng với một hướng cụ thể của phần
chuyển động cho trước được phân tích.

17


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Sau đó hướng của phần chuyển động, ứng với vị trí xác định
cũng được 2 tác giả này nghiên cứu. Nếu đạt được hướng tùy
ý thì vị trí xác định của phần chuyển động được xem là nằm
trong khơng gian làm việc chính. Báo cáo này bao gồm 1 thảo
luận chi tiết về không gian làm việc tổng quát của tay máy.
Cách tiếp cận ở đây xem tay máy là kết hợp của 3 xích truyền
mở phẳng. Cuối cùng báo cáo bao gồm thêm các điều kiện
gây ra các thiết lập cố định của tay máy. Trong đó khái niệm
về những thiết lập khơng mong muốn này được cung cấp bởi
1 nghiên cứu về vị trí của tâm tức thời tuyệt đối của phần
chuyển động.
1.5.1.4 Trạng thái suy biến: Là 1 vị trí trong khơng gian làm việc
của tay máy mà tại đó một hay nhiều khớp khơng cịn các biến
điều khiển độc lập hay cụ thể hơn là cơ cấu sẽ mất đi hay thêm

vào một bậc dự do.
Một trong những vấn đề được quan tâm liên quan đến trạng
thái suy biến đó là việc tìm quỹ tích suy biến đã được Ilian
A. Bonev và Clément M. Gosselin trình bày trong tài liệu
[10]. Trong đó việc xác định quỹ tích suy biến được 2 tác giả
thực hiện thông qua việc sử dụng đường cong bậc 42.
Trong các phương pháp truyền thống cho phân tích suy biến
của các robot song song phẳng đều dựa trên phân tích hai ma
trận Jacobia thuận và ngược [8]. Phân tích ngược được thực
hiện dễ hơn do ma trân Jacobia ngược luôn có một dạng
đường chéo đơn giản. Ngược lại phân tích Jacobia thuận
thường phức tạp do các mối quan hệ hình học quan trọng có
thể bị che khuất đi trong quá trình hình thành của ma trân
Jacobia thuận. Báo cáo này tập trung vào phân tích suy biến
thuận của cánh tay máy song song phẳng 3-RRR với nhiều sơ
đồ dẫn động khác nhau. Bằng cách phân tích khả năng di
chuyển tức thời của phần chuyển động khi tất các các khớp
18


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
động bị khóa thì các điều kiện hình học đủ và cần thiết cho
thiết lập suy biến thuận có thể được xác định. Q trình
nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng cách tiếp cận hình học
đơn giản có thể được sử dụng cho phân tích suy biến của
nhiều tay máy và cơ cấu song song phẳng khác nhau.
Có thể sử dụng các hệ số truyền lực vào q trình phân tích
trạng thái suy biến của cơ cấu [11]. Trong đó các vùng suy
biến trong khơng gian làm việc của tay máy được xác định
không chỉ bởi các tiêu chuẩn động học từ mơ hình lý thuyết

của tay máy mà cịn bởi chất lượng của q trình truyền lực.
Để giải quyết vấn đề này thì góc áp lực được dùng như 1 chỉ
số đánh giá quá trình truyền lực. Từ đó việc điều khiển tối ưu
góc áp lực cho 1 quỹ đạo cho trước của tay máy được thực
hiện thơng qua các khâu nối có cấu trúc khác nhau.
1.5.1.5 Tối ưu hóa:
Q trình tối ưu hóa thiết kế của tay máy được thực hiện cho
các kích thước của tay máy để đạt được các mục đích tối ưu
khác nhau như: tối ưu không gian làm việc hay tối ưu năng
lượng cơ của tay máy [4]. Báo cáo này cho ta một lời giải
kích thước tối ưu của các cơ cấu tay máy song song phẳng
ứng với một quỹ đạo và cấu trúc xác định trước, giúp tối thiểu
năng lượng cơ của tay máy. Một giải thuật thu được cho phép
điều chỉnh kích thước của tay máy phù hợp cho 1 nhiệm vụ cụ
thể, thông qua việc tái thiết lập bị động. Với phương pháp này
thì hầu hết năng lượng được dùng để thực hiện nhiệm vụ chứ
không phải cho chuyển động của tay máy.
1.5.1.6 Điều khiển:
Ở đây các tay máy có thể được xem như các hệ thống cơ điện
tử điển hình. Trước khi xây dựng mơ hình và thiết lập các hệ
thống điều khiển thì quá trình điều khiển có thể được mơ

19