TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

NGHIÊN CỨU,TÍNH TỐN VÀ CHẾ TẠO MƠ
HÌNH ROBOT SONG SONG 3 BẬC TỰ DO

Sinh viên thực hiện

: LÊ VĂN TUẤN
Lớp 54K1 – KTĐK&TĐH

Giảng viên hướng dẫn

Nghệ An

1

: Th.S HỒ SỸ PHƯƠNG


LỜI NĨI ĐẦU
Đất nước ta đang trong giai đoạn cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa, để tiến kịp
các nước trong khu vực và trên thế giới, nền công nghiệp nước nhà cần tiếp cận các
công nghệ và thiết bị hiện đại.
Kĩ thuật robot đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực ở nhiều
nước, nó đã đem lại hiệu quả to lớn trong sản xuất công nghiệp, trong quốc phòng,

y tế, xã hội, thám hiểm vũ trụ. Tuy nhiên, việc ứng dụng robot vẫn còn là lĩnh vực
mới mẽ đối với nền công nghiệp nước nhà. Trong xu hướng phát triển chung việc
nghiên cứu và sử dụng robot ở Việt nam chắc chắn sẽ phát triển.
Trong quá trình thực hiện đề tài đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu, tính tốn và
chế tạo mơ hình robot song song 3 bậc tự do” em đã nhận được rất nhiều sự giúp
đỡ quý báu.Trước hết em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Hồ Sỹ Phương đã
tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ để em có thể hồn thành đồ án một cách tốt
nhất. Cảm ơn các thầy cô giáo giảng dạy bộ môn trong suốt 5 năm qua đã cung cấp
cho em những kiến thức cần thiết tạo điều kiện cho em hoàn thành được đồ án này
theo đúng yêu cầu và thời gian quy định.Cảm ơn các bạn trong lớp K54 Kỹ Thuật
Điều Khiển Và Tự Động Hóa đã nhiệt tình tham gia đóng góp ý kiến trong q trình
thực hiện đề tài.
Do kiến thức cịn hạn chế và thời gian khơng q 3 tháng để hồn thành nên
em khơng tránh khỏi những sai sót trong thiết kế, cũng như cách trình bày. Rất
mong sự thông cảm chỉ bảo và hướng dẫn của quý thầy cô và các bạn để đồ án tốt
nghiệp của em được tốt hơn.
Em xin chân thành cảm ơn.

2


TĨM TẮT
Ngành cơng nghiệp robot trên thế giới đã đưa được sản phẩm là robot công
nghiệp để phục vụ sản xuất, thậm chí phục vụ nhu cầu giải trí cũng như chăm sóc
con người. Với ngành cơng nghiệp của Việt Nam thì robot chưa được xuất hiện
nhiều trong các dây truyền sản xuất. vì sản phẩm này cịn q đắt đối với thị trường
Việt Nam.Nhằm nội địa hóa sản phẩm, cũng như nghiên cứu chuyên sâu về robot,
em chọn đề tài “Nghiên cứu, tính tốn và chế tạo mơ hình robot song song 3 bậc
tự do”. Đề tài này hướng tới có thể tiến hành chế tạo robot delta trên thực tế, xác
định vật liệu cũng như cơ cấu truyền động của mỗi bậc, tính tốn động học cho

robot từ đó có phương án kết hợp dây chuyền sản xuất.
Mục đích của đề tài này là nghiên cứu về cấu tạo và xây dựng những giải pháp
phần cứng cho robot song song 3 bậc tự do. Nhằm làm chủ kỹ thuật chế tạo robot,
có thể áp dụng vào phịng thí nghiệm của các trường cao đẳng, đại học cũng như
ứng dụng trong sản xuất công nghiệp.

PREFACE

The robot industry in the world has brought the product is industrial robots to
serve production, even serving the needs of entertainment as well as human care.
With the industry of Vietnam, the robot has not appeared much in the production
line. This product is too expensive for the Vietnamese market.In order to
localization of products, as well as in-depth research on robots, I chose the topic
"Studying, calculating and modeling a parallel robot model 3 degrees".This
topic aims to be able to develop the robot delta in fact, determine the material as
well as the actuator of each level, calculate the dynamics for the robot from which
the method of production line integration.
The purpose of this topic is to study the structure and construction of hardware
solutions for parallel robot with 3 degrees of freedom. To be the master of robotics,
it is possible to apply to laboratories of colleges and universities as well as
applications in industrial production.

3


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ 1
TÓM TẮT ................................................................................................................... 3
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ................................................................................... 6
PHẦN MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 9

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG ........................................ 11
1.1. GIỚI THIỆU ...................................................................................................... 11
1.2. CẤU TRÚC ROBOT SONG SONG ................................................................. 12
1.2.1. Cấu trúc cơ cấu ................................................................................................ 12
1.2.2. Khâu,khớp,chuỗi động và cơ cấu chấp hành của robot song song ................. 12
1.3. PHÂN LOẠI ROBOT SONG SONG ................................................................ 14
1.3.1. Robot song song đối xứng............................................................................... 14
1.3.2. Các Robot song song phẳng ............................................................................ 14
1.3.3. Các Robot song song cầu ................................................................................ 15
1.3.4. Các Robot song song không gian .................................................................... 16
1.4. CÁC NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC LIÊN
QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI ....................................................................................... 17
1.4.1. Các nghiên cứu trên thế giới ........................................................................... 17
1.4.2. Các nghiên cứu trong nước ............................................................................. 18
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH, TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC
ROBOT DELTA .............................................................................................. 21
2.1. GIỚI THIỆU VỀ ROBOT DELTA ................................................................... 21
2.1.1.Khái niệm ......................................................................................................... 21
2.1.2. Phân loại robot delta........................................................................................ 23
2.2. PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ .................................... 27
2.3. PHẠM VI HOẠT ĐỘNG .................................................................................. 28
2.3.1. Giới hạn hình học ............................................................................................ 28
2.3.2. Vùng làm việc của tay máy robot delta........................................................... 29
2.4. BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT DELTA ...................................................... 30
2.4.1.Đặt vấn đề ........................................................................................................ 30
4


2.4.2.Bài toán động học thuận robot delta ................................................................ 32
2.4.3. Bài toán động học nghịch robot delta ............................................................. 35

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ROBOT DELTA ......................... 38
3.1. NỘI DUNG THIẾT KẾ ROBOT....................................................................... 38
3.1.1. Phương pháp tính tốn thiết kế robot .............................................................. 38
3.1.2. Sơ đồ khối ....................................................................................................... 39
3.2. THIẾT KẾ ROBOT DELTA ............................................................................. 39
3.2.1. Mạch điều khiển Arduino Uno R3 .................................................................. 39
3.2.2. ĐỘNG CƠ ....................................................................................................... 41
3.2.3. CÁC THÀNH PHẦN CƠ KHÍ ....................................................................... 45
3.3. MƠ HÌNH THỰC CỦA ROBOT DELTA ........................................................ 48
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .................................................. 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 53

5


DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Robot song song phẳng 3 bậc tự do với cấu trúc chân RRR.....................15
Hình 1.2.Cấu trúc chấp hành song song 3PRP .........................................................15
Hình 1.3. Cấu trúc chấp hành kiểu cầu 3RRR ..........................................................16
Hình 1.4. Robot 4 chân của hang R.S Mosher và hãng General Electric .................17
Hình 1.5.Sơ đồ khối của bộ điều khiển song song ....................................................20
Hình 2.1. IRB 360 Flexpicker của ABB ...................................................................21
Hình 2.2: Robot Delta TOSY TI P304-01 ................................................................22
Hình 2.3: Robot Delta Adept Quattro s650H ............................................................23
Hình 2.4. Robot Delta kiểu 3-PRPaR .......................................................................24
Hình 2.5. Robot Delta kiểu 3-RRPaR .......................................................................25
Hình 2.6. Robot Delta kiểu 3-P2S2S ........................................................................26
Hình 2.7 Robot Delta kiểu 3-R2S2S .........................................................................27
Hình 2.8. Sơ đồ động học và kết cấu của robot delta 3 bậc tự do .............................28

Hình 2.9. Thơng số chiều dài và các góc đặc trưng của robot delta .........................28
Hình 2.10. Cấu trúc hình học của Delta Robot .........................................................30
Hình 2.11. Cấu trúc của một nhánh Delta Robot ......................................................31
Hình 2.12 Sơ đồ mơ tả ngun tắc xây dựng bài tốn động học thuận ....................32
Hình 2.13. Các kích thước cơ bản của robot delta ....................................................32
Hình 2.14. Nguyên lý xác định bài tốn động học ngược.........................................35
Hình 2.15.Hai nghiệm động học đảo của một nhánh. ...............................................36
Hình 3.1. Mơ hình hệ thống điều khiển robot ...........................................................39
Hình 3.2.Bo mạch Arduino Uno R3 .........................................................................40
Hình 3.3.Cấu tạo động cơ RC servo .........................................................................41
Hình 3.4. Sơ đồ điều chế độ rộng xung .....................................................................42
Hình 3.5. Mặt chân đế ...............................................................................................45
Hình 3.6. Tấm phẳng cố định ....................................................................................45
Hình 3.7. Cánh tay dưới ............................................................................................46
Hình 3.8. Cánh tay trên .............................................................................................46
Hình 3.9. Tấm phẳng di động....................................................................................47
6


Hình 3.10. Khớp nối ..................................................................................................47
Hình 3.11. Giá đỡ ......................................................................................................48
Hình 3.12. Mơ hình thực của robot delta ..................................................................48
Hình 3.13. Thuật tốn tính góc quay .........................................................................49

7


DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-PRPaR ......................................... 24

Bảng 2.2.Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-RRPaR .......................................... 25
Bảng 2.3.Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-P2S2S ........................................... 26
Bảng 2.4 Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-R2S2S ........................................... 27
Bảng 2.5 Thông số hình học robot song song delta thiết kế ..................................... 29
Bảng 3.1.Thông số cơ bản của mạch Arduino Uno R3 ............................................ 40

8


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong quá trình cơng nghiệp hóa hiện đại hóa, các nhà khoa học đã nghiên cứu
chế tạo các loại robot để phục vụ sản xuất. Cùng với q trình phát triển các robot
cơng nghiệp, một loại robot mới ra đời, thay thế dần các loại robot trước đây, đó là
robot song song, với các đặc tính nổi trội so với robot cổ điển như:
- Khả năng chịu được tải lớn.
- Các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên tổng trọng lượng của robot cũng nhỏ.
- Độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng hợp lý.
- Tất cả các lực tác động đồng thời được phân bố đều cho các chân, đồng thời lực
tác động lên các chân của ronot đều là lực kéo (hay nén) nhờ các cấu trúc của robot.
- Có thể thực hiện các thao tác phức tạp với độ chính xác cao trong cơng việc
nhờ vào cấu trúc song song, các sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc trục và sai số
khơng bị tích lũy.
- Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền.
- Các robot song song không cần làm việc trên bệ đỡ và có thể di chuyển tới
mọi nơi trong mơi trường sản xuất do có khối lượng và kích thước tương đối nhỏ…
- Robot song song có phạm vi sử dụng tương đối rộng, từ việc dùng lắp rắp
các chi tiết tinh vi cho đến việc tạo các chuyển động phức tạp.
- Năng suất làm việc rất cao.
-Giá thành của robot song song sử dụng trong gia cơng rẻ hơn nhiều so với các

máy CNC có tính năng tương đương.
Với tính ưu việt cao, các robot song song ngày càng được các nhà khoa học
nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Chính vì lí do đó, em quyết định chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp “Nghiên
cứu, tính tốn và chế tạo mơ hình robot song song 3 bậc tự do” ứng dụng trong các
dây chuyền sản xuất, dùng để vận chuyển các sản phẩm trong dây chuyền.
2.Mục đích của đề tài
Đề tài nhằm nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot delta nhằm ứng dụng vào
các dây chuyền sản xuất.
9


Qua đó, ta sẽ phát triển thành sản phẩm ứng dụng trong gia cơng tạo hình, lắp
ghép và vận chuyển sản phẩm trong các quá trình sản xuất.
3.Phạm vi và nội dung nghiên cứu
Đề tài được thực hiện với nội dung chủ yếu sau:
- Nghiên cứu tổng quan về robot song song.
- Nghiên cứu lý thuyết và giải bài toán động học của robot delta.
- Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mơ hình cơ khí của robot delta
- Nghiên cứu thuật tốn điều khiển và xây dựng chương trình điều khiển vị trí
đối với robot song song.
Đề tài giới hạn ở việc nghiên cứu robot Delta, điều khiển theo vị trí, trên cơ sở
đó điều khiển theo quỹ đạo bất kỳ
4.Phương pháp nghiên cứu
Đề tài kết hợp nghiên cứu giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm:
- Nghiên cứu lý thuyết:
+ Tổng hợp tài liệu về tính tốn động học thuận và ngược của robot delta,từ đó
xây dựng thuật toán giải bài toán động học thuận và động học ngược.
+ Tính tốn thiết kế mơ hình cơ khí cho robot đảm bảo độ chính xác và độ
cứng vững cần thiết,đáp ứng nhu cầu điều khiển chính xác.

- Nghiên cứu thực nghiệm:
Chế tạo mơ hình thực nghiệm robot Delta và điều khiển thực hiện các công
việc yêu cầu.
5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Đề tài mang nhiều ý nghĩa khoa học và thực tiễn:
+ Tạo tiền đề cho việc chế tạo các robot Delta ứng dụng vào thực tế:thiết bị
gia công các biên dạng bề mặt phức tạp,tạo biên dạng theo đường cong bất kì,robot
lắp ráp sản phẩm trong các hệ thống sản xuất,robot nâng chuyển...
+ Góp phần xây dựng mơ hình dạy học về điều khiển tự động đối với robot
công nghiệp tại các trường Cao đẳng và Đại học.

10


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG

1.1. GIỚI THIỆU
Ngày nay, các kỹ thuật robot với sự hỗ trợ của máy tính đã đáp ứng được độ
chính xác cao, thời gian thu nhận và xử lý các tín hiệu nhanh chóng, tin cậy, đã làm
tăng năng suất lao động, hạn chế các tai nạn và độc hại cho con người… Tuy nhiên,
loại robot nối tiếp hiện đang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực đã bộc lộ nhiều
nhược điểm như tính linh hoạt thấp, tốc độ xử lý và khả năng đáp ứng khơng cao,
độ cứng vững cũng như độ chính xác chưa đảm bảo. Để khắc phục phần nào các
nhược điểm trên, một loại robot mới đã ra đời, đó là robot (hay còn gọi là tay máy)
song song. Khác hẳn với robot nối tiếp là loại robot liên tiếp có kết cấu hở được liên
kết với các khâu động học và được điều khiển tuần tự hoặc song song thì robot song
song là cơ cấu vịng kín trong đó khâu tác động cuối được liên kết với nền bởi ít
nhất là hai chuỗi động học độc lập. Robot song song có được những ưu điểm sau:
độ cứng vững cơ khí cao, khả năng chịu tải cao, gia tốc lớn, khối lượng động thấp

và kết cấu đơn giản. Với những ưu điểm trên, robot song song đã được ứng dụng
trong rất nhiều lĩnh vực như y học, thiên văn học, trắc địa, máy mô phỏng, các máy
công cụ…
Trong hoạt động sản xuất, những robot cơng nghiệp thường có hình dạng của
“cánh tay cơ khí”, mơ phỏng theo những đặc điểm cấu tạo cơ bản của cánh tay
người. Vì tinh thần phát triển các hệ thống cơ khí là thực hiện các thao tác giống
con người nên nó khơng tự nhiên, gò ép nhằm sử dụng các chuỗi động học nối tiếp
vòng hở, cấu trúc này được gọi là tay máy nối tiếp. Cấu trúc này có ưu điểm là vùng
làm việc trải rộng, có tính linh hoạt, khéo léo như tay người nhưng khả năng nâng
tải của nó thấp, độ bền thấp và độ chính xác chưa cao do các khớp nối trên tay máy
cồng kềnh, khối lượng lớn, khi chuyển động với tốc độ cao thì nó bị rung và lắc. Vì
thế, đối với các ứng dụng mà mục tiêu quan trọng nhất là khả năng nâng tải lớn,
thực hiện động lực học tốt và định vị chính xác thì rất cần một sựthay thế tay máy
nối tiếp truyền thống. Để tìm ra các giải pháp khả thi, các nhà khoa học đã quan sát
thế giới sinh vật và nhận thấy rằng thân hình của các lồi thú có khả năng nâng chở
11


vật nặng có được độ ổn định, vững chắc hơn trên nhiều chân song song với nhau so
với loài người đứng trên hai chân, loài người cũng sử dụng các cánh tay, ngón tay
kết hợp với nhau để nâng vật nặng và thực hiện các cơng việc địi hỏi độ chính xác
như khi viết, lồi người dùng ba ngón tay tác động song song cùng một lúc. Tóm
lại, chúng ta có thể đưa ra kết luận rằng các tay máy có khâu tác động cuối được
gắn với đất bằng nhiều chuỗi động học có các bộ tác động được gắn song song với
nhau sẽ có được độ cứng vững lớn hơn và khả năng định vị tốt hơn. Và dựa vào
nhận xét trên, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu một loại cấu trúc cơ khí
mới, đó là cơ cấu song song. Cơ cấu song song là cơ cấu gồm có bệ cố định và tấm
dịch chuyển được gắn kết với bệ cố định thông qua các chuỗi truyền động nối tiếp
1.2. CẤU TRÚC ROBOT SONG SONG
1.2.1. Cấu trúc cơ cấu

Cũng như các robot thông thường, robot song song là loại robot có cấu trúc
vịng kín trong đó các khâu dạng thanh được nối với nhau bằng các khớp động.
Sơ đồ động cơ cánh tay máy thông thường là chuỗi nối tiếp các khâu động,từ
khâu cuối (là khâu trực tiếp thực hiện thao tác công nghệ) đến giá cố định.Còn trong
robot song song,khâu cuối được nối với giá cố định bởi một số mạch động học,tức
là nối song song với nhau.Sự khác nhau về sơ đồ động đó cũng tạo nên nhiều điểm
khác biệt về động học và động lực học.
1.2.2. Khâu,khớp,chuỗi động và cơ cấu chấp hành của robot song song
- Khâu: là phần có chuyển động tương đối với các phần khác trong cơ cấu.Chúng
ta coi các khâu là vật rắn,điều đó làm cho việc nghiên cứu các kết cấu,robot được dễ
dàng hơn.Tuy nhiên với các cơ cấu tốc độ cao hoặc mang tải lớn thì hiện tượng đàn hồi
của vật liệu trở nên quan trọng đáng kể và chúng ta phải xét đến.
- Khớp:là chuỗi động giữa hai khâu.Tùy theo cấu trúc,mỗi khớp hạn chế một
số chuyển động giữa hai khâu,bề mặt tiếp xúc của mỗi khâu tại khớp gọi là thành
phần khớp.Hai thành phần của khớp tạo thành một khớp động.Khớp động có thể
phân thành khớp thấp và khớp cao tùy thuộc vào dạng tiếp xúc.
• Khớp thấp: nếu hai thành phần tiếp xúc là bề mặt
• Khớp cao: nếu hai thành phần tiếp xúc là điểm hoặc đường

12


Có 6 loại khớp thấp và hai loại khớp cao cơ bản thường được dùng trong các
cơ cấu máy và các robot đó là:
Khớp quay (Revolute Joint-R): khớp để lại chuyển động của khâu này đối với
các khâu khác quanh một trụ quay,nghĩa là khớp quay hạn chế khả năng chuyển
động giữa hai thành phần của khớp và có một bậc tự do.
Khớp lăng trụ (Prismatic Joint-P): cho phép hai khâu trượt trên một trục.Do
đó khớp lăng trụ hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa hai khâu và có
một bậc tự do.Người ta cũng thường gọi khớp lăng trụ là khớp tịnh tiến.

Khớp trụ (Cylindrical Joint-C):cho phép hai chuyển động độc lập,gồm một
chuyển động quay quanh một trục và một chuyển động tịnh tiến theo trục đó.Do đó
khớp trụ hạn chế 4 khả năng chuyển động giữa hai khâu và có hai bậc tự do.
Khớp ren (Helical Joint-C): cho phép chuyển động quay quanh trục đồng thời
tịnh tiến theo trục quay. Tuy nhiên chuyển động tịnh tiến phụ thuộc vào chuyển
động quay bởi bước của ren vít.Do đó khớp ren hạn chế 5 chuyển động tương đối
giữa hai khâu và còn lại một bậc tự do.
Khớp cầu (Spherical Joint-S): cho phép chuyển động quay giữa hai thành
phần khớp tâm cầu theo tất cả các hướng,nhưng khơng có chuyển động tịnh tiến
giữa hai thành phần khớp này.Do đó khớp cầu hạn chế 3 khả năng chuyển động và
có 3 bậc tự do.
Khớp phẳng (Plane Joint-E): có hai khả năng chuyển động tịnh tiến thep hai
trục trong mặt tiếp xúc và khả năng quay quanh trục vng góc với mặt tiếp xúc.Do
đó khớp phẳng hạn chế 3 khả năng chuyển động và có 3 bậc tự do.
Khớp bánh rang phẳng (Gear Pair-G): cho hai bánh rang ăn khớp với
nhau.Các mặt tiếp xúc đẩy nhau,chúng thường trượt lên nhau.Do đó khớp bánh
rănghạn chế 4 chuyển động tương đối giữa hai thành phần khớp và còn lại hai bậc
tự do.
Khớp cam phẳng (Cam Pair-Cp): tương tự như khớp bánh răng,hai thành
phần khớp ln tiếp xúc với nhau.Do đó khớp cam phẳng có hai bậc tự do.
Khớp quay,khớp lăng trụ,khớp trụ,khớp ren,khớp cầu,khớp phẳng là các khớp
thấp,khớp bánh răng phẳng và các khớp cam phẳng là các khớp cao.

13


1.3. PHÂN LOẠI ROBOT SONG SONG
1.3.1. Robot song song đối xứng
Một loại robot song song được gọi là đối xứng nếu nó thỏa mãn các điều kiện sau:
+ Số chân bằng số bậc tự do của bàn máy di động.

+ Số khớp và loại khớp trong tất cả các chân được sắp xếp giống nhau.
+ Số lượng và vị trí các khớp động trong tất cả các chân đều như nhau.
Khi các điều kiện trên khơng thỏa mãn thì robot được gọi là không đối
xứng.Trong cơ cấu chấp hành đối xứng,số chân m bằng số bậc tự do f,đồng thời
cũng bằng tổng số vòng,1+1 (kể cả các vòng ngoại vi),nghĩa là:
m=f=1+1

(1.1)

Độ liên kết,Ck,của một chân là các bậc tự do có quan hệ với tất cả các khớp
trong chân đó:
m

 Ck =
k =1

j

C
i =1

i

(1.2)

Với j là số khớp trong cơ cấu.
Từ (1.6) và (1.7) suy ra:
m

C

k =1

k

= ( + 1).f − 

(1.3)

Với  là số bậc tự do trong không gian mà cơ cấu hoạt động.
Mỗi chân đều có độ lien kết thỏa mãn:

  Ck  f

(1.4)

1.3.2. Các Robot song song phẳng
Với các robot song song phẳng ta có:  = 3,m = f = 3, thay vào phương trình
(1.3) ta được:
C1 + C2 + C3 = 4.f – 3 = 9
Đồng thời từ (1.4) ta có:

3  Ck  3
Do đó mỗi chân có 3 bậc tự do trong cách tạo nên chúng.Tóm lại,mỗi chân
gồm 3 khâu và 2 khớp,mỗi khớp cần có một bậc tự do,sử dụng khớp quay và khớp
trượt làm cặp đôi khớp,ta nhận thấy 7 loại chân có thể chấp nhận được đó
14


là:RRR,RRP,RPR,PRR,RPP,PPR và PPP.Do đó ta giới hạn cấu trúc chân của robot
thì chỉ có 7 loại thuộc lớp robot song song phẳng tự do có thể thực hiện được.


Hình 1.1. Robot song song phẳng 3 bậc tự do với cấu trúc chân RRR

Hình 1.2.Cấu trúc chấp hành song song 3PRP

1.3.3. Các Robot song song cầu
Các cơ cấu cầu có 3 bậc tự do.Do đó yêu cầu liên kết trong cơ cấu chấp hành
song song cầu giống như các cơ cấu chấp hành song song phẳng.Trong cơ cấu chấp
hành liên kết cầu loại khớp được phép là khớp quay,tất cả các trục khớp phải giao
nhau tại một điểm chung là đó là tâm hình cầu.Cấu trúc chân duy nhất được phép là
cấu trúc RRR. Cơ cấu chấp hành mô tả trên hình 1.3 là cơ cấu chấp hành song song
cầu 3RRR, 3 bậc tự do.

15


Hình 1.3. Cấu trúc chấp hành kiểu cầu 3RRR
1.3.4. Các Robot song song không gian
Đối với robot song song trong không gian,thay  = 6 vào các hệ thức (1.3) và
(1.4) ta được:
m

C
k =1

= 7.f − 6

k

(1.5)


6  Ck  f

(1.6)

Giải đồng thời (1.5) và (1.6) với các số nguyên dương Ck,k=1,2,3…có thể
phân loại Robot song song khơng gian ứng với số bậc tự do và độ liên kết được nêu
trong bảng.
Bảng 1.1. Phân loại robot song song ứng với số bậc và độ liên kết
Bậc tự do F

Số vòng

Tổng các bậc tự do khớp

Độ liên kết Ck

L

f

K=1,2,3,…

i

4,4
2

1


8

5,3
6,2
5,5,5

3

2

15

6,5,4
6,6,3

4

3

22

6

5

36
16

6,6,5,5
6,6,6,4

6,6,6,6,6,6


1.4. CÁC NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC LIÊN
QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI
1.4.1. Các nghiên cứu trên thế giới
Vào năm 1948,nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi
điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hang General Mills chế tạo tay máy gần
tương tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cử hành
trình. Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đơi sử dụng động cơ
servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối.Sử dụng những thành quả đó,
vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc
khảo sát đáy biển
Năm 1968 R.S. Mosher,thuộc hang General Electric đã chế tạo một thiết bị
biết đi có 4 chân, có chiều dài hơn 3m, nặng 1.400kg, sử dụng động cơ đốt trong có
cơng suất gắn 100 mã lực (hình 1.4).

Hình 1.4. Robot 4 chân của hang R.S Mosher và hãng General Electric
Cũng trong lĩnh vực này,một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạt
được vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1
được điều khiển từ trái đất.
17


Viện nghiên cứu thuộc trường đại học Stanford vào năm 1969 đã thiết kế robot
Shakey di động tinh vi hơn để thực hiện những thí nghiệm về điều khiển sử dụng hệ
thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tượng.Robot này được lập trình trước để
nhận dạng đối tượng bằng camera,xác định đường đi đến đối tượng và thực hiện
một số thao tác trên đối tượng.
Năm 1952 máy điều khiển chương trình số đầu tiên ra đời tại Học Viện Cơng

Nghệ Massachusetts (Hoa Kì).Trên cơ sở đó năm 1954,George Devol đã thiết kế
robot lập trình với điều khiển chương trình số đầu tiên nhờ một thiết bị do ơng phát
minh được gọi là thiết bị chuyển khớp được lập trình.Joseph Engelberger,người mà
ngày nay thường được gọi là cha đẻ của robot công nghiệp,đã thành lập hãng
Unimation sau khi mua bản quyền thiết bị của Devol và sau đó đã phát triển những
thế hệ robot điều khiển chương trình.Năm 1962,robot Unmation đầu tiên được đưa
vào sử dụng tại hãng General Motors,và năm 1976 cánh tay robot đầu tiên trong
không gian đã được sử dụng trên tàu thám hiểm Viking của cơ quan Không Gian
NASA của Hoa Kỳ để lấy mẫu đất trên sao Hỏa.
1.4.2. Các nghiên cứu trong nước
- Các tác giả Phạm Văn Bạch Ngọc, Vũ Thanh Quang, Đỗ Trần Thắng và
Phạm Anh Tuấn tại Phòng Cơ Điện tử, Viện Cơ học đã lựa chọn mơ hình, mơ
phỏng động lực học và tính tốn thiết kế để chế tạo một robot cơ cấu song song cụ
thể (Hexapod) ứng dụng trong gia cơng cơ khí. Các máy cơng cụ truyền thống sau
khi thêm bộ đồ gá vạn năng có thể gia cơng được những chi tiết có bề mặt phức tạp
mà trước đây khơng thực hiện được.Nhóm tác giả cũng đã chế tạo thành công thiết
bị này và thiết bị hiện đang được trưng bày tại Viện Cơ học.
Ưu điểm nổi bật của loại robot này là bề mặt tấm đế di động của robot có thể
chuyển động tự do linh hoạt, vì vậy việc tạo hình bề mặt được thực hiện dễ dàng
hơn và đạt yêu cầu về độ chính xác cao hơn. Kết cấu động học của robot song song
có độ cứng vững cao và chịu được tải trọng lớn mặc dù kích thước robot nhỏ. Tầm
hoạt động của robot rất rộng, từ việc lắp ráp các chi tiết cực nhỏ tới các chuyển
động thực hiện các chức năng phức tạp địi hỏi độ chínhxác cao như: phay, khoan,
tiện, hàn, lắp ráp... Ngoài ra, robot song song dễ dàng được lắp đặt ở các vị trí và
các hướng khác nhau (trên thuyền và treo trên trần, tường...).
18


Điểm sáng tạo trong nghiên cứu là việc thiết kế, phát triển và tích hợp hồn
chỉnh một hệ điều khiển (phần cứng và phần mềm) cho Hexapod với 2 phần chính

là:phần mềm SACR 1.0 (Simulation and Control of robot), dùng cho thiết kế quỹ
đạo, mô phỏng và điều khiển robot. Đặc biệt, SACR đã được phát triển là hệ mở và
tổng quát để có thể sử dụng cho các loại robot khác nhau.Bộ điều khiển vị trí đa trục
có chức năng điều khiển phối hợp đồng thời sáu bộ truyền động cho 6 cơ cấu chấp
hành của PR6-01.
- Nhóm tác giả Nguyễn Minh Thạnh, Nguyễn Ngọc Lâm, Trần Công Tuấn và
Nguyễn Cơng Mậu đã trình bày cách tiếp cận những cấu hình đặc biệt của tay máy
song song bằng cách xem xét số bậc tự do của khâu ra và số lượng các chuỗi động
học phụ liên kết với nền và khâu ra. Lý thuyết A.P. Kotelnikov cũng đã được dùng
trong nhóm vít duy nhất biểu diễn những nhóm dịch chuyển để loại trừ dịch chuyển
không-điều khiển của khâu ra.
- Phòng Cơ Điện tử (Viện Cơ học) đã đưa ra một giải pháp hoàn chỉnh điều
khiển robot cơ cấu song song, phân tích xử lý song song, xử lý phân tán và ứng
dụng nguyên lý Hardware-in-the-Loop trong mô phỏng điều khiển.
- Các tác giả Trần Công Tuấn, Nguyễn Minh Thạnh sử dụng phương pháp
điều tra không gian tham số để khảo sát vùng làm việc của tay máy song song có
các dẫn động phân bố bên ngồi khơng gian làm việc.
- Các nhà nghiên cứu tại bộ môn Cơ Điện tử, Khoa Cơ khí, Đại học Bách
Khoa Tp.HCM là Từ Diệp Cơng Thành và Đặng Văn Nghìn đã nghiên cứu và chế
tạo bộ điều khiển cho robot song song. Do có cấu trúc khác với cấu trúc nối tiếp,
nên nếu dùng các phương pháp điều khiển thơng thường thì tính đáp ứng của robot
sẽ chậm. Nhóm tác giả đã chế tạo bộ điều khiển robot có 6 khâu động học độc lập
kết hợp với giải thuật điều khiển song song để tăng tính đáp ứng và linh hoạt cho
robot.

19


Máy tính
Khối điều khiển


Khối điều khiển
động học khâu 1

Khối điều khiển

động học khâu 4

trung tâm
Khối điều khiển

Khối điều khiển

động học khâu 2

động học khâu 5
Khối mạch khuếch

Khối điều khiển

đại công suất

Khối điều khiển
động học khâu 6

động học khâu 3

Hình 1.5.Sơ đồ khối của bộ điều khiển song song
- Các tác giả Thái Thị Thu Hà, Hồ Thanh Tâm đã nghiên cứu ứng dụng robot
song song trong máy đo tọa độ CMM.

- Nhóm nghiên cứu Đặng Bảo Lâm, Phạm Minh Hải và Phan Văn Đồng đã
nghiên cứu thuật tốn tìm miền làm việc của họ robot song song phẳng 3 bậc tự do.
- Nhóm tác giả Nguyễn Thiện Phúc, Trần Minh Nghĩa và Nguyễn Đình Nin đã
nghiên cứu tạo dựng robot song song loại hexa.

20


CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH, TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC
ROBOT DELTA

2.1. GIỚI THIỆU VỀ ROBOT DELTA
2.1.1.Khái niệm
Robot Delta có cơ cấu động học song song ba bậc tự do.
Cũng như các Robot song song khác, Robot Delta có cấu trúc vịng kín. Trong
đó có ba nhánh, với mỗi nhánh, một đầu được nối vào giá cố định bằng khớp tịnh
tiến hoặc khớp quay còn đầu kia được nối vào một giá di động thơng qua cơ cấu
hình bình hành. Với cấu trúc hình học như vậy nên giá đi động ln định hướng và
chỉ có thể chuyển động tịnh tiến theo 3 trục XYZ.
Một số Delta Robot thực tế:
+ IRB 360 -3/1130 Flexpicker

Hình 2.1. IRB 360 Flexpicker của ABB
Thơng số kỹ thuật:
- Trọng lượng: 120kg
- Khả năng tải trọng tối đa: 8kg
- Số trục: 3 hoặc 4
21



- Thời gian 1 chu kì hoạt động (1kg): 0.4s
- Điện áp hoạt động: 200 – 600VAC, 60Hz
- Công suất hoạt động: 0.477 kW
- Môi trường hoạt động: ±00C – 450C
- Tiếng ổn: <70dB
+ TOSY TI P304-01.

Hình 2.2: Robot Delta TOSY TI P304-01

Thông số kỹ thuật:
- Trọng lượng: 45kg
- Khả năng tải trọng tối đa : 0.8kg
- Số trục: 3
- Thời gian 1 chu kỳ hoạt động (0.5kg): 0.39s
- Điện áp hoạt động: 200 -250 VAC, 50Hz
- Công suất hoạt động: 0.3kW - Môi trường hoạt động: ±00C – 450C
- Tiếng ổn: <50dB
+ Adept Quattro s650H

22


Hình 2.3: Robot Delta Adept Quattro s650H
Thơng số kỹ thuật:
- Trọng lượng: 117 kg
- Khả năng tải trọng tối đa : 6kg
- Số trục: 4
- Thời gian 1 chu kỳ hoạt động (1 kg): 0.47s
- Điện áp hoạt động: 24VDC: 6A hoặc 200 -240 VAC: 10A, 1 pha

- Công suất hoạt động: 0.442 kW
- Môi trường hoạt động: ±1 0C – 400C
- Tiếng ổn: <70dB
2.1.2. Phân loại robot delta
Delta Robot có thể chia làm 4 dạng: 3-PRPaR, 3-RRPaR, 3- P2S2S và 3R2S2S.
a)Kiểu 3-PRPaR
Kiểu này có ba nhánh và mỗi nhánh gồm có một khớp dẫn động tịnh tiến (P),
hai khớp bản lề (R) và một khớp hình bình hành.

23


Hình 2.4. Robot Delta kiểu 3-PRPaR
Bảng 2.1: Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-PRPaR
Không gian hoạt động của cơ cấu

λ=6

Số khâu (kể cả khâu cố định) của cơ cấu

n = 17

Số khớp trong cơ cấu

j = 21

Số bậc tự do tương đối của các khớp fi = 3(7) = 21
trong cơ cấu
Số bậc tự do thừa


ft = 0

Số ràng buộc trùng trong cơ cấu

Rtr = 6

Số ràng buộc thừa trong cơ cấu

Rth = 6

Số bậc tự do của cơ cấu

F = λ(n − j − 1) + fi − ft + Rtr + Rth = 3

b) Kiểu 3-RRPaR
Kiểu này có ba nhánh và mỗi nhánh gồm có một khớp dẫn động quay (R), hai
khớp bản lề (R) và một khớp hình bình hành.

24


Hình 2.5. Robot Delta kiểu 3-RRPaR
Bảng 2.2.Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-RRPaR
Không gian hoạt động của cơ cấu

λ=6

Số khâu (kể cả khâu cố định) của cơ cấu

n = 17


Số khớp trong cơ cấu

j = 21

Số bậc tự do tương đối của các khớp fi = 3(7) = 21
trong cơ cấu
Số bậc tự do thừa

ft = 0

Số ràng buộc trùng trong cơ cấu

Rtr = 6

Số ràng buộc thừa trong cơ cấu

Rth = 6

Số bậc tự do của cơ cấu

F = λ(n − j − 1) + fi − ft + Rtr + Rth = 3

c)Kiểu 3-P2S2S
Kiểu này có ba nhánh và mỗi nhánh gồm có một khớp dẫn động tịnh tiến (P),
bốn khớp cầu (S) nối hai thanh theo dạng hình bình hành.

25