MỤC LỤC
NG I
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Giới thiệu chung
Năm 1921 từ Robot xuất hiện lần đầu trong vở kịch “Rossum’s Universal
Robots” của nhà viết kịch viễn tưởng người Sec, Karel Capek. Trong vở kịch này ông
dùng từ “Robot” biến thể của từ gốc slavo “Rabota” để gọi một thiết bị lao công do
con người tạo ra (nhân vật Rossum).
Vào những năm 40 nhà văn viễn tưởng Nga, Issac Asimov, mô tả robot là một
chiếc máy tự động, mang diện mạo của con người được điều khiển bằng một hệ thần
kinh khả trình Positron, do chính con người lập trình. Asimov cũng đặt tên cho ngành
nghiên cứu về robot là robotics, trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản:
- Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người.
- Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra. Các quy
tắc này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất.
- Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhưng không được vi phạm hai
nguyên tắc trước.
Các nguyên tắc trên sau này trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot, từ sự hư
cấu của khoa học viễn tưởng robot dần dần được giới kĩ thuật hình dung như những
chiếc máy đặc biệt được con người phỏng tác theo cấu tạo và hoạt động của chính
mình, dùng để thay thế con người trong một số công việc nhất định. Để hoàn thành
nhiệm vụ đó robot cần có khả năng cảm nhận các thông số trạng thái của môi trường
và tiến hành các hoạt động tương tự con người.
Khả năng hoạt động của robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí gồm: cơ cấu
vận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc. Việc thiết kế và chế tạo hệ
thống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu cơ
khí. Chức năng cảm nhận gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trường và trạng thái
của bản thân hệ thống do các cảm biến và các thiết bị liên quan thực hiện, được gọi là
hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu, hay đơn giản là hệ thống cảm biến.
Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot có thể tự
điều chỉnh hành vi của mình và hoạt động đúng theo chức năng quy định trong điều

nhiều sản phẩm hoàn thiện về cả chất lượng và thẩm mỹ. Tuy nhiên với những giới
hạn về kiến thức, thời gian và kinh phí đề tài giới hạn với những tính năng sau:
- Kết cấu cơ khí:
Robot có ba bậc tự do
Robot có không gian làm việc: (x,y,z) = (475 mm, 475 mm, 715 mm)
- Độ phân giải điều khiển tại các khớp:
Khớp 1: 1 phút
Khớp 2: 1 phút
Khớp 3: 1 phút
- Robot có thể điều khiển theo góc và theo vị trí.
- Xây dựng bộ phần mềm giải quyết bài toán động học thuận, động học ngược,
bài toán thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp.
- Xây dựng phần mềm điều khiển robot trên máy tính bằng phương pháp dạy
học.
3
CHƯƠNG II
TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
2.1 Tổng quan về robot công nghiệp
Robot công nghiệp có thể được hiểu là máy tự động linh hoạt thay thế từng phần
hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả
năng thích nghi khác nhau. Là thiết bị có thể thao tác với nhiều bậc tự do, được điều
khiển nhờ các chương trình đã được lập trình sẵn và có khả năng lập trình lại được.
Robot có thể thực hiện nhiều công việc thay cho con người với độ chính xác và tin
cậy cao. Ngày nay với nhiều ưu điểm, robot công nghiệp đã trở thành thiết bị tự đông
hóa không thể thiếu cho các hệ thống sản xuất linh hoạt. Robot công nghiệp góp phần
nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và
khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện lao động. Đạt được các mục
tiêu trên là nhờ vào những khả năng to lớn của robot như: làm việc không mệt mỏi,
linh hoạt trong việc chuyển đổi các chức năng giữa các dây chuyền khác nhau, chịu
được phóng xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao, “Cảm nhận” được từ

- Giao diện người – Robot: Thường là những phần mềm chuyên dụng, điều
khiển trên máy tính hoặc các tay cầm điều khiển.
Tùy thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động quay và tịnh tiến mà tay
máy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thường gặp
5
Môi trường:
Đối tượng
Lực, moment
Phần công tác
Sensor giám
sát trạng thái
hệ thống
Truyền động cơ khí
Sensor giám sát
thông số môi
trường
Cơ cấu chấp hành
Hệ thống điều khiển
Giao diện người - Robot
của robot là robot kiểu toạn độ Đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ
tọa độ góc (phỏng sinh)…
2.2.2 Phân loại robot công nghiệp
a) Phân loại hình dạng hình học và không gian hoạt động
Robot kiểu tọa độ đề các
Hình 2.2 Robot kiểu tọa độ Đề Các
Robot kiểu tọa độ trụ
Hình 2.3 Robot kiểu tọa độ trụ
Robot kiểu tọa độ cầu
Hình 2.4 Robot kiểu tọa độ cầu
Robot kiểu tọa độ Scara

Tay máy robot công
nghiệp
Môi trường
làm việc
Hệ thống
điều khiển
Hệ thống cảm biến
c) Phân loại theo ứng dụng
Robot được phân loại tùy theo ứng dụng trong nhiều chuyên ngành công nghiệp
như: robot hàn, robot sơn, robot lắp ráp, robot trong ngành luyện kim…
2.3 Cơ sở lý thuyết
2.3.1 Động học tay máy
a) Động học thuận
Bài toán động học thuận sử dụng phương pháp do Denavit-Hartenberg đề xuất.
Phương pháp đó được sử dụng để biểu thị mối quan hệ giữa 2 khâu với nhau:
Khâ
u
1
2
…
N
Bảng 2.1 Bảng thông số Denavit – Hartenberg
Quy tắc đặt hệ trục tọa độ theo D – H :
Trục z
i
trùng hướng với hướng của trục z
i+1
Trục x
i
cùng phương với phương pháp tuyến chung của trục z

i
.
- Tịnh tiến một đoạn a
i
theo trục x
i-1
để x
i-1
trùng với x
i
.
- Quay một góc α
i
quanh trục x
i-1
(≡x
i
) để z
i-1
≡z
i
.
(d)(θ)(a)(α)
Ma trận biến đổi thuần nhất theo quy tắc D – H:
= (d)(θ)(a)(α)
8
Các bước thiết lập phương trình động học Robot bằng phương pháp Denavit –
Hartenberg:
Bước 1: Đặt hệ trục tọa độ theo quy tắc D - H
Bước 2: Lập bảng thông số động học D – H.

9
- Phương pháp sử dụng phương trình Lagarange II.
- Phương pháp Newton-Euler.
2.4 Các hệ thống điển hình của Robot công nghiệp
Robot công nghiệp được cấu thành bởi 3 hệ thống chính: hệ thống chấp hành, hệ
thống cảm biến, hệ thống điều khiển.
2.4.1 Hệ thống chấp hành
Hệ thống chấp hành là hệ thống tạo ra nguồn động lực cho mọi chuyển động của
tay máy robot công nghiệp.
Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống chấp hành
Công suất nguồn P
p
.
P
c
là tín hiệu điều khiển.
Công suất điện cung cấp cho động cơ P
a
.
Công suất cơ học do động cơ phát ra P
m
.
Công suất cơ học cần thiết để làm chuyển động khớp P
u
.
Công suất tổn hao: P
da
; P
ds
; P

d) Nguồn cung cấp chính
Nhiệm vụ của nguồn cung cấp chính là cung cấp năng lượng tới đầu vào của bộ
biến đổi.
2.4.2 Hệ thống cảm biến
Cảm biến là thiết bị dùng để nhận giá trị của đại lượng vật lý cần đo và biến đổi
nó thành tín hiệu mà thiết bị đo hay điều khiển có thể xử lý được. Dạng và tín hiệu
xuất ra được chuẩn hóa để dễ ghép nối vào các mạch xử lý.
Cảm biến trong:
- Cảm biến vị trí.
- Cảm biến vận tốc.
Cảm biến ngoài:
- Cảm biến lực.
- Cảm biến kiểu điện trở.
- Cảm biến đo khoảng cách.
- Thiết bị quan sát.
2.4.3 Hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển có chức năng:
- Chuyển động của các cơ cấu cơ khí.
11
- Thu nhận thông tin trạng thái của hệ thống và môi trường công tác.
- Phân tích thông tin và phản ứng trước điều kiện thực tế.
- Lưu trữ, xử lý và cung cấp thông tin về hệ thống.
12
CHƯƠNG III
MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
3.1 Mô hình vật lý
a) Mô hình robot
Hình 3.1 Mô hình robot
Tính toán kích thước các khâu:
Robot có không gian làm việc: (x,y,z) = (475 mm, 475 mm, 715 mm)

Hình 3.5 Khâu 3
Khối lượng khâu thứ 3: 216,05 g (tính toán theo solidworks)
3.2 Bài toán động học thuận
Quy tắc đặt hệ trục tọa độ theo D – H :
- Trục z
i
trùng hướng với hướng của trục z
i+1
.
- Trục x
i
cùng phương với phương pháp tuyến chung của trục z
i-1
và trục z
i
.
- Gốc tọa độ trên khâu là được xác định bởi giao điểm của trục z và trục x
đã xác định của khâu đó. Hướng của trục y được chọn theo hướng của
trục z, x theo quy tắc bàn tay phải.
Với hệ tọa độ đặt cho khâu công tác sẽ chọn hệ tọa độ sao cho gần giống nhất với hệ
tọa độ gần nó. Hệ tọa độ gốc chọn trục x bất kì:
Khâu
1
2
…
n
Bảng 3.1 Bảng thông số Denavit – Hartenberg
Phép rời trục tọa độ:
Bản chất của quy tắc D – H là việc rời hệ tọa độ theo quy tắc nhất định để 2 hệ trục
tọa độ trùng khớp nhau. Thứ tự rời như sau:

i
quanh trục x
i-1
(≡x
i
) để z
i-1
≡z
i
.
(d)(θ)(a)(α)
Ma trận biến đổi thuần nhất theo quy tắc D – H:
= (d)(θ)(a)(α)
15
Các bước thiết lập phương trình động học Robot bằng phương pháp Denavit –
Hartenberg:
- Bước 1: Đặt hệ trục tọa độ theo quy tắc D - H
- Bước 2: Lập bảng thông số động học D – H.
- Bước 3 : Từ bảng thông số dộng học D – H thay vào công thức chung ta
sẽ tính được các ma trận biến đổi thuần nhất tương ứng.
- Bước 4 : Nhân các ma trận biến đổi thuần nhất này với nhau theo đúng
thứ tự ta sẽ được phương trình động học Robot công nghiệp.
= . . . .
Khi các trục khớp cắt nhau ta nên di chuyển các trục tọa độ có gốc trùng nhau.
Áp dụng đối với robot RRR ta có:
Bảng D-H:
Bảng 3.2 Bảng thông số D-H
Hình 3.6 Kết cấu tay máy robot
tọa độ cầu RRR
Ma trận tổng quát:


+
2
(1)
Ta có:
=
Bình phương phương trình sau đó cộng với phương trình (1) theo vế ta được:
l3
2
+l2
2
+2.l2.l3.cos=
2
+
2
+ (
2
 =cos
-1
()
bằng cách vẽ hình và mô tả góc quay, ta xác định được các thông số yêu cầu của bài
toán.
17
Hình 3.7 Phân tích cơ cấu các khâu
Ta tính được :
 = tan
-1
() – tan
-1
(l3cos+ l2)

(chuyển động tịnh tiến) K
2
=
P là thế năng của hệ: P=m.g.h
M
đc
là momen động cơ
Tính động năng (xét từng khâu):
• Khâu 1: Vì khâu 1 chuyển động quay quanh trục cố định nên ta có:
K
1
=
J
1
là momen quán tính của khâu 1
Hình 3.8 Kết cấu tay máy robot tọa độ cầu RRR
Với khâu 1 được coi là đĩa đồng chất, bán kính r=40mm=0,04m, khối lượng :
kg
K
1
=0,00066
• Khâu 2: vì khâu chuyển động quay và tịnh tiến nên ta có
K
2
=K
21
+K
22
Trong đó K
21

K
2
=+
• Khâu 3: vì khâu 3 chuyển động quay và tịnh tiến nên ta có:
K
3
=K
31
+K
32
Trong đó:
K
31
là động năng tịnh tiến
K
32
là động năng quay
K
31
=
+
20






K
31

P=mgh=P
1
+P
2
+P
3
Trong đó:
P
1
=
P
2
= )
P
3
=
P= )+
0
Thay vào phương trình Lagarange II ta có:
21
M
đci
Với động cơ 1 ta có:
M
đc1
==
Với động cơ 2 ta có:
M
đc2
=-{}+

điều khiển công suất để điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ.
Mạch công suất nhận tín hiệu điều khiển từ khối điều khiển trung tâm để điều
khiển công suất cung cấp cho động cơ, thay đổi chiều quay động cơ.
3.6.2 Khối điều khiển
Yêu cầu hệ thống điều khiển trung tâm là đáp ứng nhanh do đó đòi hỏi một loại
vi điều khiển mạnh, có tốc độ xử lý nhanh, có khả năng ghép nối với nhiều thiết bị như
RF, cảm biến góc và gia tốc, và có thể tích hợp thêm các modul khác nữa.
Các dòng chip trên thị trường rất đa dạng và nhiều chủng loại như chip PIC,
Atmel, Arm… Mỗi loại lại có một ưu điểm riêng song chip Atmel nổi tiếng là một
dòng chip mạnh với tốc độ xử lí khá cao, phù hợp với yêu cầu đề tài. Còn chip ARM
là loại rất mạnh nhưng giá thành cao nếu sử dụng loại này sẽ gây lãng phí.
24
Khối hiển thị
Khối bàn phím

Cảm biến
ATMEGA 16
Khối nguồn
Khối công suất
Động cơ
ROBOT
Vi điều khiển AVR do hãng Atmel sản xuất được giới thiệu lần đầu năm 1996,
AVR có rất nhiều dòng khác nhau bao gồm dòng Tiny AVR ( như AT tiny13, AT tiny
22…) có kích thước bộ nhớ nhỏ, ít bộ phận ngoaiij vi, rồi đến dòng AVR ( chẳng hạn
AT90S8535, AT90S8515,…) có kích thước bộ nhớ vào loại trung vình và mạnh hơn là
dòng Mega ( Atmega16, Atmega32, Atmega128,…) với bộ nhớ có kích thước vài
Kbyte đến vài trăm Kb cùng với các bộ ngoại vi đa dạng được tích hợp trên chip, cũng
có dòng tích hợp cả bộ LCD trên chip (dòng LCD AVR)). Tốc độ của dòng Mega
cũng cao hơn so với các dòng khác, sự khác nhau cơ bản giữa các dòng chính là cấu
trúc ngoại vi, còn nhân thì vẫn như nhau. Đặc biệt, năm 2008, Atmel lại tiếp tục cho ra