NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ - CHẾ TẠO ROBOT BKĐN-01
A RESEACH ON DESIGNING AND MANUFACTURING OF BKĐN-01
ROBOTS PHẠM ĐĂNG PHƯỚC
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
NGUYỄN NGHIỆM
Công ty Cao su Đà Nẵng TÓM TẮT
Thiết kế, chế tạo robot là lĩnh vực kỹ thuật còn khá mới mẻ ở nước ta. Bài báo giới thiệu kết
quả nghiên cứu thiết kế - chế tạo robot BKĐN-01 tại Khoa Cơ khí trường Đại học Bách khoa
thuộc Đại học Đà Nẵng. Đây là robot có bốn bậc tự do, kiểu robot SCARA, sử dụng card LAB-
PC+, dẫn động bằng các động cơ bước.
ABSTRACT
Designing and manufacturing of robots are a new technical field in our country. This article
presents the results of a research on designing and manufacturing of robot BKĐN-01 at the
faculty of Mechanical Engineering of the Polytechnic Institute of Danang University. This robot
has four degrees of freedom, is of SCARA robot type, uses the LAB-PC+ card, and is
actuated by stepper motors. 1. GIỚI THIỆU
Ra đời cách đây nửa thế kỷ, robot công nghiệp đã có những phát triển vượt bậc. Nhiều
nước trên thế giới sớm áp dụng mạnh mẽ kỹ thuật robot vào sản xuất và nó đã đem lại những
hiệu quả to lớn về kinh tế và kỹ thuật, nâng cao năng suất lao động, tăng chất lượng và khả
năng cạnh tranh của sản phẩm, cải thiện điều kiện làm việc của công nhân
Đối với nước ta, kỹ thuật robot vẫn còn là vấn đề khá mới mẻ, nhất là việc nghiên cứu
thiết kế, chế tạo robot. Nội dung nghiên cứu nhằm chế tạo một robot bốn bậc tự do, kiểu robot

2
z
2
O
3
x
3
y
3
z
3
O
4
x
4
y
4
z
4
a
2
a
1
d
3
d
4
θ
1
θ

1
*
0 a
1
0
2
θ
2
*

0 a
2
0
3 0 0 0 d
3
*
4
θ
4
*
0 0 d
4

Mục đích chính của việc chế tạo robot này là dùng cho nghiên cứu và giảng dạy. Tải
trong vật nâng chọn tối đa 0,5KG. Trên cơ sở đó chúng tôi chọn các kích thước cơ bản của
robot như sau:

+ Bán kính công tác của tay máy:
R
max

2
≤ +120
0
- Khâu 3: 0 ≤ d
3
≤ 150 mm

- Khâu 4: -90
0
≤ θ
1
≤ +90
0

Hình 2: Các kích thước cơ bản 3. PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC ROBOT
+ Để mô tả mối quan hệ về hướng và vị trí của hệ tọa độ gắn trên hai khâu liền kề
nhau (Khâu thứ i và khâu i-1) ta dùng các ma trận A
i
; được biểu diễn bởi các phép biến đổi:
A
i
= Rot(z, θ
0
). Trans(a,0,0). Trans(0,0,d). Rot(x, α)
Hay
A
i

S
1
= sinθ
1
; C
12
= cos(θ
1
+θ
2
); S
12
= sin(θ
1
+θ
2
);
Ta có:
A
1
= ; A
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢

0
0
2222
2222
SaCS
CaSC
d
3
θ
4
22
0

15
75
8
0
10
0

A
3
= ; A
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢

4
44
44
d
CS
SC

Tích các ma trận A được gọi là ma trận T:

3
T
4
= A
4;
2
T
4
= A
3
. A
4
;
1
T
4
= A
2
.A
3
.A

x
z
y
x
z
y
x
z
y
x
p
p
p
a
a
a
o
o
o
n
n
n
Ma trận T
4
mô tả hướng và vị trí của hệ toạ độ gắn trên khâu chấp hành cuối đối với
hệ tọa độ gốc. Trong đ ó:
a ,o ,
ρ
ρ
ρ

= S
124
n
z
= 0
o
x
= - C
1
S
24
- S
1
C
24
= - S
124
o
y
= - S
1
S
24
+ C
1
C
24
= C
124
o

1.
p
z
= d
3
+ d
4
.

4. PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC NGƯỢC ROBOT BKĐN-01
Trong thực tế, thường ta biết trước vị trí và hướng mà khâu chấp hành cuối của robot
cần đạt đến. Điều ta cần biết là giá trị của các biến khớp (góc quay và độ dài tịnh tiến của các
khâu) tại mỗi thời điểm đó. Giải hệ phương trình (1), khi biết trước hướng và vị trí của hệ tọa
độ gắn trên khâu chấp hành cuối, ta sẽ xác định được tệp nghiệm (θ
1
, θ
2
, d
3
, θ
4
) là giá trị củ
các biến khớp. Các phương trình xác định giá trị các biến khớp thông qua các véctơ
a
p ,a ,o ,
ρ
ρ
ρ
ρ
n

1
o
y
, C
1
n
x
+ S
1
n
y
).
d
3
= p
z
- d
4
.
θ
4
= arctg2[S
2
(C
1
o
x
+ S
1
o

y
)].
(2
)
Hệ phương trình động học ngược (2) được dùng trong lập trình điều khiển robot khi
biết trước hướng và vị trí mà khâu chấp hành cuối hoặc công cụ gắn trên robot cần đạt đến.

5. CARD ĐIỀU KHIỂN LAB-PC VÀ ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN ROBOT
BKĐN-01
Lab-PC+ là một card vào/ra (I/O) đa chức năng kiểu tương tự/số. Lab-PC đặc biệt
thích hợp khi sử dụng trong các phòng thí nghiệm công nghiệp hoặc môi trường đào tạo. Lab-
PC có các cổng vào ra kiểu Analog, Digital và counter/timer. Các kênh Analog Input hữu ích
trong việc phân tích tín hiệu và dữ liệu. Bộ chuyển đổi tương tự số 12 bit hữu ích trong các
ứng dụng có độ phân giải cao như đo nhiệt độ, đo điện áp DC, đo sắc phổ. Các cổng Analog
Output có thể được dùng để điều khiển các quá trình và thiết bị. Các cổng Digital I/O có thể
dùng để điều khiển các thiết bị bên ngoài như các transitor và các rơle, dùng để đọc trạng thái
của các quá trình và tạo ra các ngắt (interupts). Bộ đếm/thời gian có thể dùng để đồng bộ hóa
các sự kiện, tạo ra các xung, đo tần số và thời gian.
Lab-PC được dùng cùng với máy tính, là một công cụ đa năng, ứng dụng hiệu quả
trong các phòng thí nghiệm để kiểm tra, đo đạt và điều khiển.
Để sử dụng Lab-PC cần cài đặt chương trình phần mềm do nhà sản xuất lập sẵn. Ta có
thể chọn các phần mềm khác nhau như LabVIEW, LabWindows/CVI, NI-DAQ

Một số thông số cơ bản của Lab-PC+:
ANALOG INPUT:
Số kênh input 8
Điện áp vào Analog ± 5V hoặc 0 đến 10V
Hệ số khuếch đại tín hiệu vào 1, 2, 5, 10, 50, 100 (Chọn từ phần mềm)
ANALOG OUTPUT:
Số kênh Output 2

Động cơ 1: Dùng bit 0,1,2,3 của cổng A.
Động cơ 2: Dùng bit 0,1,2,3 của cổng B.
Động cơ 3: Dùng bit 4,5,6,7 của cổng A.
Động cơ 4: Dùng bit 0,1,2,3 của cổng C.

Nguồn điện 24V DC được cấp cho các động cơ bước 1, 2, 3 và 12V DC cấp cho động
cơ 4. Góc quay của mỗi trục khớp phụ thuộc số xung được cấp cho động cơ và tỉ số truyền
của bộ truyền cơ khí, thông qua chương trình điều khiển viết bằng ngôn ngữ lập trình C++.
Trong chương trình máy tính, để kích họat các bit của các cổng ra Digital ta sẽ dùng
các số hệ 16. Các động cơ được điều khiển theo chế độ nửa bước để tăng độ chính xác.
Với các động cơ bước 1,2,3 đã sử dụng, mỗi động cơ có 4 cuộn dây. Thứ tự kích hoạt
các bít nối với các cuộn dây (sử dụng 4 bit đầu, theo chế độ nữa bước) như sau:

Hệ nhị phân Hệ HEX
7 6 5 4 3 2 1 0
← Bít

0 0 0 0 0 0 0 1 01
0 0 0 0 0 0 1 1 03
0 0 0 0 0 0 1 0 02
0 0 0 0 0 1 1 0 06
0 0 0 0 0 1 0 0 04
0 0 0 0 1 1 0 0 0C
0 0 0 0 1 0 0 0 08
0 0 0 0 1 0 0 1 09

Riêng đối với động cơ bước số 3, điều khiển khâu tịnh tiến, ta dùng các bit 4,5,6,7 của
cổng A (Digital output), thứ tự kích hoạt như sau:

Hệ nhị phân Hệ HEX
TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Phạm Đăng Phước, Giáo trình Robot Công nghiệp, ĐH Bách khoa Đà Nẵng, 2001.
[2] Nguyễn Thiện Phúc, Robot công nghiệp, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004.
[3] Lab-PC+ User Manual, National Instruments Corporation, USA, 1996.
[4] IEEE-488 and VXIbus control, Data Acquisition, and Analysis, NIC, USA, 1996.