LỜI CẢM ƠN.
Đầu tiên, em xin cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong trường Đại học
Giao Thông Vận Tải nói chung và các thầy cô giáo trong ngành Cơ điện tử nói riêng
đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em nhưng kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong
thời gian qua.
Đặc biệt, em xin gửi lời chân thành cảm ơn tới thầy giáo TS.Phạm Hoàng
Vương đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo và trực tiếp hướng dẫn em trong thời gian qua để
em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đã luôn tạo
điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành
đồ án tốt nghiệp.
Mặc dù đã rất cố gắng nhưng chắc chắn luận văn này của em không tránh khỏi
những sai sót. Kính mong nhận được sự chỉ bảo của thầy cô và sự góp ý của các
bạn.
Hà nội, 5 tháng 5 năm 2014.
Sinh viên thực hiện.
Nguyễn Đình Thiện.
1
TÓM TẮT
Được sự hướng dẫn của TS. Phạm Hoàng Vương em đã tiến hành nghiên cứu và
trình bày luận văn trong năm chương:
Chương I. “Nghiên cứu tổng quan về Robot”. Trong chương này em trình bày tóm
tắt cơ sở, lịch sử phát triển của robot, các khái niệm, định nghĩa vai trò của robot và
các ứng dụng của Robot trong sản xuất công nghiệp nay. Đây là các kiến thức cơ sở
cần thiết trước khi nghiên cứu về động học robot.
Chương II. “Nghiên cứu phương pháp xây dựng mô hình Robot trên Catia”. Nội
dung chủ yếu của chương này là xây dựng mô hình Robot 4 bậc tự do RRRT dựa trên
phần mềm Catia.
Chương III. “Xây dựng động học thuận và động học ngược cho robot 4 bậc tự do
trên Matlab Simulink”. Nội dung của chương này là tập trung phân tích mô hình và
tính toán động học thuận và động học ngược Robot 4 bậc tự do.

7
i
q
Biến khớp thứ i
8
i
q
&
Vận tốc biến khớp i
9
q
&&
Gia tốc biến khớp thứ i
10
i 1
i
T
−
Ma trận chuyển giữa khâu (i-1) và khâu i
11
i
R
Ma trận quay
12
i
p
Vector tịnh tiến
13
i
l

của một công việc nào đó nhiều lần), nguy hiểm của môi trường lao động như môi
trường nóng bức trong các lò hơi, sự ô nhiễm bụi bặm của các hầm mỏ, hay sự nguy
hiểm ở dưới đáy đại dương, trên không gian vũ trụ… cũng như tăng tính tự động hóa
trong các dây truyền sản xuất.
Ở nhiều nước trên thế giới, Robot được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong nhiều
ngành công nghiệp khác nhau như vận chuyển, bốc dỡ vật liệu, gia công, lắp ráp thăm
dò Tuy nhiên, để chế tạo và đưa vào sử dụng một Robot hoàn chỉnh phải qua rất
nhiều công đoạn quan trọng, từ thiết kế tính toán các thông số tới chế tạo: tìm hiểu các
loại Robot, lựa chọn loại, kết cấu Robot tối ưu nhất, tính toán động học, động lực học,
mô phỏng trên máy tính Trong đó công việc mô phỏng Robot đóng vai trò quan
trọng bởi vì sau quá trình thiết kế chúng ta rất cần một cách nào đó xem hệ thống có
hoạt động đúng như mong đợi không, tránh việc đi vào sản xuất luôn mà chẳng may
gặp lỗi thiết kế, tính toán nào đó gây lãng phí cả về vật chất lẫn thời gian.
Nhằm đáp ứng phần nào những công việc để có thể thiết kế ra một Robot thực hoàn
chỉnh có thể ứng dụng vào thực tế em đã tập trung nghiên cứu vào đề tài:
“Ứng dụng matlab simulink mô phỏng động học Robot 4 bậc tự do”
2. Đối tượng và nội dung nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là Robot RRRT (gồm 3 khớp quay và một khớp
tịnh tiến) 4 bậc tự do. Đây là loại Robot được ứng dụng nhiều trong sản xuất. Nội
dung nghiên cứu là khảo sát bài toán động học thuận và động học ngược và ứng dụng
thư viện Simulink trong phần mềm Matlab để mô phỏng động học Robot.
5
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT.
Trong chương này em trình bày tóm tắt cơ sở, lịch sử phát triển của robot, các khái
niệm, định nghĩa vai trò của Robot và ứng dụng của Robot trong sản xuất công nghiệp
nay.
1.1 Các khái niệm và định nghĩa cơ bản.
Robot: Thuật ngữ “Robot” xuất hiện lần đâu tiền vào khoảng năm 1920 trong vở
kịch khoa học viễn tưởng nhan đề Rossum’s Universat Robots của nhà văn người
Tiệp: Carel Capek. Vở kịch đưa lên sân khấu những nhân vật nhân đạo nhỏ bé luôn

ứng dụng Robot trong các lĩnh vực khác nhau của con người.
1.2. Tay Máy Robot
1.2.1. Kết cấu tay máy Robot
Tay máy là phần cơ sở nó quyết định đến khả năng làm việc của Robot. Nó là
thành phần cơ khí đảm bảo cho Robot khả năng chuyển động trong không gian để thực
hiện các nhiệm của Robot như nâng, vận chuyển, lắp ráp… Tay máy Robot thông
thường là cơ cấu hở gồm một chuỗi các khâu liên kết với nhau bằng các khớp, khâu
đầu tiên được nối với giá cố định. Khớp tạo sự linh hoạt giữa các khâu với nhau nói
riêng và toàn bộ tay máy Robot công nghiệp nói chung. Thông qua khớp nối, các khâu
trong cơ cấu tay máy được chuyển động tương đối với nhau. Tùy theo yêu cầu về kết
cấu của Robot mà ta lựa chọn loại khớp liên kết giữa các khâu liên khác nhau. Trong
Robot công nghiệp hiện nay, người ta thƣờng dùng chủ yếu hai loại khớp là khớp
quay và khớp trượt.
Khớp quay: (thường được kí hiệu là R) loại khớp này cho phép chuyển động
quay của khâu này đối với khâu khác quanh một trục quay. Loại khớp này hạn chế
năm khả năng chuyển động giữa hai thành phần khớp do đó khớp có một bậc tự do.
7
Khớp trượt: (thường được kí hiệu là T) loại khớp này cho phép hai khâu trượt
tương đối với nhau theo phương của một trục nào đó. Khớp hạn chế năm khả năng
chuyển động, do đó có một bậc tự do.

Khớp quay khớp trượt
Hình 1.1 : Các loại khớp thường dùng trong tay máy Robot
Ngoài ra trong một số trường hợp người ta còn dùng khớp cầu để tăng tính linh
hoạt cho Robot. Với loại khớp này cho phép các khâu thực hiện các chuyển động quay
theo tất cả các hướng quanh tâm khớp, và hạn chế các chuyển động tịnh tiến giữa các
khâu. Do đó số bậc tự do của khớp cầu là ba. Trong quá trình thiết kế tay máy Robot,
người ta quan tâm đến thông số ảnh hưởng lớn đến khả năng hoạt động của Robot
như:
 Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay máy

lớn kéo theo hệ quả là: tăng thêm sai số dịch chuyển, tăng chi phí, thời gian sản xuất
và bảo dưỡng Robot. Do đó tùy theo yêu cầu, chức năng mà người ta lựa chọn số bậc
tự do cho tay máy Robot thích hợp.
1.2.3. Vùng làm việc của Robot
Vùng làm việc của Robot là toàn bộ vùng thể tích mà điểm tác động cuối có thể
thao tác được khi Robot có thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Thể tích và hình
dáng của vùng làm việc phụ thuộc vào kết cấu của tay máy và miền giá trị của các biến
khớp. Nghiên cứu vùng làm việc của Robot giúp cho nhà thiết kế biết được các giới
hạn, đường biên của vùng không gian làm việc để bố trí một cách hợp lý vị trí của tay
máy hoặc Robot với các thiết bị phối hợp thao tác khác trong hệ thống.
9
Hình 1. 2: Vùng làm việc của Robot
1.3. Đặc điểm và ứng dụng của Robot trong sản xuất.
1.3.1 Đặc điểm.
- Làm việc không biết mệt mỏi, không có hiện tượng nhầm lẫn trong khi làm
việc.
- Làm việc trong các môi trường nguy hiểm như phóng xạ, môi trường có khí
độc, ….
- Thay đổi các thao tác dễ dàng bằng cách thay đổi chương trình đã lập.
1.3.2 Ứng dụng của Robot trong sản xuất.
Robot được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, dưới góc độ thay thế sức người.Mục đích
sử dụng trong các dây chuyển sản xuất nhằm nâng cao năng suất, chất lượng và hiểu
quả sản xuất từ đó giảm giá thành sản phẩm, nâng cao khả năng cạnh tranh.
- Trong ngành cơ khí, Robot được sử dụng trong nhiều trong công nghệ đúc,
hàn, cắt kim loại, vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm,…
- Robot được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất từ động nhằm tạo ra linh
hoạt và tự động cao nhất cho dây chuyền, các Robot này được điểu khiển bằng
một hệ thông các phương trình được lâp trình sẵn.
- Robot còn được sử dụng trong lĩnh vực y học, quốc phòng, vũ trụ, ….
10

Môi trường làm việc của Part được phân chia như sau:
 Cây để thể hiện các thao tác mà ta đã thực hiện
 Khu vực giành cho việc thiết kế
 Những nút lệnh có sẵn trên màn hình dùng cho việc thiết kế
 Có thể chọn lệnh cho quá trình thiết kế từ các menu
CATIA sẽ cung cấp cho ta 3 mặt phẳng để thiết kế. Thật sự để thiết kế một khối
part hoàn chỉnh thì ta phải bắt đầu từ biên dạng sketch. Tạo biên dạng sketch được
thực hiện ở môi trường sketch. Để mở nó, ta chỉ cần chọn vào biểu tượng và chọn
mặt phẳng cần vẽ biên dạng sketch.
Môi trường sketch cung cấp hầu hết các công cụ cho phép chúng ta có thể thiết kế
những biên dạng 2D mà chúng ta cần.
2.1.3 Các khối lệnh cơ bản trong dựng hình
Một khối Part được thiết kế bằng cách là thêm vật liệu, loại bỏ bớt vật liệu, trong
phần này em sẽ trình bày cách để thiết kế một khối Part:
 Tạo một pad Definition: click vào biểu tượng chọn mặt phẳng cần đùn
theo biên dạng 2D tạo trước và điền những thông số cần thiết trong hộp
thoại.
14
 Tạo một Multi-Pad: Click vào biểu tượng , chọn biên dạng cần được đùn
và định nghĩa chiều dài.
 Tạo một pocket (lấy bớt đi phần vật liệu): Click biểu tượng chọn biên
dạng và nhập những thông số cần thiết trong hộp thoại.
 Tạo một Hole: Click biểu tượng chọn bề mặt cần được tạo lỗ và nhập
vào những thông số cần thiết trong hộp thoại.
 Tạo một Groove (Lấy bớt một phần vật liệu) Click vào biểu tượng chọn
biên dạng cần được quay tròn quanh một trục và nhập vào giá trị của một
góc.
 Tạo một Rib: Click vào biểu tượng chọn biên dạng mà cần chạy theo
một biên dạng dẫn hướng cho trước, chọn biên dạng cho trước và chọn các vị
trí trong hộp thoại.

2.2.1 Chân đế cố định
Hình 2.2: Chân đế cố định
17
2.2.2 Khâu 1
Hình 2.3: Khâu 1
2.2.3 Khâu 2
Hình 2.4: Khâu 2
18
2.2.4 Khâu 3
Hình 2.5: Khâu 3
2.2.5 Khâu 4
Hình 2.6: Khâu 4
19
2.2.6 Mô hình nắp ráp
Hình 2.7: Mô hình lắp ráp
20
CHƯƠNG III: XÂY DỰNG ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ ĐỘNG
HỌC NGƯỢC CHO ROBOT 4 BẬC TỰ DO.
Ở chương II em đã xây dựng được mô hình Robot 4 bậc tự do trên phần mềm Catia.
Trong chương này e tập trung phân tích mô hình và tính toán động học thuận và động
học ngược Robot 4 bậc tự do.
3.1 Động học Robot
Nghiên cứu động học Robot là cơ sở cho việc thiết kế Robot, cũng như giải các bài
toán điều khiển Robot theo các quỹ đạo định trước. Động học Robot nghiên cứu
chuyển động của Robot nhưng không xét đến các lực và momen gây ra chuyển động.
Động học chỉ xét vị trí, vận tốc và gia tốc của một điểm nào đó trên Robot thông
thường là điểm tác động cuối. Do đó động học Robot đề cập đến các tính chất hình học
và thời gian chuyển động. Các biến khớp của cơ cấu chấp hành liên quan đến vị trí và
hướng của điểm tác động cuối theo các ràng buộc của các khớp đó. Các quan hệ động
học này là cơ sở để nghiên cứu động học cơ cấu chấp hành. Động học Robot nghiên

nghiệm. Tại vị trí biên vùng không gian hoạt động của Robot ta xác định được duy
nhất một nghiệm, bài toán vô nghiệm khi luật chuyển động của cơ cấu tác động cuối
không nằm trong vùng hoạt động của Robot.
Ta có thể mô tả nội dung các bài toán động học tay máy thông qua sơ đồ:
22
Hình 3. 1: Sơ đồ khối động học Robot
3.2. Phương pháp nghiên cứu các bài toán động học Robot
Robot công nghiệp thường là cơ cấu hở, gồm một chuỗi các khâu nối với nhau bằng
các khớp động, khâu đầu tiên được nối với giá cố định (chân đế). Các khớp động này
có thể là khớp quay hoặc khớp tịnh tiến. Để Robot có thể thao tác linh hoạt theo mục
tiêu đặt ra thì cấu trúc chuỗi động của nó phải đảm bảo sao cho điểm mút của khâu
cuối đi theo một quỹ đạo cho trước nào đó và bản thân các khâu các khớp có khả năng
thay đổi hướng một cách dễ dàng phù hợp với công việc. Khâu cuối cùng thường là
bàn kẹp hoặc khâu gắn liền với dụng cụ làm việc (mỏ hàn, camera, súng phun sơn, dao
cắt). Do đó khi nghiên cứu Robot ta cần quan tâm không những vị trí của nó mà còn
phải quan tâm hướng của khâu cuối cùng trong hệ tọa độ cơ sở.
Khi nghiên cứu các bài toán động học Robot công nghiệp, người ta có thể dùng
nhiều phương pháp khác nhau: phương pháp vẽ hình, phương pháp giải tích vector, …
Tuy nhiên, một trong những phương pháp phổ biến, đơn giản và hiệu quả nhất hiện
nay là dùng ma trận biến đổi thuần nhất Denavit Hartenberg. Theo phương pháp này
để xác định vị trí và hướng của cơ cấu tác động cuối Robot so với hệ tọa độ cố định, ta
gắn vào khâu tác động cuối một hệ tọa độ động n và gắn mỗi khâu động một hệ tọa độ
động khác (từ khâu n đến khâu n-1) theo một quy tắc gọi là quy tắc Denavit
Hartenberg, sau đó ta xác định các thông số của khâu, khớp (thông số Denavit
Hartenberg) của Robot và biểu diễn mối quan hệ giữa các hệ tọa độ động gắn trên
23
khâu thông qua các thông số này dưới dạng ma trận (4x4), nhờ đó mà người ta xác
định được vị trí và hướng của cơ cấu tác động cuối. Như vậy thông qua các phép tính
toán các ma trận dạng (4x4) ta dễ dàng xác định được vị trí và hướng của cơ cấu tác
động cuối hay một khâu bất kỳ nào đó trên robot.

i
y
i
z
i
trùng với phương của vector vuông góc chung giữa
zi và z
i+1
( nghĩa là chọn trùng phương với tích với tích có hướng [z
i
X z
i+1
] )
 Nếu phương của z
i
và z
i+1
là chéo nhau hoặc cắt nhau thì phương vuông góc
chung xác định duy nhất
 Nếu z
i
// với z
i+1
: có vô số đường vuông góc chung, thường chọn x
i
trùng với
x
i+1
24
Sau khi đã xác định được gốc tọa độ O

i-1
x
i-1
y
i-1
z
i-1
ta xác định các thông số
Denavit Hartenberg(DH) . Thông qua các tham số động học Denavit Hartenberg này ta
có thể biểu thị mối quan hệ giữa hệ tọa độ O
i
x
i
y
i
z
i
và O
i-1
x
i-1
y
i-1
z
i-1
bằng các phép biến
đổi thuần nhất. Các thông số động học Denavit Hartenberg đó là:
25

Trích đoạn Mô phỏng động học ngược Robot Chương V: Kết luận chung

---