BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM THỊ HẠNH

TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG ROBOT SONG SONG
CAO TỐC BA BẬC TỰ DO

NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204

S KC 0 0 1 0 9 2

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2006


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

PHẠM THỊ HẠNH

TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG
ROBOT SONG SONG CAO TỐC
BA BẬC TỰ DO

Chuyên ngành : Cơ khí chế tạo máy
Mã ngành

gian và công sức để đọc tập luận văn và đóng góp
các ý kiến qúy báu giúp tôi hoàn thiện luận nội dung
của luận văn.
™
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cha mẹ
tôi, người đã luôn luôn ủng hộ và tạo điều kiện cho
tôi học tập và hoàn thiện luận văn.
™
Xin cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè đã giúp
đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận văn.

PHẠM THỊ HẠNH


TÓM TẮT
Cách đây hai thập kỷ, trên thế giới, lónh vực robot song song đã được nghiên
cứu khá phổ biến. Quả thật những con robot này tỏ ra nổi bật hơn so với robot nối
tiếp trong một số lónh vực. Cụ thể là, chúng có thể đạt được tốc độ cao hơn (do quán
tính của cả hệ thống dòch chuyển thấp) và độ chính xác cao hơn (do không có sai số
do các khớp dồn lại). Cho đến nay, những đặc điểm này vẫn được quan tâm trong
công nghệ sản xuất, đó là việc lắp ráp và chế tạo sản phẩm với độ chính xác cao
hơn và tốc độ nhanh hơn. Một lónh vực ứng dụng khá thích hợp cho loại robot này là
công nghệ điện tử, ở đó robot có thể được ứng dụng rộng rãi. Vì thế, đối tượng
nghiên cứu trong luận văn này là Robot song song cao tốc ba bậc tự do.

SUMMARIZE
Two decade ago, in the world, the field of parallel robot has been popularly
researched. Really these robots have proved more remarkable than these serial
counterparts in some fields. Namely, they can achieve higher speeds (due to low
moving inertia of the system) and higher precision (due to non – cumulative joint

trong tương lai nó còn có thể được nghiên cứu để ứng dụng trong nhiều lónh vực khác.


MỤC LỤC
Quyết đònh
Lời cảm ơn
Tóm tắt
Lời nói đầu
NỘI DUNG

TRANG

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu ..................................................................................................... 1
1.2. Nhu cầu sử dụng Robot song song cao tốc .................................................. 5
1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ................................................... 5
1.3.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài ..................................................... 6
1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................ 6
1.4. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................... 7
1.5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 7
1.5.1. Phương pháp tiếp cận hệ thống ......................................................... 8
1.5.2. Phương pháp mô phỏng ..................................................................... 8
1.6. Nội dung của đề tài ..................................................................................... 8
1.7. Đònh nghóa một số thuật ngữ ........................................................................ 8
CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ ROBOT
2.1. Giới thiệu ................................................................................................... 11
2.2. Robot nối tiếp .............................................................................................. 13
2.3. Robot song song .......................................................................................... 14
2.4. Robot song song và hướng nghiên cứu ........................................................ 16
2.5. Giới thiệu về Robot song song cao tốc ....................................................... 19

Phụ lục 5 : Giao diện và chương trình tính toán ma trận Jacobi ........................ 78
Phụ lục 6 : Giao diện và chương trình tính toán động lực học ............................ 90


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

KS : PHẠM THỊ HẠNH

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN
1.1. GIỚI THIỆU
Từ trước thập niên 90, thuật ngữ Robot hầu như còn xa lạ đối với người dân
Việt Nam. Nhưng kể từ khi nhà nước thực hiện chính sách công nghiệp hóa và hiện
đại hóa cho đến nay thì tên gọi Robot đã trở nên quen thuộc với mọi người. Mặc dù
là đất nước nghiên cứu Robot khá muộn (sau các nước trên thế giới gần nửa thế kỷ)
nhưng ở Việt Nam đã có một sân chơi rất sôi động và hấp dẫn đang được các bạn
học sinh – sinh viên khối kỹ thuật nhiệt tình hưởng ứng, đó là cuộc thi “Robocon”
được tổ chức hàng năm.
Thế nhưng, ít ai biết rằng, thuật ngữ Robot lại được xuất hiện lần đầu tiên
trong một tác phẩm khoa học viễn tưởng “Rosum’s Universal Robot” của nhà soạn
kòch người Tiệp Karen Kapek. Theo tiếng Sec thì Robot có nghóa là người tạp vụ.
Và trong tác phẩm này, nhân vật Rosum cùng với con trai ông ta đã chế tạo ra
những chiếc máy gần giống như con người để phụ vụ con người. Vậy mà, chỉ hơn
20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karen Kapek đã trở thành hiện thực. Giờ đây,
kế thừa những thiết kế ban đầu, Robot đã ngày càng được nâng cao về khả năng
hoạt động, linh hoạt hơn, chính xác hơn, thông minh hơn, cấu trúc hình học thì đa
dạng hơn và phạm vi ứng dụng thì rộng rãi hơn.
Thật vậy, trong ngành chế tạo máy thì các máy công cụ đã từng bước được cơ
khí hóa và tự động hóa, riêng công việc cấp phôi cho các máy công cụ hiện nay đã


KS : PHẠM THỊ HẠNH

3. Dùng trong các máy công cụ.

Hình 1.3 : Máy cưa CNC dùng Robot song
song cao tốc Delta 5 bậc tự do

Hình 1.4 : Robot Tornado dùng trong máy phay
5 trục được ứng dụng trong Sản xuất tự động

4. Dùng trong lónh vực y học.

Hình 1.6 : Robot phẫu thuật dùng trong y học

5. Dùng để thay thế con người thực hiện các
công việc trong môi trường khắc nghiệt
như xưởng hàn.
Hình 1.7 : Robot song song cao tốc ứng
dụng trong công nghệ hàn điểm hay hàn đường.

- Trang 3-


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

KS : PHẠM THỊ HẠNH

6. Dùng trong công nghệ chế biến thực phẩm


1.3.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
ƒ Robot công nghiệp bắt đầu được phát triển vào năm 1940. Ban đầu được
dùng để chuyển tải các loại vật liệu nguy hiểm, được dùng trong thám hiểm không
gian và sau đó được dùng trong công nghệ tự động hóa linh hoạt.
ƒ Vào những năm 90, đã có nhiều công ty của Nhật, Bắc Mỹ, Châu Âu đã
ứng dụng Robot rộng rãi trong nhiều lónh vực công nghiệp.
ƒ Trong những năm gần đây, Robot công nghiệp chủ yếu được dùng cho các
thao tác lặp lại nhiều lần như : chuyển tải vật tư, xếp dỡ các chi tiết máy, lắp ráp
các bộ phận thành cụm máy và làm việc trong các môi trường nguy hiểm như :
- Trang 5-


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

KS : PHẠM THỊ HẠNH

chuyển tải vật liệu phóng xạ, thám hiểm không gian và đáy biển, hàn điểm, sơn
phun, … Đặc biệt hiện nay Robot còn được ứng dụng trong lónh vực y khoa để giải
phẫu cho con người. Ngoài ra, các nhà sản xuất còn quan tâm đến các loại robot
thân thiện với con người như : là Robot giúp việc nhà, giúp người tàn tật, Robot làm
hướng dẫn viên du lòch, …
1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Với mục tiêu là tiếp cận kỹ thuật Robot, trong nước đã triển khai nhiều đề tài
cấp nhà nước, như : Đề tài 58.01.03 trong giai đoạn 81 – 85 và đề tài 52B.03.01
trong giai đoạn 86 – 89. Kết quả nghiên cứu của các đề tài này không những đáp
ứng được yêu cầu tiếp cận mà còn có những ứng dụng ban đầu trong kỹ thuật bảo
hộ lao động và phục vụ cán bộ kỹ thuật ở nước ta.
1.3.2.1. Về Robot nối tiếp
Trong những năn gần đây, đã có rất nhiều loại Robot được nghiên cứu bởi :
ƒ Trung tâm nghiên cứu Kỹ thuật Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nghiên

“TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG ROBOT SONG SONG CAO TỐC
3 BẬC TỰ DO”
1.4. ĐỐI TƯNG NGHIÊN CỨU
Trong các loại Robot song song cao tốc thì loại ba bậc tự do là khá cơ bản và
thông dụng, cho nên đối tượng nghiên cứu của luận văn này Robot song song cao
tốc ba bậc tự do.
1.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1.5.1. Phương pháp tiếp cận hệ thống
Giống như các ngành khoa học khác, công nghệ Robot cũng được phát triển
dựa trên những nền tảng ban đầu. Do đó, chúng ta cần kế thừa những kết quả đã
được nghiên cứu để rút ngắn thời gian tiếp cận đối tượng cần nghiên cứu. Cho nên
tôi đã dùng phương pháp tiếp cận hệ thống để có thể đạt được kết quả nhanh nhất.
1.5.2. Phương pháp mô phỏng
- Trang 7-


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

KS : PHẠM THỊ HẠNH

Trước đây, ở Việt Nam, khi hệ thống máy tính và các phần mềm chưa được
ứng dụng rộng rãi thì các công việc từ tính toán đến chế tạo thường phải dùng
phương pháp “thử và sai” nên mất nhiều thời gian và khá tốn kém. Còn hiện nay,
với sự hỗ trợ của máy tính cũng như các phần mềm tính toán, mô phỏng đã được
ứng dụng khá phổ biến, cho nên trong luận văn này, tôi cũng ứng dụng các phần
mềm như : Matlab, Autocad, Inventer và Visual Natrans để tính toán và mô phỏng
Robot nhằm khảo sát hoạt động của Robot.
1.6. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI
Để đạt được các đề mục trên, tôi chỉ thực hiện nghiên cứu những nội dung
chính dưới đây :

-

Về kỹ thuật, Robot được đònh nghóa như sau : “Robot là cơ cấu chấp hành đa

năng tái lập trình được thiết kế để chuyển tải vật tư, công cụ hoặc các thiết bò chuyên
biệt thông qua các chuyển động được lập trình để thực hiện các tác vụ khác nhau”.
-

Theo Viện nghiên cứu Hoa Kỳ, Robot được đònh nghóa như sau : “ Robot

là một tay máy nhiều chức năng, thay đổi được chương trình hoạt động, được dùng để
- Trang 8-


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

KS : PHẠM THỊ HẠNH

di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt
thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích hoàn
thành những nhiệm vụ đa dạng” ( Schlussel, 1985).
-

Đònh nghóa Robot còn được Mikell P. Groover, một nhà nghiên cứu hàng đầu

trong lónh vực Robot, mở rộng như sau : “ Robot công nghiệp là những máy, thiết bò tổng
hợp hoạt động theo chương trình có những đặc điểm nhất đònh tương tự như ở con người”.
-

Theo Artobolevski I. I., Vorobiov M. V. và các nhà nghiên cứu thuộc

- Trang 9-


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

KS : PHẠM THỊ HẠNH

ƒ Cơ cấu : là chuỗi động học trong đó có một khâu cố đònh với nền.
ƒ Moving Platform : tấm động
ƒ Fixed base : đế
ƒ Prismatic actuator : Cơ cấu tác động lăng trụ
ƒ Spherrical joint (S) : khớp cầu
ƒ Revolute joint (R) : khớp quay
ƒ Prismatic joint (P) : khớp lăng trụ
ƒ Degree – of – Freedom (DOF) : bậc tự do

- Trang 10-


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

KS : PHẠM THỊ HẠNH

CHƯƠNG 2

GIỚI THIỆU VỀ ROBOT
2.1. GIỚI THIỆU
Hiện nay, thế giới Robot công nghệ rất đa dạng cả về cấu trúc hình học lẫn khả
năng thực hiện công việc. Tuy nhiên, theo cầu trúc hình học, chúng có thể được phân
loại theo ba kiểu sau : Robot song song, Robot nối tiếp và Robot lai (Hình 2.1.)


• Khớp thấp giữa việc dòch

• Gia tốc bộ tác động cuối

- Trang 11-


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

nối tiếp

KS : PHẠM THỊ HẠNH

chuyển các chuỗi động học.
• Dễ dàng thiết lập được kiểu
động học nghòch.

thấp khi khối lượng vận
chuyển lớn.
• Độ chính xác về vò trí thấp
do các sai số của khớp dòch
chuyển cao.

• Khả năng tải cao.
Robot
song song

• Độ cứng vững của cơ cấu cao.
• Cấu trúc hình học đơn giản.


Robot nối tiếp

Robot song song cao tốc
- Trang 12-

Robot lai


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

KS : PHẠM THỊ HẠNH

Tuy nhiên, theo cấu trúc hình học, mỗi loại Robot lại được phân chia theo
không gian làm việc và của chúng. Sơ đồ cây dưới đây là sự phân biệt Robot theo
cấu trúc hình học :

ROBOT

ROBOT NỐI TIẾP
Được mô tả bởi cấu
hình động học hở.

ROBOT SONG SONG
Được mô tả bởi cấu
hình động học kín.

ROBOT LAI
Bao gồm cả cấu hình
động học kín và hở.


KS : PHẠM THỊ HẠNH

Hình 2. Robot nối tiếp dùng để xếp hàng hóa

Hình 2.3 : Robot nối tiếp hàn khung xe

2.3. ROBOT SONG SONG
Cấu tạo của Robot song song gồm một bệ chuyển động kết nối với đế cố đònh
bằng nhiều nhánh song song, số nhánh bằng số bậc tự do, nghóa là mỗi nhánh được
điều khiển bằng một cơ cấu tác động. Các cơ cấu tác động được gắn vào hoặc gần với
đế cố đònh. Cơ cấu chấp hành song song được ứng dụng khá phổ biến như là : các bộ
mô hình máy bay, các máy khai thác mỏ, … Hơn nữa, chúng còn được kết hợp thành
cụm gia công cơ khí có nhiều bậc tự do đểø đạt được độ chính xác và tốc độ cao. Đặc
điểm của Robot song song là độ cứng vững cao, quán tính thấp và khả năng tải trọng
lớn nhưng nhược điểm của chúng là không gian làm việc nhỏ và khó thiết kế.
Có thể nói một trong những tay máy song song nổi tiếng là Stewart platform
(Hình 2.4), nó được chế tạo bởi Stewart vào năm 1965 và được dùng trong công việc
mô phỏng máy bay. Sau này, các phiên bản của nó vẫn được dùng trong mục đích
này. Ngoài ra, Stewart platform còn có những ứng dụng khác như : Máy nghiền (được
Aronson chế tạo vào năm 1996); Thiết bò đào đất (được Arai chế tạo vào năm 1991);
…

- Trang 14-