TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Độc lập-Tự do-Hạnh phúc


 !"#$%
&"#'"()*
&"#'+,
&"#'+"#
)  CĐTK4
"#&/  Cơ điện tử
$0122006-2010
34/
56789$9:;<;=;=;<>?!;
6!@:;$AB
=CDE"2FG-2
- Các thông số, kích thước robot cần chế tạo
HI"&F//
1. Phần thuyết minh
- Thiết kế cơ khí (bao gồm các bản vẽ chi tiết của robot và mô hình 3D)
- Tính toán thông số của Robot, động học, động lực học , mô phỏng hoạt
động và làm việc của Robot.
2. Sản phẩm của đề tài
- 04 cuốn thuyết minh
- 01 đĩa CD với toàn bộ nội dung đề tài
&GJG-&IK
Thứ nhất: Phạm Tuấn Tài Ngày giao đề tài: 09 /2010
Thứ hai : Trần Xuân Tiến Ngày hoàn thành: 11 /2010
4/3L3GM2H3N&$F12//FOFPF1Q&R"1S
Hưng Yên, ngày tháng 11 năm 2010.

2
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hưng Yên , ngày tháng 11 năm 2010
%F.[\E
)]Z^_
3
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trong quá trình thực hiện đề tài đồ án tốt nghiệp “5678
9  $9  :;<;  =;  =;    <>  ?  !;  6  !@
:;$AB” chúng em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ quý báu.
Trước hết, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Phạm Tuấn

kết hợp hoàn hảo. Để đáp ứng những yêu cầu đặt hiện nay của xã hội và sự cần
thiết của sản phẩm chúng em đã thực hiện nghiên cứu đề tài: “&2c"8d
PdF\FF&F&1\e2*IFc&If&F&Pg22,”.
Đây là đề tài có tính ứng dụng thực tế cao. Có thể áp dụng trong sản xuất
và đề tài này giúp sinh viên vận dụng được những kiến thức đã học vào trong
thực tế. Việc nghiên cứu đề tài đồng thời thúc đẩy sự hứng thú học tập, khả năng
tuy duy sáng tạo kỹ thuật cho sinh viên sau. Đề tài thực sự hữu ích cho phát triển
của ngành trong tương lai. Sau khi nhận đề tài chúng em đã nỗ lực tìm hiểu và
thực hiện. Song do thời gian có hạn đề tài không tránh khỏi những thiếu sót nhất
định rất mong các Thầy (Cô) giáo và các bạn góp ý thêm để đề tài hoàn thiện
hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn !
HưngYên, ngày tháng 11 năm 2010
0`*2E
 !"#$%
 &"#'"()*
&"#'+,
&"#'+"#
M•C L•C
Lời cảm ơn
Lời nói đầu
Mục Lục Trang
T  `h3 "
<T  HI"&
5
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chương I : Tổng quan về Robot có cấu trúc song song
1.1. Giới thiệu chung 10
1.2. Một số ưu nhược điểm của robot song song 10

thực tế khoảng 1 năm nữa. Thực tế đến nay, nhiều cơ sở nghiên cứu như ĐH
Bách khoa Hà Nội , ĐH Bách khoa TP HCM, Viện cơ học, Viện công nghệ
thông tin đã chế tạo được một số Robot mẫu .
Trước những ứng dụng và nghiên cứu của Robot song song. Chúng em là
sinh viên bộ môn cơ điện tử trường ĐH sư phạm kỹ thuật Hưng Yên đã lựa
chọn việc “56789$9:;<;=;=;<>
?!;6!@:;$AB” Chúng em đã thực hiện việc
tính toán, thiết kế và chế tạo .
Mong rằng đề tài này của chúng tôi sẽ giúp cho những người chế tạo ra
Robot song song hai bậc tự do giải quyết việc thiết kế và tính toán rút ngắn
được thời gian đem nó vào ứng dụng trong thực tế .
lT^f23m2&2c"
* Kiểm tra đánh giá tình trạng khi thiết kế robot song song hai bậc tự do.
* Có những phương án thiết kế ứng dụng của robot song song hai bậc tự
do.
nTCGM&/P%2o&2c"
* CGM&&2c": Tính toán , thiết kế và chế tạo mô hình Robot
song.
song hai bậc tự do.
* CGM&pIf&: Dùng cho tất cả những học sinh, sinh viên học
ngành kỹ thuật nói riêng và cho nhưng ai quan tâm muốn tim hiểu nói chung.
* $%2o&2c"Robot song song ứng dụng trong khắc chữ.
qT[dPF12
* Robot song song hai bậc tự do vẫn chưa sử dụng nhiều trong đời sống
và trong công nghiệp.
* Những tài liệu về robot song song hai bậc tự do vẫn chưa có nhiều và
trọn vẹn.
rTE`f&2c"
* Phân tích đặc điểm, nguyên lý hoạt động robot song song hai bậc tự do.
* Nghiên cứu, thiết kế, tính toán robot hai bậc tự do.

Robot cũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú. Trong những thập
niên gần đây, Robot cấu trúc song song được Gough và Whitehall nghiên cứu
năm 1962 và sự chú ý ứng dụng của Robot cấu trúc song song đã được khởi
động bởi Stewart vào năm 1965. Ông là người cho ra đời một buồng (phòng) tập
lái máy bay dựa trên cơ cấu song song. Hiện nay cơ cấu song song được sử dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động được nối với giá cố
định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân. Thường số
chân bằng số bậc tự do, được điều khiển bởi nguồn phát động đặt trên giá cố
định hoặc ngay trên chân. Chính lý do này mà các Robot song song đôi khi gọi
là các Robot có bệ. Các cơ cấu tác động điều khiển tải ngoài, nên cơ cấu chấp
hành song song thường có khả năng chịu tải lớn.
Do tính ưu việt của Robot song song nên ngày càng thu hút được nhiều nhà
khoa học nghiên cứu, đồng thời cũng được ứng dụng ngày càng rộng rãi vào
nhiều lĩnh vực:
- Ngành Vật lý: Giá đỡ kính hiển vi, giá đỡ thiết bị đo chính xác.
- Ngành Cơ khí: Máy gia công cơ khí chính xác, máy công cụ.
- Ngành Bưu chính viŒn thông : Giá đỡ Ăngten, vệ tinh địa tĩnh.
- Ngành chế tạo ôtô: Hệ thống thử tải lốp ôtô, buồng tập lái ôtô.
- Ngành quân sự: Robot song song được dùng làm bệ đỡ ổn định được đặt
trên tàu thủy, các công trình thủy, trên xe, trên máy bay, trên chiến xa và tàu
ngầm. Để giữ cân bằng cho ăngten, camera theo dõi mục tiêu, cho rada, cho các
thiết bị đo laser, bệ ổn định cho pháo và tên lửa, buồng tập lái máy bay, xe tăng,
tàu chiến.
jTlT ^HCG"GM23o`2{1:F\FF&F&
Nhìn chung, tất cả các lọai Robot có cấu trúc song song đều có nhiều ưu
điểm và có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, các bộ mô hình máy bay,
các khung đỡ kiến trúc có khớp nối điều chỉnh, các máy khai thác mỏ
Ưu điểm :
- Khả năng chịu tải cao: các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên khối lượng

- Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian làm việc.
jTnT |"}2:F\FF&F&
jTnTjT|"}22u2|"
Cũng như các Robot thông thường, Robot song song là loại Robot có cấu trúc
vòng kín trong đó các khâu (dạng thanh) được nối với nhau bằng các khớp động.
Sơ đồ động cơ cấu tay máy thông thường là một chuỗi nối tiếp các khâu
động, từ khâu ra (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 và cũng hoạt động song song với nhau.
Sự khác nhau về sơ đồ động đó cũng tạo nên nhiều đặc điểm khác biệt về động
học và động lực học.
jTnTlT$("8P 82"~3H&/`%#F&2u2|":F\FF&F&
10
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Khâu : Là phần có chuyển động tương đối với phần khác trong cơ cấu.
Chúng ta coi tất cả các khâu là các vật rắn. Điều đó làm cho việc nghiên
cứu các cơ cấu, Robot được dŒ dàng và đơn giản 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 chỗ nối 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 một thành phần khớp. Hai thành phần
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 mặt.
- Khớp cao: Nếu hai thành phần tiếp xúc là điểm hoặc đường.
Có 6 loại khớp thấp và hai loại khớp cao cơ bản thường dùng trong các cơ
cấu máy và các Robot, đó là:
- Khớp quay (Revolute Joint - R) : Khớp để lại chuyển động quay của

thành phần khớp luôn 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 và khớp phẳng là các
khớp thấp. Khớp bánh răng phẳng và khớp cam phẳng là các khớp cao.
Chuỗi động: Là tập hợp các khâu được nối với nhau bằng các khớp động. Robot
nối tiếp có cấu trúc chuỗi hở, còn Robot song song có cấu trúc là chuỗi kín.
Chuỗi động học được gọi là cơ cấu khi một trong các khâu là giá cố định. Trong
cơ cấu có thể có một hoặc nhiều khâu được ấn định là khâu dẫn với các thông số
cho trước. Sự chuyển động của các khâu dẫn là độc lập, sự chuyển động của các
khâu khác sẽ phụ thuộc vào chuyển động của khâu dẫn. Cơ cấu là một thiết bị
truyền chuyển động từ một hay nhiều khâu dẫn tới các khâu khác.
Máy móc: Gồm một hoặc nhiều cơ cấu, cùng với các thành phần điện, thủy lực
và/hoặc khí nén, được dùng để biến đổi năng lượng bên ngoài thành cơ năng
hoặc dạng năng lượng khác. Cơ cấu chấp hành của hệ thống robot là cơ cấu. Để
cơ cấu này trở thành máy cần phải có bộ điều khiển dựa trên bộ vi xử lý, bộ mã
hóa và/hoặc các cảm biến lực, cùng với các bộ phận khác, chẳng hạn hệ thống
quan sát, phối hợp với nhau để chuyển đổi năng lượng bên ngoài thành công hữu
ích. Mặc dù máy có thể gồm một hoặc nhiều cơ cấu, nhưng cơ cấu không phải là
máy, do không thực hiện công, chỉ có chức năng truyền chuyển động.
jTnTnT<e2*IF2{1:F\F2|"}2F&F&
Xét hai vật thể ( hay hai khâu ) A và B để rời nhau trong không gian. Gắn
vào A một hệ tọa độ Đề Các Oxyz (hình I.1) thì B sẽ có 6 khả năng chuyển
động tương đối so với A, hay nói cách khác là giữa A và B có 6 khả năng
chuyển động tương đối, ta gọi là 6 bậc tự do tương đối .
Các khả năng chuyển động độc lập là :
- Các chuyển động dọc theo các trục Ox, Oy, Oz ,kí hiệu là Tx, Ty,Tz.
- Các chuyển động quay quanh các trục Ox, Oy, Oz kí hiệu là R
x
, R
y

Do đó giá trị bậc tự do của cơ cấu được tính theo phương trình:
f = λ(n 1)
(1.1)
(1.1)
số ràng buộc của một khâu và sô bậc tự do của khâu đó , bằng thông số chuyển
động λ do đó .
λ = +
(1.2)
do tổng các ràng buộc của các khâu là :
= j*λ -
(1.3)
Thay phương trình (1.3) vào phương trình (1.1)
f = λ(n – j – 1 ) (1.4)
phương trinh (1.4) được gọi theo tiêu chuẩn Gru bler hoặc Kutzbach.
theo tiêu chuẩn Gru bler hoặc Kutzbach đúng cho các trường hợp các ràng buộc
tại các khớp là đọc lập và không dư.Ví dụ một khớp quay cầu liên kết chuỗi với
khớp quay co trục xuyên qua tâm của khớp cầu sẽ tạo ra một bậc tự do thừa. Kiểu
bậc tự do này gọi là bậc tự do thụ động, cho phép khâu trung gian quay tự do quanh
trục được xác định từ 2 khớp đó. Mặc dầu khâu trung gian có khả năng truyền lực
hoặc mô men và chuyển động cho các khâu khác , nhưng nó không có khả năng
truyền mô men cho trục chủ động. Nói chung, các khâu hai chiêu vói các cặp S –
S, S – E, E – E đều có bậc tự do thụ động bảng sau thống kê sự phối hợp các khâu
loại hai chiều với các khâu S – S, S – E, E– E với các khớp cuối cùng của chúng
có một bậc tự do.
STT Kiểu Bậc tự do thụ động (thừa)
1
S S
Quay quanh trục đi qua các tâm khớp cầu.
2
S E

15
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
sử dụng phương trình (1.5) tính bậc tự do cho cơ cấu không gian có nói tới giá
trị λ . cho tất cả các khâu di chuyển, khi tính bậc tự do cho co cấu phẳng va cơ cấu
được xem như hệ con của hệ không gian nên cần phải chú ý tới thông số này. Đặc
biệt λ = 3 với cơ cấu phẳng và cơ cấu cầu. với cơ cấu không gian thì λ = 6.
Nói chung tiêu chuẩn Gru bler có f > 0 thì cơ cấu có f bậc tự do. Nếu f =
0 cơ cấu không có bậc tự do, lúc này cơ cấu trở thành giàn tĩnh định. Nếu f <0 cơ
cấu sẽ có số ràng buộc thừa. Tuy nhiên, cũng có các cơ cấu không tuân theo tiêu
chuẩn Grubler. Các cơ cấu này đòi hỏi chiều dài khâu đặc biệt để đạt được tính
linh động cao được gọi là cơ cấu thắng ràng buộc.
Đối với cơ cấu vòng kín và cơ cấu chấp hành, số lượng và vị trí các khớp
phát động phải được chọn một cách cẩn thận sao cho khâu tác đọng cuối phải
được điều khiển theo yêu cầu. Nói chung số khớp phát động bằng số bậc tự do
của cơ cấu, vị trí của khớp phát động phải được chọn sao cho chúng có thể tao
thanh một tập hợp các tọa độ độc lập. Nếu số lượng khâu phát đọng nhỏ hơn số
bậc tự do thì chuyển động của khâu này phải theo tọa độ tương ứng các ràng
buộc động học của chúng. Một robot có bậc tư do dư thi điều khiển được linh
hoạt hơn.
jTnTq. %2\/F%2u\[4F\F
Robot là một ngành khoa học về công nghệ truyền thống, kết hợp với lý
thuyết và ứng dụng của các hệ thống robot. việc nghiên cứu bao gồm cả hai vấn
đề là nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng, những vấn đề đó chia ra thành các lĩnh
vực: công tác thiết kế robot, cơ học cơ cấu, thiết kế quỹ đạo và điều khiển, công
tác lập trình và tri thức cho máy cơ học là một nhánh khoa học nghiên cứu các
vấn đề về năng lượng lực và tác dụng của chúng đối với chuyển động của hệ
thông cơ khí. Việc nghiên cứu bao gồm hai vấn đề có quan hệ với nhau là : Động
học và động lực học.
jTnTqTjTH&2

các không gian hẹp. Mặt khác đối với một số ứng dụng đặc biệt, chẳng hạn lắp
giáp các chi tiết trên mặt phẳng, robot bốn bậc tự do là đủ.
17
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Tay máy REVOLUTE Tay máy POLAR
Tay máy CYLINDRICAL Tay máy CARTERSIAL
Tay máy SCARA
18
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Mô hình một số tay máy thông dụng
jTnTrTlT(DFO•F2|"}23H&2
Robot được gọi là robot nối tiếp nếu cấu trúc động học có dạng chuỗi
vòng hở, robot song song nếu có chuỗi vòng kín, và robot lai nếu có cả chuỗi
vòng hở và vòng kín.
* Phân loại theo hệ thống truyền động
Có ba hệ truyền động phổ biến là điện, thuỷ lực, và khí nén được dùng
cho robot. Hầu hết các cơ cấu chấp hành đều sử dụng động cơ bước hoặc động
cơ trợ động DC, do chúng tương đối dŒ điều khiển. Tuy nhiên, khi cần tốc độ
cao và khả năng mang tải cao, thường dùng truyền động thuỷ lực hoặc khí nén.
Nhược điểm của truyền động thuỷ lực là khả năng rò rỉ dầu. Ngoài ra, truyền
động khí nén có tính linh hoạt khá cao. Mặc dù truyền động khí nén sạch và
nhanh nhưng khó điều khiển do không khí là lưu chất nén được .
Trong cơ cấu nối tiếp, nói chung một bộ tác động được dùng để điều
khiển chuyển động của từng khớp. Nếu từng khâu chuyển động được truyền
động bằng một bộ tác động lắp trên khâu trước đó thông qua hộp giảm tốc, sự
dịch chuyển của khâu này về mặt động học là độc lập với khâu khác, đây là cơ
cấu chấp hành nối tiếp qui ước. Mặt khác, nếu mỗi khớp được truyền động trực
tiếp bằng bộ tác động không có hộp giảm tốc, cơ cấu đó được gọi là cơ cấu chấp

lớn hơn 6, cánh tay thường có ba bậc tự do, cổ tay có 1-3 bậc tự do. Hơn nữa, bộ
cổ tay thường được thiết kế với các trục khớp cắt nhau tại một điểm chung được
gọi là tâm cổ tay. Bộ cánh tay có thể có nhiều kiểu cấu trúc động học, tạo ra các
biên làm việc khác nhau, được gọi là vùng không gian làm việc. Không gian do
nhà sản xuất robot cung cấp thường được xác định theo vùng không gian làm
việc. Tay máy được gọi là robot trụ nếu khớp thứ nhất hoặc khớp thứ hai của
robot Decartes được thay bằng khớp quay.
Tay máy được gọi là robot cầu nếu hai khớp đầu là khớp quay khác nhau
và khớp thứ ba là khớp lăng trụ (tay máy SCARA). Vị trí tâm cổ tay của robot
cầu là tập hợp các tọa độ cầu liên quan với ba biến khớp nối. Do đó không gian
làm việc robot cầu được giới hạn theo hai khối cầu đồng tâm.
Tay máy được gọi là robot quay nếu cả ba khớp đều là khớp quay. Không
gian làm việc của robot này rất phức tạp thường có tiết diện hình xuyến. Nhiều
robot công nghiệp là loại robot quay(tay máy REVOLUTE).
:F\F=F&=F&!•D1
Vào đầu thập niên 80, Reymond Clavel (giáo sư của EPFL) đã nảy ra một
ý tưởng độc đáo là sử dụng các hình bình hành để tạo ra một robot song song có
ba bậc tự do tịnh tiến và một bậc tự do quay. Không như một số bài báo đã xuất
bản đâu đó, ý tưởng này hoàn toàn là của Reymond Clavel chứ không phải bắt
chước từ cơ cấu song song đã được Willard L. Polard đăng ký bản quyền vào
năm 1942, và vào thời điểm đó Willard L. Polard cũng không hề biết đến giáo
sư Clavel. Robot song song Delta đã được đánh giá là một trong những thiết kế
robot song song thành công nhất với hàng trăm robot đang hoạt động trên toàn
20
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
thế giới. Vào năm 1999, tiến sĩ Clavel đã nhận được giải thưởng Golden Robot
Award do hiệp hội ABB Flexible Automation trao tặng để tôn vinh những hoạt
động sáng tạo của ông về robot song song Delta.
Sơ đồ robot delta.

nhấc và nhà nhanh đối với các vật có khối lượng đến 1 kg. Robot được dẫn
22
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
hướng bởi một thiết bị quan sát của hãng Cognex và được trang bị bộ điều khiển
ABB S4C. Robot cũng có thể được trang bị một bộ điều khiển chuyển động và
hệ thống quan sát của hãng Adept Technology. Vận tốc mà robot này đạt được
khoảng 10 m/s và 3,6 deg/s (khoảng 150 lần nhấc trong một phút), và gia tốc lên
đến 100 m/s
2
và 1,2 rad/s
2
. Robot này có tới 2 phiên bản.
Sau hơn 15 năm giữ vai trò chủ đạo trên thị trường, Demaurex đột nhiên
phải đối diện với quyết định của ABB gia nhập vào thị trường robot loại này.
Demaurex đã thay đổi dòng sản phẩm từ các robot Delta rời rạc chuyển sang sản
xuất các cụm robot hoàn chỉnh. Gần đây, 3 robot Delta khác cũng đã được SIG
Pack Systems giới thiệu là C23, C33 (do Demaurex sản xuất) và CE33 (do SIG
Pack Systems sản xuất).
C33 và CE33
jTqT•Gh&dPd
Từ đề tài đưa ra kết hợp với thực tiŒn tìm hiểu tài liệu về Robot song song .
Yêu cầu của đề tài là thiết kế ra Robot khắc chữ song song 2D. Khắc được chữ
chúng phải thay đổi được tọa độ của dao gia công trong một mặt phẳng. Chúng ta
chọn cơ cấu khớp bản lề .
W_‚;ƒ8)?ƒ^„…
^x)†^<‡^)<
23
TRƯỜNG ĐHSP KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Ta có : = ; = ; = ; =
Với:
= = + R *
Ta có:
P = ;
= + =
=
25

Trích đoạn Thiết kế robot

---