BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
CHƯƠNG TRÌNH KC.03
YZ YZ YZ YZ YZ YZY YZ YZ YZY YZ YZ YZY

“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC ROBOT THÔNG
MINH PHỤC VỤ CHO CÁC ỨNG DỤNG QUAN TRỌNG”
MÃ SỐ: KC.03.08

BÁO CÁO CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
THEO NHIỆM VỤ 1 - ĐỀ TÀI KC.03.08
NHÓM SẢN PHẨM ROBOT RP
6246-1
25/12/2006

5.2. Môđun xe di chuyển cho RP-01 47
5.3. Môđun xe di chuyển cho RP-02 51
VI. Hệ thống thiết bị điều khiển
56
6.1. Giới thiệu chung 56
6.2. Hệ điều khiển Robot RP 56
6.3. Điều khiển Robocar RP-01 bằng PLC 68
6.4. Hệ điều khiển Robocar RP-02 72
Phần 2. các sản phẩm Robocar ứng dụng
80
I. Giới thiệu chung
80
II. Robocar TN trong phòng thí nghiệm
81
2.1. Giới thiệu chung 81

3
2.2. Thiết kế, chế tạo TN 81
2.3.Các sensors đợc sử dụng 90
2.4. Những nhận xét qua thử nghiệm 95
III. Robocar Chữ thập đỏ
97
3.1. Giới thiệu chung 97
3.2. Kết cấu các bộ phận chấp hành 97
3.2.1. Kết cấu xe di chuyển 97
3.2.2. Cơ cấu robot 100
3.2.3. Hệ thống bơm phun 102
3.3. Xây dựng mô hình động học Robocar Camera 103
3.3.1. Chọn các hệ tọa độ 103
3.3.2. Mô tả đối tợng quan sát trong hệ tọa độ 104

này đợc ký hiệu vắn tắt là RP. Nếu so sánh với các loại cơ cấu dùng làm
robot phỏng sinh khác thì cơ cấu robot RP có nhiều u điểm nh nhỏ gọn về
kích thớc, linh hoạt và cấu trúc, dễ giữ cân bằng ở các vị trí khác nhau mà
không cần đến đối trọng. Tuy nhiên để hệ thống chấp hành có thể đáp ứng linh
hoạt các yêu cầu về thông minh hóa, cần phải nghiên cứu cải tiến nâng cấp hệ
thống chấp hành này. Với định hớng đó cần tạo thêm kh năng di động cho
robot RP và thích hợp nhất là di động bằng xe.
Robocar RP là phơng án cải tiến để robot RP di động bằng xe. Hệ
thống gồm cơ cấu robot RP và cơ cấu xe di chuyển đợc điều khiển thống
nhất. Trong hệ thống đó đợc trang bị thêm các bộ phận cảm biến, thiết bị xử
lý và chơng trình phần mềm điều khiển. Với các nội dung chủ yếu đó Đề tài
đã hòan thành nghiên cứu thiết kế, chế tạo và vận hành điều khiển Robocar
RP, định hớng ứng dụng trong phân xởng công nghiệp.
Chơng trình điều khiển Robocar RP phiên bản 01 (Hình 1) viết cho
PLC - S7200 để làm phụ việc trong phân xởng chế tạo cơ khí cũng tơng đối
đơn giản và chỉ lặp lại một vài thao tác định trớc. Thực ra, nếu chỉ đặt ra
phạm vi phục vụ cho Robocar là phụ việc trong phân xởng công nghiệp thông
thờng thì trong thực tế hầu nh không có nhu cầu phải thông minh hóa.

5
Vì thế Đề tài phải bắt đầu nghiên cứu giai đoạn 2 tạo ra Robocar RP
- 02 (hình 2) với nhiều cải tiến về môđun di chuyển và sử dụng bộ vi điều
khiển onchip 89C52. Đồng thời mở rộng định hớng ứng dụng.

Hình 1. Robocar RP phiên bản 01

Hình 2. Robocar RP phiên bản 02
Xu thế chuyển từ Robocar công nghiệp sang Robocar dịch vụ cũng
là theo xu thế chung hiện nay trên thế giới: tỷ lệ đầu t cho Robot công
nghiệp (Industrial Robots) giảm đi nhiều so với Robot dịch vụ (Service


7
Với cách tiếp cận theo xu thế hiện nay trên thế giới, Đề tài đã phát triển
với các nhóm sản phẩm sau đây:
1. Robocar phục vụ phòng chống dịch bệnh
2. Robocar phục vụ ngời tàng tật, ốm đau.
Ngoài ra còn bớc đầu nghiên cứu về Robocar địa hình, Robocar cảnh
vệ, Robocar hớng dẫn viên v.v. Trên các hình 3 ữ 5 là ảnh chụp các phiên bản
đầu tiên về các Robocar này do Trung tâm NCKT Tự động hóa, ĐHBK HN
nghiên cứu thiết kế, chế tạo.
Các nội dung phát triển nói trên là phần nghiên cứu thiết kế chế tạo các
sản phẩm ứng dụng của Đề tài. Một vài sản phẩm nói trên đã đợc ứng dụng
thử nghiệm, còn số khác cũng đợc nhiều cơ sở quan tâm đến, nhng để thành
sản phẩm thơng mại thì còn cần có nhiều đầu t thích đáng. Tuy nhiên nếu có
đợc những phiên bản đầu tiên ở PTN thì mới thu hút đợc sự quan tâm của cơ
sở ứng dụng. Đó chính là mục tiêu Đề tài đặt ra.
8


nhiệm vụ 1 của đề tài kc. 03.08
robocar rp

i. giới thiệu chung Nh đã trình bày ở phần mở đầu, Robocar RP là phơng án cải tiến để
Robot RP đợc tăng cờng khả năng linh hoạt đáp ứng những yêu cầu về
thông minh hóa.
Phiên bản đầu tiên của Robocar RP đã hoàn thành từ năm 2002. Kết quả
nghiên cứu này đã đợc giới thiệu trong sách giáo trình Robot công nghiệp
và ảnh chụp Robocar RP với ghi chú là sản phẩm đề tài KC.03.08 đã dùng làm
ảnh bìa sách (hình 1.1.1.). Giáo trình này đợc hầu hết các trờng Đại học và
Cao đẳng kỹ thuật dùng làm sách giáo khoa. Sách đợc tái bản 2 năm một lần,
đến nay đã là lần thứ 3, đó là cha kể khá nhiều sách đợc in không chính thức
bán ngoài thị trờng.
Sau nhiều lần khảo nghiệm qua việc ứng dụng thử nghiệm trong phân
xởng chế tạo cơ khí. Đề tài đã nhiều lần cải tiến các bộ phận và luôn luôn đi
sâu nghiên cứu để trả lời những câu hỏi sau:
- Cơ cấu robot nên nh thế nào để nâng cao mức độ linh hoạt, mà giá
thành chế tạo lại không quá cao?
- Cơ cấu xe di chuyển nên nh thế nào để dễ điều khiển chính xác một
khi mặt đờng di chuyển không đòi hỏi quá bằng phẳng và đồng đều?
- Nên tạo ra các môđun điều khiển nh thế nào để thích hợp với những
loại hình robocar khác nhau, ví dụ robocar phải thao tác ở những nơi không

11
biết quá rõ về địa hình; Khi đợc trang bị những hệ thống sensor cao cấp rất
đắt tiền và khi chỉ có khả năng đầu t rất hạn hẹp v.v.



Cơ cấu tay máy phỏng sinh nói chung là rất đơn giản, chỉ gồm môđun
cơ bản là môđun cơ cấu cánh tay gồm 2 khâu nối với thân và cơ cấu cổ tay bàn
kẹp. Tuy vậy khi thiết kế cũng phải giải quyết nhiều vấn đề, ví dụ:
- Với quan hệ kích thớc nào thì không gian hoạt động của tay máy và
vùng dễ thao tác là lớn nhất?
- Loại hình động lực và truyền lực cho các khâu nên là và nên đặt trực
tiếp ở các khâu đó hay là đặt trên phần cố định của thân?
- Vấn đề đảm bảo cân bằng của các khâu ở các vị trí khác nhau?
Ngoài ra còn có hàng loại vấn đề khác về động học và động lực học, về
khe hở và độ chính xác v.v.
Trên hình 1.1.3 là sơ đồ động của cơ cấu tay máy 6 bậc tự do trong
Robot Cincinnaty 3T của USA. Từ 1 đến 6 là các khâu của cơ cấu tay máy.
Cụm 7 là cơ cấu cổ tay - bàn kẹp, 8 là thân
Trên hình 1.1.4 mô tả sơ đồ các hệ thống động lực, các truyền lực bằng
dây đai và các hệ cân bằng I, II, III. Theo sự mô tả đó, có thể hình dung ra dự
hoạt động của các hệ đó mà không cần phải giải thích thêm ở đây.
Điều khiển dịch chuyển của bàn kẹp tay máy bám theo quỹ đạo không
gian là phải căn cứ vào các yêu cầu về định vị và định hớng của bàn kẹp tại
các điểm liên tiếp trên quỹ đạo mà xác định các thông số điều khiển, ở đây là
các giá trị tọa độ suy rộng của các khớp động. Có thể biểu thị theo mô hình
sau:
Gọi x = (x
1
, ... x
n
)
T
là véctơ trạng thái điểm cuối của phần tử tác động
gắn trên tay máy.

toán ngợc động học càng dễ. Ví dụ nếu cơ cấu cánh tay của tay máy nằm
trong mặt phẳng và khi quay chung quanh trục thẳng đứng thì cơ cấu tay máy
có thể thao tác trong không gian 3 chiều. Đối với các loại cơ cấu này nhiều bài
toán động học ngợc trở nên rất đơn giải và lúc này trở về bài toán phẳng.
Tùy theo quan hệ hình thức giữa các khâu và giá trị tọa độ suy rộng
q
i
min
, q
i
max
của các khớp động mà không gian hoạt động của cơ cấu tay máy
chiếm những vị trí to nhỏ khác nhau và chứa các vùng khó dễ thao tác khác
nhau.
Với quan điểm trên, qua phân tích hàng loạt cơ cấu tay máy phỏng sinh
của rất nhiều hãng khác nhau trên thế giới, chúng tôi đi đến nhận xét rằng tính
u việt nổi bật về của cơ cấu vẽ bình hành (Pantograph) khi dùng làm cơ cấu
cánh tay phỏng sinh. Vì thế loại cơ cấu này ngày càng đợc dùng rộng rãi
trong các loại tay máy khác nhau. Đó cũng là sự chọn lọc tự nhiên.

15

Hình 1.1.3. Sơ đồ động học của robot Cincinnaty 3T (USA) Hình 1.1.4 Sơ đồ các hệ chức năng của robot Cincinnaty 3T (USA)


H×nh 1.1.5. C¸c c¬ cÊu c¸nh tay dïng Pantograph H×nh 1.1.6. S¬ ®å ®éng c¬ cÊu tay m¸y
R
V
0

o

E
1
S
S
3
x
0
S

q
5
Q

18
2.2. Xây dựng các hệ hình động học và động lực

1) Các thông số kích thớc:
* Quan hệ kích thớc tối u:
Ký hiệu: MD = m AD = b AB = d
EB = c e + d = a b + m = l
Đảm bảo quan hệ sau:

a
dm
=
l

e
d
b
m
=
(2.1)
Từ đó ta có:

y
y
M
E

(2.5)
Nếu đặt :
n
b
e
m
d
==
(2.6)
Gọi vị trí xa nhất là M* và giả thiết cơ cấu có thể duỗi thẳng thì con
trợt E ở vị trí E* thì:
L = E*M* = m + d + b + e = b(1 + n).(1 + K
y
) (2.7)
Trong trờng hợp cơ cấu không cho phép duỗi thẳng hoàn toàn thì gọi
là độ dài phần không duỗi thẳng hết và đặt:
L = L + (2.8)
Bài toán xác định kích thớc cơ cấu nhỏ gọn nhất đối với vùng làm việc
PQVR (xem hình 1.1.6) cho biết trớc có thể đặt ra nh sau:

19
Cho M* trùng với điểm xa nhất của vùng làm việc, Ví dụ điểm Q (xem
hình 1.1.6) và đặt hàm mục tiêu F là:
F = b(1 + n).(1 + K
y
) (2.9)
Hoặc ta viết:
x
1
= b x

2
=1, x
3
= 4 là lời giải tối u.
Từ hình 2.6 dễ dàng thiết lập các quan hệ sau:
y
E
= - ecos - bcos (2.11)
z
c
= esin - bsin (2.12)
Nếu lấy n = 1 (tức là x
2
= 1) từ phơng trình (2.6) có e = b, do đó:
y
E
= - b(cos + cos) (2.13)
z
c
= b(sin - sin) (2.14)
Từ đó có độ dịch chuyển nhỏ của con trợt E và C là:
y
E
= - b(cos + cos) (2.15)
z
c
= b(sin - sin) (2.16)
* Trờng hợp chỉ riêng con trợt E di chuyển:

Trong trờng hợp này z

= const. , z
E
= 0 và từ phơng trình (2.15),
(2.16) ta có:
y
c
= -
()


sin
+bsin
(2.19)
hoặc : y
c
=
()


sin
+bsin
(2.20)

* Tính lực khi z
c
= const. :
Trong trờng hợp này z
c
= 0 và từ phơng trình (2.16) ta có
cos = cos. Theo phơng pháo di chuyển khả dĩ, giả thiết do tác động của

1
=

cos
2
l

z
2
=

sin
2
d
z
c
+
z
2
=

cos
2
d

z
3
=

sin

= - q.sin z
Q
= - q.cos
Với q = QE, Q là tiêu điểm kéo dài BE và là điểm đặt đối trọng Q.
Tính lực P
Ei
từ các phơng trình (2.21) ta đợc:

21
)(sin b
sin cos
2
1
.G
y
.G
P
1
E
11
E1
+
==

)(sin b
sin cos
2



)(sin b
sin cos
2
b
.G
y
.G
P
4
E
44
E4
+
==



y) (jbsin
jQ.qcosysin
dy
Qdz
P
E
Q
EQ
+
==


e
Q ++++=
(2.23)
* Tính các góc

và

:
Từ hình (2.16) dễ dàng xác định:
y
m
= d cos + m cos = m(cos + cos) (2.24)
z
m
= asin - lsin = l(sin - sin) (2.25)
từ phơng trình (2.24) và (2.25) ta có: 22
=
()
[ ]
()
m
mzly
yl
zm
arctg
mm
m

động quay. Có thể chia làm 2 nhóm 3: nhóm 3 với toạ độ cơ sở (3/1) có 2
chuyển động tịnh tiến và một chuyển động quay và nhóm 3 thứ hai (3/2) gồm
có 3 chuyển động quay.
Điểm A và B (hình 1.1.7) là hai điểm đợc dẫn động bằng truyền động
vít me.
Cụm di động thẳng đứng AA' và BB'
Gọi điểm A
0
là điểm cuối của thanh FA
0
và B
0
là điểm cuối của thanh
DB
0
.
Khung cấu kiện có hai vị trí làm việc biên mà cánh tay trên CD có góc
quay giới hạn trên và đầu A
0
di chuyển đến điểm cuối hành trình A' và điểm B
0

đứng ở điểm cực trên của hành trình B.
a) Sơ đồ lực:
Hệ lực cơ bản là tải tác động vào hệ thanh cấu tạo và bản thân tự trọng
của các thanh đó. Kích thớc kết cấu :
AF = BF = EB = a = 12,5 cm
EF = BD = CD = b = 50 cm

23

1
phản lực tại A, R
2
phản lực tại B
R
3
phản lực ngang tại A, R
4
phản lực ngang tại B 24H×nh 1.1.7. S¬ ®å tÝnh to¸n lùc
b) TÝnh to¸n c¸c ph¶n lùc:
- LÊy moment M
(B)
®Ó tÝnh R
1
:

1
[ 1 -
i
4
(1-tgαtgβ)] -
- m
2
[
i-1
4
.(1 - N) + m
3
[
i
4
(1+N)] - m
4
[(i - 1)(1 - N)-
i
4
(1 + N)] -

25
- m
5
[
i-1
2
(1 - N) +
i-1

3
1
4
+ m
3
1
4
N - m
4
(i - 1) + m
4
(i - 1)N + m
4
1
4
m + m
4
1
4
N - m
5
(
i-1
2
)
+ m
5
(
i-1
2

+ m
4
(1 +
1
4
) - m
5
(
1
2
+
1
4
) m
6
-
-
i
4
.( m
1
+ m
2
+ m
3
+ 4m
4
+ 3m
5
+ 4m

i
)
1
4
] = 0

Ph¶n lùc R
1
= 3,5Q - R
3
tgβ - [ m
1
(1 -
i
4
) + m
2
(
1
4
-
i
4
) + m
3
1
4
+
+ m
4

2
. LÊy moment t¹i ®iÓm A ta cã:

M
(A)
= R
2
.2aCosαCosβ + R
4
.2aCosαSinβ - Q.2l.CosαCosβ -
- m
1
. l/2.Cosϕ - m
3
.( 2aCosαCosβ - a/2. Cosγ) -
- m
2
.( 2aCosαCosβ + b/2.Cosγ) - m
4
.(l.Cosϕ + a/2.Cosγ) -
- m
5
.[l/2Cosϕ + (a + b/2)Cosγ ] - m
6
.(2lCosαCosβ) (2.31)