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 2 - ĐỀ TÀI KC.03.08
NHÓM SẢN PHẨM ROBOT SCA


2.1.3. Xác định các ma trận của Robot SCA
TM
12
2.1.4. Tính các ma trận T của Robot SCA
TM
13
2.1.5. Phơng trình động học Robot SCA
TM
14
2.2. Thiết lập bài toán động học ngợc Robot SCA
TM
15
2.3. Xây dựng mô hình động lực học Robot SCA
TM
19
III. Thiết kế cải tiến chế tạo Robot SCA
TM
khí nén 36
Phần 2:
Môđun quay dùng bánh răng con lăn
40
I. Giới thiệu chung 40
II. Nhu cầu cần có môđun quay dùng BRCL 41
III. Cấu tạo và nguyên tắc làm việc 46
3.1. Các bộ phận chủ yếu của hộp giảm tốc BRCL 46
3.2. Nguyên lý làm việc của hộp giảm tốc BRCL 48
IV. Dạng răng bánh răng con lăn 49
4.1. Dạng răng lợn sóng 49
4.2. Xây dựng biên hình răng con lăn 52
4.3. Phơng pháp chọn dạng răng hợp lý 54
4
BÁO CÁO CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THEO NHIỆM VỤ 2
CỦA ĐỀ TÀI KC.03.08

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO
NHÓM SẢN PHẨM ROBOT SCAMỞ ĐẦU

Robot SCA là loại robot thuộc nhóm robot SCARA (selective Compliance
Assembly Robot Arm) có cấu trúc động học theo kiểu cơ cấu tay máy
phỏng sinh trục đứng. SCARA là loại robot dùng để lắp ráp linh hoạt. Tuy
SCARA mới xuất hiện ở Nhật trong những năm 80, nhưng do có nhiều ưu
điểm nên nhanh chóng được nhiều nước áp dụng và cải tiến.
Có thể xếp vào nhóm robot SCARA các kiểu robot sau: Adept - One,
IBM - 7545, Intelldex 440, Rhino SCARA của Hoa Kỳ; Skilam, SR-2, Nam
Robo, Puha 2 của Nhật bản; IS 600 của Đức; Serpent của Anh v.v.
Tại Trung tâm NCKT tự
động hóa, ĐHBK - HN cũng đã thiết kế chế
tạo kiểu robot SCA là một biến thể của SCARA. Kiểu robot SCA này có
cấu hình RRRT, với 4 bậc tự do, toàn dùng động cơ bước.

5


t nội dung nghiên cứu và đã nhận được những kết quả bất ngờ và rất có ý
nghĩa không những đối với các truyền động quay trong robot mà còn có tác
dụng trong hầu hết các thiết bị máy móc hiện đại. Tóm tắt các kết quả chủ
yếu về nội dung nghiên cứu này được trình bày trong phần II của Báo cáo
về Nhiệm vụ 2 của Đề tài. 7


Sài Gòn”. Hình 2.0.6. là mô phỏng hoạt hình robot này, đó cũng là một biến
thể cỡ lớn của Robot SCARA. Kinh phí từ ngân sách SNKH được duyệt là
2,6 tỷ đồng, phần tham gia của ®¬n vÞ là 250 triệu đồng. Các thông số kỹ
thuật của robot này giới thiệu trong phần phụ lục.

10

Hình 2.0.6. Mô phỏng Robot bốc dỡ két bia
Nội dung Phần 4 của Báo cáo về Nhiệm vụ 2 của Đề tài là các kết
quả nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết, thuật toán và chương trình phần
mềm điều khiển robot SCA trong trường hợp hoạt động riêng rẽ và trong
trường hợp thao tác với dây chuyền sản xuất. Trong đó cã các vấn đề với
phương pháp giải bài toán động học thuận, bài toán động h
ọc ngược, trong
lập trình quỹ đạo cho robot, bài toán động lực học và phương pháp thực
hiện việc chọn lựa sản phẩm theo màu sắc.
Nội dung chủ yếu của Phần I đã được viết thành một luận văn thạc sĩ,
bảo vệ năm 2006.
Phần II có một sản phẩm đã trưng bày ở chợ Techmart 2003 tại Hà
Nội và được tặng thưởng Huy chương Vàng và mộ
t phần nội dung đã có
trong luận văn Thạc sĩ, bảo vệ năm 2005.
Phần IV có 2 chương trình phần mềm được cấp giấy chứng nhận bản
quyền.

11
Phần i

hình động học và động lực học của Robot sca
tm

2.1. Thit lp phng trỡnh ng hc Robot SCA
TM
2.1.1. Xác định các hệ tọa độ của robot SCA
TM
Hình 2.1.1. Hệ toạ độ của robot SCA
TM
2.1.2. Bảng thông số DH của robot SCA
TM
Khâu
i
q

i


i
a


4
*
4
q

0 0
4
d

2.1.3. Xác định các ma trận
i
A
của robot SCA
TM
d4 cố định
3
d
q
4
x
4
3
x
z
2
, ,
3
z z
4
2

CS aC
SC aS
A
−
⎡⎤
⎢⎥
⎢⎥
=
⎢⎥
⎢⎥
⎣⎦
(2.1)

22 22
22 22
2
0
0
00 10
0001
CS aC
SC aS
A
⎡⎤
⎢⎥
−
⎢⎥
=
⎢⎥
−

SC
A
d
−
⎡⎤
⎢⎥
⎢⎥
=
⎢⎥
⎢⎥
⎣⎦
(2.4)
2.1.4. TÝnh c¸c ma trËn
i
T
cña robot SCA
TM44
44
3
44
4
00
00
0010
000
CS
SC


14

44
44
2
434
43
00
00
001
000 1
CS
SC
TAA
dd
−
⎡⎤
⎢⎥
⎢⎥
==
⎢⎥
+
⎢⎥
⎣⎦
(2.7) 24 24 22
24 24 22

001
0001
qqq qqq aC aC
qqq qqq aS aS
TAT
dd
+− +− +
⎡⎤
⎢⎥
+− − +− +
⎢⎥
==
⎢⎥
−−−
⎢⎥
⎣⎦
(2.9)
2.1.5. Ph−¬ng tr×nh ®éng häc robot SCA
TM4
0001
xx x x
yy y y
zz z z
nsa p
nsa p
T
nsa p

z
x
y
z
x
y
z
x
y
z
nqqq
nqqq
n
sqqq
s qqq
s
a
a
a
paC aC
paS aS
pdd
=+


=+


=


Nh ó ký hiu trong bi toỏn ng hc thun, ta cú phng trỡnh
sau:
T
n
= A
i

i
T
n
Nhõn hai v ca phng trỡnh ny vi
1
i
A
, nhn c

nin
i
TAT
1
=

12 12 12 12 12 12 12 12 2 1 2
12 12 12 12 12 12 12 12 2 1
111
34 3 2 1 4
3
000 1

+++ +

⎢⎥
==
⎢⎥
−−− −
⎢⎥
⎣⎦
xyxyxy x y
xyxyxy x y
zz z z
Cn Sn Cs Ss Ca Sa C p S p Ca a
Sn Cn Ss Cs Sa Ca S p C p Sa
XAAT
nsa p

(2.13)
11 11 11 1 1 1
11 11 11 1 1
1
14 1 4
000 1
−
++++−
⎡⎤
⎢⎥
−+ −+ −+ −+
⎢⎥
==
⎢⎥
⎢⎥
⎣⎦

1122
cos( ) sin( ) cos( ) (2.15)
sin( ) cos( ) sin( ) (2.16)
+−=
⎧
⎪
⎨
−+ =
⎪
⎩
xy
xy
pqpqaaq
pqp qaq

2
22
11122
2
22
1122
cos( ) sin( ) cos ( ) (2.17)
sin( ) cos( ) sin ( ) (2.18)
⎧
⎡⎤
+−=
⎪⎣ ⎦
⎨
⎡⎤
⎪

1
cos( ) sin( )
2
xy y
x
xy xy xy
ppaa p
p
qq
ap p p p p p
++−
=+
++ +
(2.21)
§Æt

17
22
sin
x
xy
p
pp
ϕ
=
+
(2.22)

22
cos

2
2222
12
1
22
1
cos 1
2
ϕ
⎛⎞
++−
⎜⎟
⇒+=−
⎜⎟
+
⎝⎠
xy
xy
ppaa
q
ap p
(2.25)
2
2222 2222
12 12
1
22 22
11
2,1
22

2 222 2 222
12 12
1
22 22
11
2,1 ,
22
xy xy
x y
xy xy
ppaa ppaa
qarctg arctgpp
ap p ap p
⎛⎞
⎛⎞
++− ++−
⎜⎟
⎜⎟
=−−
⎜⎟
⎜⎟
++
⎜⎟
⎝⎠
⎝⎠
(2.28)
* T×m q
2
.
Tõ (2.15)

pp
ϕ
=
+
(2.31)

22
cos
y
xy
p
pp
ϕ
=
+
(2.32)
() ()
12
12
22 22
sin cos
xy xy
aa
qq
pp pp
ϕ
⎡⎤
⎢⎥
⇒+− =
⎢⎥

a
ap p p p
(2.34)
()
2 222
12
2
12
cos
2
+−−
⇒=
xy
p paa
q
aa
(2.35)
()
2
2222
12
2
12
1sin
2
⎛⎞
+−−
⇒− =
⎜⎟
⎜⎟

* T×m d
3

XÐt phÇn tö hµng 3 cét 4 cña hai ma trËn
14
X
vµ
1
4
T
tõ (2.14) vµ (2.8)

43
=− −
z
p dd
(2.38)
34
⇒=−−
z
dpd
(2.39)
* T×m q
4

XÐt phÇn tö hµng 2 cét 1 cña hai ma trËn
34
X
vµ
3


Tõ c¸c c«ng thøc (1.22) vµ (1.23) ta cã:
11 11
11 11
0
1
0
0
0010
0001
CS aC
SC aS
A
−
⎡⎤
⎢⎥
⎢⎥
=
⎢⎥
⎢⎥
⎣⎦
(2.43)

22 22
22 22
1
2
0
0
00 10

⎣⎦
(2.45)
44
44
3
4
4
00
00
0010
000
CS
SC
A
d
−
⎡⎤
⎢⎥
⎢⎥
=
⎢⎥
⎢⎥
⎣⎦
(2.46)
Tõ c«ng thøc (1.21) ta cã:
12 12 2 12 1 1
12 12 2 12 1 1
001
212
0

SC aSaS
AAAA
d
+
⎡⎤
⎢⎥
−+
⎢⎥
==
⎢⎥
−−
⎢⎥
⎣⎦
(2.48)

()( )
()()
124 124 21211
00123
124 124 21211
41234
34
cos sin 0
sin cos 0
001
0001
qqq qqq aC aC
qqq qqq aS aS
AAAAA
dd

−−
⎢⎥
⎣⎦
(2.50)

( ) ( )
()()
24 24 22
1123
24 24 22
4234
34
cos sin 0
sin cos 0
001
0001
qq qq aC
qq qq aS
AAAA
dd
⎡−+ −−+ ⎤
⎢⎥
−−+ − −+
⎢⎥
==
⎢⎥
−−−
⎢⎥
⎣⎦
(2.51)

−
⎡⎤
⎢⎥
⎢⎥
=
⎢⎥
⎢⎥
⎣⎦
(2.53)

21
2
0100
1000
0000
0000
D
−
⎡⎤
⎢⎥
⎢⎥
=
⎢⎥
⎢⎥
⎣⎦
(2.54)

3
0000
0000

U
theo c«ng thøc (1.31)

11 11
11 11
0
11 1 1
0
0
0000
0000
SC aS
CS aC
UDA
−− −
⎡⎤
⎢⎥
−
⎢⎥
==
⎢⎥
⎢⎥
⎣⎦
(2.57) 12 12 2 12 1 1
12 12 2 12 1 1
0
21 1 2

CS aC
UADA
−−
⎡⎤
⎢⎥
⎢⎥
==
⎢⎥
⎢⎥
⎣⎦
(2.59) 12 12 2 12 1 1
12 12 2 12 2 1
0
31 1 3
0
0
000 0
000 0
SC aSaS
C S aC aC
UDA
−−−
⎡⎤
⎢⎥
+
⎢⎥
==

000 0
000 0
000 1
000 0
UADA
⎡⎤
⎢⎥
⎢⎥
==
⎢⎥
−
⎢⎥
⎣⎦
(2.62)

()( )
()()
124 124 21211
0
124 124 21211
41 1 4
sin cos 0
cos sin 0
0000
0000
qqq qqq aS aS
qqq qqq aC aC
UDA
⎡− +− +− − − ⎤
⎢⎥


23

02
43 2 3 4
000 0
000 0
000 1
000 0
UADA
⎡⎤
⎢⎥
⎢⎥
==
⎢⎥
−
⎢⎥
⎣⎦
(2.65) ()( )
()()
124 124
03
124 124
44 3 4 4
sin cos 0 0
cos sin 0 0
0000

⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
=
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
−
⎜⎟
⎝⎠
(2.67)

2
22 22
2
22 2
11
00
32
0000
0000
1
00
2
ma ma
J
ma m
⎛⎞
−
⎜⎟

=
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
−
⎜⎟
⎝⎠
(2.69)

24
2
44 44
4
44 4
11
00
32
0000
0000
1
00
2
ml ml
J
ml m
⎛⎞
−
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟


2 2
22 221 2 2 33 321 2 1 33 2 2 44 4 33
11 1 1
32 2 3
ma maaC aml maaC amlC amlC ml=+ −+ − − +

()
22 2
44 2 3 1 44 2 4 2 4 1 2 2 4
11
cos
32
ml a m aml q q amaC a m++− −++ +
(2.72)

()( )
13 33 3 31 43 4 41
0
TT
DTrUJ TrUJ=+=UU
(2.73)
()
14 44 4 41
T
DTrUJ= U()
2


25
( ) ( )
33 33 3 33 43 4 43 3 4
TT
D TrU J TrU J m m=+=+UU
(2.78)
()
34 44 4 33
0
T
DTrUJ==U
(2.79)
()
2
44 44 4 44 4 4
1
3
T
DTrUJ ml==U
(2.80)

()
11 12 13 14
12 22 23 24
12 23 33 34
14 24 34 44
DDDD
DDDD
Dq

(2.82)
12 12 2 12 1 1
12 12 2 12 1 1
20 1
211 1 1 2
0
0
000 0
000 0
CS aCaC
SC aSaS
UDAA
−− −−
⎡⎤
⎢⎥
−−−
⎢⎥
==
⎢⎥
⎢⎥
⎣⎦
(2.83)
12 12 2 12 1 1
12 12 2 12 1 1
20 1 2
311 1 1 2 3
0
0
000 0
000 0

==
⎢⎥
⎢⎥
⎣⎦

(2.85)