Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do, LÊ THẮNG.pdf

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT
5 BẬC TỰ DO
Người hướng dẫn: ThS. NGUYỄN ĐẮC LỰC
Sinh viên thực hiện: LÊ THẮNG
NGUYỄN ĐỨC TƯỜNG
Đà Nẵng, 05/2017

TÓM TẮT
Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do
Sinh viên thực hiện: Lê Thắng – Nguyễn Đức Tường
Số thẻ sinh viên: 101120370 – 101120376
Lớp: 12CDT2
Trong đồ án tốt nghiệp này, chúng em thực hiện đề tài “thiết kế, chế tạo mô hình
cánh tay robot 5 bậc tự do” ,với mục đích ứng dụng Arduino giao tiếp máy tính, dùng
phương trình động học ngược để điều khiển cánh tay robot.
Cánh tay robot có khả năng nâng được vật có khối lượng tối đa là 0,5kg và vận
tốc các khớp tối đa là 10v/ph. Việc điều khiển thông qua bảng điều khiển trên máy
tính.
Nội dụng chương:
- Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài, lịch sử hình thành, các giai đoạn phát
triển và các loại cánh tay robot công nghiệp.
- Chương 2: Chọn phương án thiết kế, giải phương trình động học thuận, phương
trình động học nghịch.
- Chương 3: Tính toán về mặt động lực học, thiết lập sơ đồ dẫn động.
- Chương 4: Xây dựng thuật toán điều khiển, chọn phần tử cho bộ điều khiển.
- Chương 5: Chế tạo mô hình.

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌCBÁCH KHOA
KHOA CƠKHÍ
CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TT Họ tên sinh viên Số thẻ SV Lớp Ngành
1 Lê Thắng 101120370 12CDT2 Kỹ thuật cơ điện tử
2 Nguyễn Đức Tường 101120376 12CDT2 Kỹ thuật cơ điện tử
1. Tên đề tài đồ án:
Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do
2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
……………………………………..……………………………………………..……...
...…………………………………………………………………………………………
…..………………………………….…..………………………..………………………
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
a. Phần chung:
TT Họ tên sinh viên Nội dung
1 Lê Thắng
2 Nguyễn Đức Tường
b. Phần riêng:
1 Lê Thắng
5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
a. Phần chung:
1 Lê Thắng
b. Phần riêng:
1 Lê Thắng

6. Họ tên người hướng dẫn: Phần/ Nội dung:
Nguyễn Đắc Lực
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ……../……./201…..
8. Ngày hoàn thành đồ án: ……../……./201…..
Đà Nẵng, ngày tháng năm 201
Trưởng Bộ môn………………………. Người hướng dẫn

i
LỜI NÓI ĐẦU
Là sinh viên ngành Cơ Điện Tử, trải qua những năm học ở trường, chúng em đã
có những kiến thức tổng quát về Cơ khí - Điện tử - Tin học, có thể kết hợp những lĩnh
vực được học để thiết kế các thiết bị với tính năng hiện đại, hoạt động bền vững với độ
tin cậy cao.
Đồ án tốt nghiệp là cơ hội để sinh viên tự kiểm tra và áp dụng kiến thức mà mình
đã học được sau 5 năm ở trường, trong đồ án tốt nghiệp này chúng em thực hiện đề tài
“thiết kế, chế tạo mô hình cánh tay robot 5 bậc tư do”.
Với sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Đắc Lực và các thầy cô trong khoa,
sự giúp đỡ của bạn bè, kết hợp sự nỗ lực của bản thân, chúng em đã hoàn thành nhiệm
vụ thiết kế và chế tạo mô hình cánh tay Robot 5 bậc tự do theo các yêu cầu của đề tài
được giao.
Do thời gian thực hiện, cũng như mức độ rộng lớn của đề tài, dù đã cố gắng hết
sức nhưng những phương án giải quyết các vấn đề của chúng em chắc chắn không thể
tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý
thầy cô và bạn bè để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đắc Lực, các thầy cô trong khoa
cơ khí đã tạo điều kiện giúp đỡ để chúng em có thể hoàn thành được đồ án này.
Sinh viên thực hiện

ii
CAM ĐOAN
Chúng tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong đồ án này là trung
thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ đồ án một lần nào. Mọi sự giúp đỡ cho việc
thực hiện đồ án đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong đồ án đã được chỉ rõ
nguồn gốc rõ ràng và được phép công báo. Nếu không đúng như trên chúng tôi xin
chịu hoàn toàn trách nhiệm về đề tài của mình.
Sinh viên thực hiện

iii
MỤC LỤC
TÓM TẮT
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
LỜI NÓI ĐẦU.............................................................................................................i
CAM ĐOAN...............................................................................................................ii
MỤC LỤC................................................................................................................ iii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ....................................................................v
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU..................................................................................viii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY MÁY....................................................2
Lịch sử hình thành và xu hướng phát triển .......................................................2
Lịch sử...............................................................................................................2
Xu hướng phát triển ...........................................................................................3
Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp...........................................................3
Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp...............................................................3
Phân loại robot...................................................................................................4
Ứng dụng của robot ............................................................................................9
Robot công nghiệp .............................................................................................9
Robot y tế ........................................................................................................10
Robot hỗ trợ người tàn tật ................................................................................10
PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC......................12
Yêu cầu công nghệ ............................................................................................12
Sức nâng của tay máy ......................................................................................12
Số bậc tự do của phần công tác (DOF : Degrees Of Freedom)..........................12
Hệ tọa độ hoạt động (Coordinate frames).........................................................14
Trường công tác (Workspace or range of motion) ............................................15
Độ chính xác định vị........................................................................................16
Tốc độ dịch chuyển..........................................................................................16
Tính toán động học ...........................................................................................16
Bài toán động học thuận...................................................................................16
Bài toán động học ngược..................................................................................19
TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC, SỨC BỀN KẾT CẤU ....................21
Mô hình dẫn động và tỉ số truyền.....................................................................21

iv
Chọn tay kẹp..................................................................................................... 22
Nguyên tắc chung tính chọn hệ dẫn động........................................................ 22
Thiết kế chi tiết khâu 1 chứa trục khớp 2......................................................... 23
Phân tích lực do trọng trường tác dụng lên trục ............................................... 23
Tính chọn động cơ........................................................................................... 24
Thiết kế bộ truyền............................................................................................ 25
THIẾT KẾ THUẬT TOÁN, MẠCH ĐIỀU KHIỂN........................... 32
Sơ đồ điều khiển ............................................................................................... 32
Tìm hiểu bo mạch điều khiển Arduino............................................................ 33
Giới thiệu về Arduino...................................................................................... 33
Arduino UNO R3 ............................................................................................ 34
Động cơ bước và driver động cơ bước............................................................. 39
Tìm hiểu về động cơ bước............................................................................... 39
Driver động cơ bước........................................................................................ 43
Giới thiệu phần mềm Visual Studio và ngôn ngữ C#...................................... 47
Phần mềm Visual Studio ................................................................................. 47
Ngôn ngữ C#................................................................................................... 48
Thuật toán điều khiển ...................................................................................... 49
CHẾ TẠO MÔ HÌNH .......................................................................... 50
Vật liệu chế tạo ................................................................................................. 50
Đế ................................................................................................................... 50
Khâu 1............................................................................................................. 50
Khâu 2,3 (cấu tạo tương tự nhau)..................................................................... 51
Khâu 4,5.......................................................................................................... 51
Bánh răng nghiêng kết hợp với bánh đai răng.................................................. 52
Bánh đai.......................................................................................................... 52
Chọn động cơ và bộ truyền.............................................................................. 53
Chọn động cơ .................................................................................................. 53
Bộ truyền......................................................................................................... 55
Trục và gối đỡ ................................................................................................. 55
KẾT LUẬN.............................................................................................................. 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO

v
DANH SÁCH BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ
Bảng 2.1. Bảng thông số DH .....................................................................................17
Bảng 3.1. Khối lượng sơ bộ các chi tiết tính bằng phần mềm SolidWork...................23
Bảng 3.2. Bảng thông số động cơ bước......................................................................25
Bảng 4.1. Thông số làm việc của UNO R3 ................................................................34
Bảng 4.2. Bảng thông số dòng công tác của module TB6050.....................................43
Bảng 4.3. Bảng thông số dòng ngừng công tác của module TB6050..........................44
Bảng 4.4. Bảng thông số điều chỉnh bước của module TB6050 .................................44
Bảng 4.5. Bảng thông số dòng điện của module TB6050 ...........................................45
Bảng 4.6. Bảng thông số vi bước của module TB6050...............................................45
Bảng 4.7. Bảng thông số vi bước của module A4988.................................................46
Hình 1.1. Robot kiểu tọa độ Descarte...........................................................................5
Hình 1.2. Robot kiểu hệ tọa độ trụ ...............................................................................5
Hình 1.3. Robot kiểu tọa độ cầu...................................................................................6
Hình 1.4. Robot kiểu Scara ..........................................................................................6
Hình 1.5. Robot kiểu tay người....................................................................................7
Hình 1.6. Tay máy công nghiệp Dalmec ......................................................................9
Hình 1.7. Robot phẫu thuật nhi tại Bệnh viện nhi Trung Ương Việt Nam ..................10
Hình 1.8. Robot My Spoon ........................................................................................11
Hình 2.1. Mô hình động học tay máy.........................................................................14
Hình 2.2. Tọa độ suy rộng của robot..........................................................................14
Hình 2.3. Quy tắc bàn tay phải...................................................................................15
Hình 2.4. Đặt hệ tọa độ cho các khâu.........................................................................16
Hình 2.5. Hình chiếu trên mặt phẳng Oxz..................................................................19
Hình 2.6. Hình chiếu trên mặt phẳng Oxy..................................................................20
Hình 3.1. Mô hình dẫn động của tay máy...................................................................21
Hình 3.2. Tay kẹp ......................................................................................................22
Hình 3.3. Sơ đồ lực đặt vào đầu ra trục khớp 2 ở trạng thái giữ..................................24
Hình 3.4. Giao diện phần mềm geartrax.....................................................................26
Hình 3.5. Cấu tạo bộ truyền đai .................................................................................26
Hình 3.6. Màn hình khởi động CTM..........................................................................27
Hình 3.7. Giao diện nhập thông số đầu vào................................................................28
Hình 3.8. Xác nhận thông số đầu vào.........................................................................29

vi
Hình 3.9. Vật liệu bánh vít và trục vít........................................................................ 29
Hình 3.10. Số răng, hiệu suất, hệ số đường kính trục vít và hệ số tải trọng sơ bộ....... 30
Hình 3.11. Thông số kích thước bộ truyền sau khi tính lại......................................... 30
Hình 3.12. Các thông số còn lại của bộ truyền trục vít bánh vít và kiểm tra bền ........ 31
Hình 4.1. Sơ đồ khối điều khiển ................................................................................ 32
Hình 4.2. Các loại board Arduino.............................................................................. 33
Hình 4.3. Hình dáng board Arduino Uno R3 ............................................................. 35
Hình 4.4. Vi điều khiển AVR Atmega 328................................................................ 35
Hình 4.5. Cổng vào/ra của UNO R3.......................................................................... 37
Hình 4.6. Trình biên dịch Arduino ............................................................................ 38
Hình 4.7. Động cơ bước............................................................................................ 39
Hình 4.8. Nguyên lý chung của động cơ bước........................................................... 40
Hình 4.9. Cấu tạo của động cơ bước nam châm vĩnh cữu .......................................... 40
Hình 4.10. Tương quan giữa quá trình điện và quá trình cơ của động cơ bước .......... 41
Hình 4.11. Nguyên lý động cơ bước và các lực điện từ ............................................. 41
Hình 4.12. Module TB6560....................................................................................... 43
Hình 4.13. Module TB6560....................................................................................... 44
Hình 4.14. Module TB6560....................................................................................... 46
Hình 4.15. Giao diện phần mềm Visual Studio.......................................................... 47
Hình 4.16. Các phần trong chương trình C# .............................................................. 48
Hình 4.17. Cấu trúc một chương trình C#.................................................................. 48
Hình 4.18. Thuật toán điều khiển .............................................................................. 49
Hình 5.1. Phần trên đế............................................................................................... 50
Hình 5.2. Đế.............................................................................................................. 50
Hình 5.3. Thành bên.................................................................................................. 50
Hình 5.4. Đế ghép ..................................................................................................... 51
Hình 5.5. Hình dáng thành khâu 2............................................................................. 51
Hình 5.6. Hình dáng thành khâu 3............................................................................. 51
Hình 5.7. Hình dáng khâu 4,5.................................................................................... 51
Hình 5.8. Bánh răng nghiêng..................................................................................... 52
Hình 5.9. Bánh đai gắn với thành khâu 2................................................................... 52
Hình 5.10. Các bánh đai gắn với thành khâu 3........................................................... 52
Hình 5.11. Bánh đai truyền trung gian....................................................................... 53
Hình 5.12. Động cơ cho khâu 1,2,3 ........................................................................... 54
Hình 5.13. Động cơ cho khâu 4,5.............................................................................. 54
Hình 5.14. Động cơ cho tay kẹp ................................................................................ 54

vii
Hình 5.15. Trục 1.......................................................................................................55
Hình 5.16. Trục 2.......................................................................................................55
Hình 5.17. Trục 3.......................................................................................................56
Hình 5.18. Trục 4.......................................................................................................56
Hình 5.19. Trục 5.......................................................................................................56
Hình 5.20. Truc dẫn truyền ........................................................................................57
Hình 5.21. Mặt bích...................................................................................................57

viii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
STT Kí hiệu Mô tả
1 Si Sin (αi)
2 Ci Cos (αi)

SVTH: Lê Thắng - Nguyễn Đức Tường GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực 1
MỞ ĐẦU
Robot công nghiệp đã có mặt trong môi trường sản xuất từ rất lâu. Với khả năng
làm việc tự động và liên tục, cánh tay robot được ứng dụng rộng rãi trong các dây
chuyền sản xuất nhằm tự động hóa quá trình sản xuất. Do đó việc đầu tư và nghiên cứu
chế tạo ra những loại cánh tay robot phục vụ cho việc tự động hóa sản xuất là cần
thiết.
Hiện nay, lĩnh vực về Vi điều khiển được quan tâm rất nhiều và ứng dụng rộng
rãi. Arduino là một dạng của vi điều khiển được sử dụng rộng rãi vì sự thuận tiện, nhỏ
gọn, khả năng phát triển cũng như sự đa dạng các dòng sản phẩm phù hợp nhiều quy
mô ứng dụng của nó.
Trong đồ án tốt nghiệp này, chúng em thực hiện đề tài “thiết kế, chế tạo mô hình
cánh tay robot 5 bậc tự do” ,với mục đích ứng dụng Arduino giao tiếp máy tính để
điều khiển cánh tay Robot và thể hiện sự linh hoạt rất phù hợp với nhu cầu sản xuất đa
dạng trong các hệ thống từ công nghiệp cho đến dân dụng trong thực tế.
Thuyết minh của chúng em gồm các chương:
- Chương 1: Tổng quan về cánh tay máy
- Chương 2: Phương án thiết kế, tính toán động học
- Chương 3: Tính toán động lực học, sức bền kết cấu
- Chương 4: Thiết kế thuật toán, mạch điều khiển
- Chương 5: Chế tạo mô hình

Lịch sử hình thành và xu hướng phát triển
Lịch sử
Thuật ngữ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rosum’s
Universal Robot” của Karel Capek. Theo tiếng Czech thì Robot là người làm tạp dịch.
Trong tác phẩm này nhân vật Rosum và con trai ông đã tạo ra những chiếc máy gần
giống như con người để hầu hạ con người.
Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực. Ngay
sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Mỹ đã xuất hiện những tay máy chép hình điều
khiển từ xa, trong các phòng thí nghiệm phóng xạ.
Năm 1959, Devol và Engelber đã chế tạo Robot công nghiệp đầu tiên tại công ty
Unimation.
Tiếp theo Mỹ, các nước khác cũng bắt đầu sản xuất Robot Công Nghiệp: Anh –
(1967), Thụy Điển – (1968), CHLB Đức – (1971), Pháp – (1972), Ý – (1973),…
Năm 1967, Nhật Bản mới nhập chiếc Robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF
(American Machine and Foundry Company) của Mỹ. Đến năm 1990 có hơn 40 công
ty của Nhật, trong đó có những công ty khổng lồ như Hitachi, Mitsubishi và Honda đã
đưa ra thị trường nhiều loại Robot nổi tiếng.
Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều
đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc.
Năm 1967, tại trường đại học tổng hợp Stanford, người ta đã tạo ra loại Robot lắp ráp
tự động điều khiển bằng vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị
giác. Vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo Robot có các cảm biến xúc giác và
cảm biến lực điều khiển bằng máy vi tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết.
Năm 1976, hãng General Motor đã chế tạo thành công cánh tay robot được sử
dụng trên tàu Viking của cơ quan hàng không vũ trụ NASA nhằm lấy mẫu đất trên sao
hỏa.
Những năm 90 do áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoa học về vi xử lý và công nghệ
thông tin, số lượng Robot công nghiệp đã tăng nhanh, giá thành giảm đi rõ rệt, tính
năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ vậy, Robot công nghiệp đã có vị trí quan
trọng trong các dây truyền sản xuất hiện đại. Ngày nay, chuyên ngành khoa
học nghiên cứu về Robot “Robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng trong khoa học,
bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm
biến tín hiệu, điều khiển chuyển động v.v…

Xu hướng phát triển
Robot đã có những tiến bộ đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua. Robot đầu tiên
được ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm các
công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại. Do nhu cầu cần sử dụng
ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp nên robot công nghiệp cần có
những khả năng thích ứng linh họat và thông minh hơn.
Có thể kể đến một số loại robot được quan tâm nhiều thời gian qua là: Tay máy
robot (Robot Manipulators), Robot di động (Mobile Robots), Robot phỏng sinh học
(Bio Inspired Robots) và Robot cá nhân (Personal Robots). Robot di động được nghiên
cứu nhiều như xe tự hành trên mặt đất AGV (Autonomous Guided Vehicles), Robot tự
hành dưới nước AUV (Autonomous Underwater Vehicles), Máy bay không người lái
UAV (Unmanned Arial Vehicles). Với Robot phỏng sinh học, các nghiên cứu thời
gian qua tập trung vào 2 loại chính là Robot đi (Walking robots) và Robot dáng người
(Humanoid Robots). Bên cạnh đó, các loại robot phỏng sinh học dưới nước như robot
cá, các cấu trúc chuyển động phỏng theo sinh vật biển cũng được nhiều nhóm nghiên
cứu phát triển. Hiện nay các ứng dụng của robot đang có xu thế chuyển sang các ứng
dụng thường nhật như Robot gia đình (home robots) và Robot cá nhân (Personal
robots). Mặc dù về cấu trúc của các loại robot có khác nhau nhưng các nghiên cứu
hiện nay đều hướng về các ứng dụng dịch vụ và hoạt động của robot trong các môi
trường tự nhiên. Với sự phát triển của xã hội và quá trình hiện đại hóa ở các nước phát
triển thì nhiều dịch vụ mới được hình thành làm thay đổi quan điểm về robot từ robot
phục vụ công nghiệp sang robot phục vụ cho các nhu cầu xã hội và nhu cầu cá nhân
của con người.
Ngày nay, ngoài ứng dụng sơ khai ban đầu của robot trong chế tạo máy thì các
ứng dụng khác như trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng,
an ninh quốc phòng và gia đình đang có nhu cầu gia tăng đang là động lực cho các
robot địa hình và robot dịch vụ phát triển.
Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp
Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp
Kết cấu chung
Một Robot Công Nghiệp được cấu thành bởi các hệ thống sau:
+ Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình
thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt vá
bàn tay (End Effecr) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng.

+ Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực
của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thủy lực, khí nén hoặc kết hợp giữa
chúng.
+ Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết
khác. Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ
cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường.
+ Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát vá
điều khiển hoạt động của robot.
Kết cấu tay máy
Tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của Robot.
Các kết cấu của nhiều tay máy được phỏng theo cấu tạo và chức năng của tay người;
tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay Robot có hình
dáng rất khác xa cánh tay người. Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta cần quan
tâm đến các thông số hình - động học, là những thông số liên quan đến khả năng làm
việc của Robot như: Tầm với (hay trường công tác), số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo
linh hoạt của Robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp, . . .
Các khâu của Robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản:
+ Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Descarte, thông
thường tạo nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu là T hoặc P.
+ Chuyển động quay quanh các trục x, y, z ký hiệu là R.
Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có các
kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thường gặp của Robot là
robot kiểu toạ độ Descarte, toạ độ trụ, toạ độ cầu, Robot kiểu SCARA, kiểu tay
người...
Phân loại robot
Phân loại theo dạng không gian hoạt động
* Tọa độ Descarte
Tay máy kiểu tọa độ Descarte là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo
phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình T.T.T). Trường công tác có dạng khối
chữ nhật. Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ
khí dễ đảm bảo vì vậy nó thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt
phẳng.

Hình 1.1. Robot kiểu tọa độ Descarte
* Robot tọa độ trụ
Tay máy kiểu tọa độ trụ khác với kiểu tay máy Descartes ở khớp đầu tiên, dùng
khớp quay thay cho khớp trượt. Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng. Khớp
trượt nằm ngang cho phép tay máy thò được vào trong khoảng nằm ngang. Độ cứng
vững của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng, nhưng độ chính xác định vị trong mặt
phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng.
Hình 1.2. Robot kiểu hệ tọa độ trụ
* Robot tọa độ cầu
Tay máy kiểu tọa độ cầu khác với kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được
thay bằng khớp quay. Nếu quỹ đạo của phần công tác được mô tả trong tọa độ cầu thì
mỗi bậc tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc của nó là
một khối trụ rỗng. Độ cứng vững của tay máy này thấp hơn hai loại trên và độ chính
xác phụ thuộc vào tầm với. Tuy nhiên loại này có thể gắp được các vật dưới sàn.

Hình 1.3. Robot kiểu tọa độ cầu
* Robot kiểu Scara
Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanaski ( Nhật Bản)
dùng cho công việc lắp ráp. Đó là kiểu tay máy đặc biệt gồm hai khớp quay và một
khớp trượt, nhưng cả ba khớp đều có trục song song với nhau. Kết cấu này làm cho tay
máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững hơn theo phương
được chọn, là phương ngang. Loại này chuyên dùng trong công việc lắp ráp với tải
trọng nhỏ theo phương thẳng đứng. Từ SCARA là viết tắt của chữ “Selective
Compliance Articulated Robot Actuato” để mô tả các đặc điểm trên.
Hình 1.4. Robot kiểu Scara
* Robot kiểu tay người
Tất cả các khớp đều là khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với hai trục
kia. Do sự tương tự giữa tay người, khớp thứ hai được gọi là khớp vai (Shoulder joint),
khớp thứ ba là khớp khủy (Elbow joint), nối cẳng tay với khủy tay. Tay máy làm việc
rất khéo léo. Nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vị trí của vùng làm việc.

Hình 1.5. Robot kiểu tay người
Toàn bộ kết cấu ở trên mới chỉ liên quan đến khả năng định vị của phần công tác.
Muốn định vị nó, cần bổ sung cổ tay. Muốn định hướng tùy ý phần công tác, cổ tay
phải có ít nhất ba chuyển động quay quanh ba trục vuông góc với nhau.
Phân loại theo điều khiển
Có 2 loại điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín.
* Điều khiển hở
- Dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén…) mà
quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số sung điều khiển. Kiểu điều khiển này
đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp.
* Điều khiển kín (hay điều khiển servo):
- Sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển. Có 2 kiểu điều
khiển servo: điều khiển điểm-điểm và điều khiển theo đường (contour).
+ Với kiểu điều khiển điểm-điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến
điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao. Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng. Kiểu
điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh,…
+ Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất
kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các robot
hàn hồ quang, phun sơn.
Phân loại theo thế hệ
* Robot thế hệ thứ nhất
- Sử dụng cơ cấu cam với công tắc giới hạn hành trình.
- Điều khiển vòng hở
- Có thể sử dụng băng từ hoặc băng đục lỗ để đưa chương trình vào bộ điều
khiển, tuy nhiên không thể thay đổi chương trình được.

- Sử dụng phổ biến trong công việc gắp đặt (pick and place)
* Robot thế hệ thứ hai
- Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy
- Có thể tự ra quyết định lựa chọn chương trình đáp ứng dựa trên tín hiệu phản
hồi từ cảm biến nhờ các chương trình đã được cài đặt từ trước
- Hoạt động của robot có thể lập trình được nhờ các công cụ như bàn phím, panel
điều khiển
* Robot thế hệ thứ ba
- Có những đặc điểm như loại trên và điều khiển hoạt động trên cơ sở xử lý thông
tin thu nhận được từ hệ thống thu nhận hình ảnh
- Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp như phân biệt các đối tượng có hình
dạng và kích thước khá khác biệt nhau
* Robot thế hệ thứ tư
- Có những đặc điểm tương tự như thế hệ thứ hai và thứ ba, có khả năng tự lựa
chọn chương trình hoạt động và lập trình lại cho các hoạt động dựa trên các tín hiệu
thu nhận được từ cảm biến.
- Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tương đối lớn để giải các bài toán tối ưu với điều
khiện biên không đươc xác định trước. Kết quả của bài toán sẽ là một tập hợp các tín
hiệu điều khiển các đáp ứng của robot.
Phân loại theo hệ thống truyền động
Có các dạng truyền động phổ biến là:
- Hệ truyền động điện: thường dùng các động cơ điện 1 chiều (DC: direct
current) hoặc các động cơ bước (step motor). Loại truyền động này dễ điều khiển, kết
cấu gọn.
- Hệ truyền động thuỷ lực: có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều
kiện làm việc nặng. Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn tại
độ phi tuyến lớn khó xử lý khi điều khiển.
- Hệ truyền động khí nén: có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược
nhưng lại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén. Hệ này làm việc với công suất
trung bình và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động theo
chương trình định sẵn với các thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống” (pick and place
or point to point).
Phân loại theo ứng dụng
Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có robot sơn, robot hàn, robot lắp
ráp, robot chuyển phôi v.v...

Ứng dụng của robot
Robot công nghiệp
Tay máy công nghiệp được chế tạo, sử dụng từ những năm 1960. Giai đoạn đầu,
tay máy được sử dụng nhiều trong công nghiệp chế tạo ô tô. Nhu cầu thực tế của công
nghiệp chế tạo ô tô đòi hỏi phải nghiên cứu các phương pháp chuẩn định để giảm sai
số do tính bất định của mô hình động học robot gây nên. Tiếp đến là các phương pháp
thiết kế quỹ đạo và điều khiển chuyển động của tay máy. Thiết kế quỹ đạo là tìm quy
luật chuyển động của các khớp robot sao cho quỹ đạo của đầu tay nắm robot trong
không gian 3D đi được từ điểm đầu đến điểm cuối tránh được các vật cản và không bị
rơi vào các điểm kỳ dị. Điều khiển chuyển động robot là một hướng nghiên cứu phát
triển mạnh và ngày càng phong phú. Robot có hệ động lực phi tuyến, nhiều đầu vào/ra,
có nhiều tham số bất định như mô men quán tính, ma sát, độ rơ của các khớp đòi hỏi
các phương pháp điều khiển phải có tính bền vững cao. Các thuật toán điều khiển
robot liên tục được nghiên cứu và ứng dụng từ đơn giản như PD, PID đến phức tạp
như các hệ tự thích nghi, hoặc các phương pháp điều khiển thông minh sử dụng mạng
nơ-ron nhân tạo, thuật gen và điều khiển mờ... Nghiên cứu điều khiển lực/momen ở
robot cũng rất được quan tâm do robot phải tham gia vào quá trình sản xuất, tiếp xúc
với môi trường trong quá trình thực thi nhiệm vụ. Có nhiều phương pháp điều khiển
lực như điều khiển nhúng, điều khiển lai hoặc dùng các cơ cấu tay nắm có độ nhún
nhất định cho các ứng dụng lắp ráp. Từ năm 1990, ứng dụng của robot công nghiệp đã
lan sang các lĩnh vực sản xuất ngoài ngành chế tạo máy như ứng dụng trong sản xuất
thực phẩm và dược phẩm. Lúc này, độ linh hoạt của robot được nâng cao để đáp ứng
sự thay đổi của môi trường sản xuất có nhiều bất định. Các phương pháp của trí tuệ
nhân tạo được đưa vào robot như khả năng tự học, suy diễn và tự giải quyết vấn đề.
Ngoài ra việc áp dụng các cảm biến như thị giác máy, xúc giác và đo lực/mô men làm
tăng khả năng thích ứng với môi trường thay đổi của robot.
Hình 1.6. Tay máy công nghiệp Dalmec

Robot y tế
Từ những năm 90 robot đã được nghiên cứu áp dụng vào lĩnh vực y tế không
phải để thay thế các bác sỹ mà để hỗ trợ họ trong các thao tác đòi hỏi sự chính xác và
tính chuyên nghiệp cao. Nhiều lĩnh vực khác trong y tế cũng được robot hỗ trợ như các
robot phục vụ ở các lab xét nghiệm y tế, robot mổ, robot dạy mổ, robot điều trị và tư
vấn từ xa, robot hỗ trợ người tàn tật và robot dịch vụ trong bệnh viện. Robot y tế có
thể phân loại theo cấu trúc cơ khí, mức độ tự động, chức năng xử lý và môi trường
hoạt động. Các robot mổ hiện nay đã đạt được độ chính xác cỡ milimet. Các nghiên
cứu phát triển về robot y tế hiện nay nhằm bảo đảm độ an toàn cho bệnh nhân, có độ
chính xác cao với giá thành cạnh tranh. Các vấn đề về tương tác người-máy, xử lý ảnh
động 3D y tế với độ phân giải cao, điều chỉnh lực và giao tiếp ngôn ngữ tự nhiên là
một số vấn đề robot y tế rất cần các nghiên cứu sâu. Robot y tế được sử dụng ngày
càng nhiều ở các bệnh viện. Tuy nhiên còn nhiều rào cản xã hội và giải pháp kỹ thụât
chưa hoàn hảo cản trở việc ứng dụng đại trà robot trong lĩnh vực y tế.
Hình 1.7. Robot phẫu thuật nhi tại Bệnh viện nhi Trung Ương Việt Nam
Robot hỗ trợ người tàn tật
Robot hỗ trợ người tàn tật đã có lịch sử phát triển từ những năm 60 nhưng đến
ngày nay mới có những robot thương phẩm đầu tiên. Các tay chân tay giả mềm dẻo
với nhiều bậc tự do, các robot hỗ trợ người tàn tật ở bệnh viện và ở nhà là một số ví dụ
về robot loại này. So với robot công nghiệp thì robot hỗ trợ người tàn tật ít phát triển
hơn mặc dù chúng có nhiều nét tương đồng. Ứng dụng của robot hỗ trợ người tàn tật
khác với robot công nghiệp ở chỗ nó đòi hỏi sự hợp tác của người sử dụng; hoạt động
chậm hơn nhưng thích ứng với chuyển động của người dùng hơn, mang tính dịch vụ
và thân thiện với con người hơn. Các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ở robot hỗ trợ
người tàn tật là tính linh hoạt thích ứng với môi trường thay đổi, vấn đề điều khiển và
giao diện thân thiện với người dùng. Thiết kế robot hỗ trợ người tàn tật đòi hỏi có tính
cộng năng nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ theo quan điểm thiết kế hệ cơ điện tử.

Gần đây Đại học Johns Hophins (Mỹ) triển khai dự án phát triển tay giả được điều
khiển bằng não trị giá 34,5 triệu USD. Đây là một cánh tay robot 22 bậc tự do, khối
lượng như tay người, và khả năng chuyển động các ngón tay tinh xảo gần như tay
người…
Hình 1.8. Robot My Spoon

PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC
Yêu cầu công nghệ
Robot cần thiết kế là robot dùng trong lắp ráp các chi tiết cơ khí tương đối nhẹ,
có thể đặt trong những nơi khác nhau với các công việc khác nhau, các yêu cầu kỹ
thuật cụ thể như sau:
Sức nâng của tay máy
Đó là khối lượng lớn nhất của vật thể mà robot có thể nâng được (không kể khối
lượng của các cơ cấu trong tay máy) trong điều kiện nhất định, ví dụ khi tốc độ dịch
chuyển cao nhất hoặc khi tay với dài nhất. Nếu robot có nhiều tay thì đó là tổng sức
nâng của các cánh tay. Thông số này quan trọng với các robot vận chuyển, xếp dỡ, lắp
ráp,… Dải sức nâng của tay máy thay đổi rất rộng từ 0.1 đến hàng nghìn kilogram.
Các robot có sức nâng lớn thường dùng hệ truyền động thủy lực và điện, trong đó tỉ lệ
dùng động cơ điện ngày càng tăng. Truyền động khí nén cho đến nay vẫn dùng nhiều
trong robot công nghiệp nhưng chủ yếu với các robot có sức nâng dưới 40kg.
Đối với một số kiểu robot, ngoài sức nâng, người ta còn quan tâm đến lực hoặc
momen lớn nhất mà cánh tay hoặc bàn tay có thể sinh ra.
Robot làm việc trong phòng thí nghiệm đảm nhận một công đoạn trong một dây
chuyền sản xuất (CIM). Vì vậy tay máy chỉ nâng các vật có khối lượng vừa đủ với các
hình dạng khác nhau.
Với những yêu cầu đó, ta chọn sức nâng tay máy là 0,5kg.
Số bậc tự do của phần công tác (DOF : Degrees Of Freedom)
Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc
tịnh tiến). Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của
robot phải đạt được một số bậc tự do. Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do
đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức:
W = 6n - 
=
5
1
i
i
ip
(2-1)
Trong đó: n – là số khâu động
pi – là số khớp loại i
Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến
(khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động. Đối với cơ cấu hở, số bậc
tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động.

Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tuỳ ý trong không gian
3 chiều, robot cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để
định hướng. Một số công việc đơn giản nâng hạ, sắp xếp... có thể yêu cầu số bậc tự do
ít hơn. Các robot hàn, sơn... thường yêu cầu 6 bậc tự do. Trong một số trường hợp cần
sự khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hoá quỹ đạo,... người ta dùng robot với
số bậc tự do lớn hơn 6.
Robot thiết kế được sử dụng trong lắp ráp nên yêu cầu có độ linh hoạt cao. Ta
cùng đặt ra một công việc cụ thể thường thấy trong quá trình lắp ráp của robot.
Giả sử bài toán đặt ra là hàng loạt chi tiết lập phương trên mặt bàn theo các hướng
không giống nhau và trong không gian đầy các vật cản. Nhiệm vụ của robot là phải
thực hiên công việc đặt các chi tiết thứ tự theo một hướng nhất định mà không xảy ra
va chạm với các vật cản.
Robot phải có xoay tay để xoay các đối tượng theo yêu cầu đặt ra. Vì vật khớp
phải có là khớp xoay tay. Khớp này được thiết kế là khớp quay.
Robot cần tiếp cận đối tượng nên cần 2 khớp loại 5 là khớp vai và khớp khuỷu
tay. Đồng thời để tránh chướng ngại, hoạt động linh hoạt, robot cần thêm khớp cổ tay
bố trí sao cho khớp cổ tay song song với hai khớp vai và khuỷu tay.
Vùng làm việc chỉ là một mặt phẳng, nên muốn tăng vùng làm việc robot, ta thiết
kế một bậc tự do xoay quanh trục với trục vuông góc với mặt phẳng nằm ngang để
biến vùng làm việc từ một mặt phẳng thành một phần của hình cầu. Theo phân tích, ta
dùng khớp loại 5.
Vậy tổng số bậc tự do thiết kế là 5, tất cả các khớp đều là khớp loại 5. Các khớp
quay đó bao gồm:
+ Khớp cơ sở (vai)
+ Khớp vai
+ Khớp khuỷu tay
+ Khớp cổ tay
+ Khớp xoay tay

Hình 2.1. Mô hình động học tay máy
Hệ tọa độ hoạt động (Coordinate frames)
Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các khớp
(joints), tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên.
Hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn). Các hệ
toạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng. Trong từng
thời điểm hoạt động, các toạ độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển
dịch dài hoặc các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay. Các toạ độ
suy rộng còn được gọi là biến khớp.
Hình 2.2. Tọa độ suy rộng của robot
Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo qui tắc bàn tay phải:
Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xoè 3 ngón : cái, trỏ và
giữa theo 3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của trục z,
thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị phương, chiều của
trục y.
Trong robot ta thường dùng chữ O và chỉ số n để chỉ hệ toạ độ gắn trên khâu thứ
n. Như vậy hệ toạ độ cơ bản (hệ toạ độ gắn với khâu cố định) sẽ được ký hiệu là O0;

hệ toạ độ gắn trên các khâu trung gian tương ứng sẽ là O1, O2,..., On-1, Hệ toạ độ gắn
trên khâu chấp hành cuối ký hiệu là On.
Hình 2.3. Quy tắc bàn tay phải
Theo phương án bố trí các khớp của robot ta đã chọn thì các kiểu tọa độ mà robot
hoạt động là loại tọa độ góc. Loại hình này robot có tính linh hoạt cao hơn, khả năng di
chuyển theo những quỹ đạo phức tạp hơn và có khả năng tránh các vật cản tốt hơn.
Cấu hình của loại robot sẽ thiết kế là robot loại RRR.RR. Ba bậc tự do đầu tiên
đảm nhiệm việc di chuyển nhanh đến đối tượng thao tác. Kết hợp thêm khớp thứ tư để
robot có khả năng di chuyển những quỹ đạo phức tạp như tịnh tiến theo phương của ba
trục. Còn khớp cuối cùng có nhiệm vụ hướng đối tượng thao tác theo một hướng nhất
định là thuận tiện nhất.
Trường công tác (Workspace or range of motion)
Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của robot là toàn bộ
thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động
có thể. Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các
ràng buộc cơ học của các khớp; ví dụ, một khớp quay có chuyển động nhỏ hơn một
góc 3600. Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác của một
robot.
Khi nói đến vùng công tác của tay máy, người ta quan tâm đến cả thể tích và hình
dạng của nó.
Một thông số khác liên quan đến vùng công tác của tay máy là tầm với của cánh
tay. Tăng tầm với sẽ gây nên sự mất ổn định của tay máy khi làm việc.
Do robot hoạt động theo kiểu tọa độ góc nên vùng làm việc của robot gần giống
một phần hình cầu. Vùng làm việc của robot khá rộng so với kích thước của các robot
làm theo kiểu tọa độ khác.

Độ chính xác định vị
Độ chính xác định vị thể hiện khả năng đối tượng đạt được độ chính xác tới điểm
đích. Đó là thôi số rất quan trọng, ảnh hưởng đến thao tác chính xác của phần công tác
và khả năng bám quỹ đạo của nó
Đối với thiết bị điều khiển số, độ chính xác định vị liên quan đến 2 thông số là
độ phân giải điều khiển (control resolution) và độ lặp lại (respeatability)
Tùy theo yêu cầu công nghệ, người ta dùng các robot có độ chính xác định vị
trong khoảng (0.05-5) mm. Với khả năng của máy tính và các thiết bị điều khiển hiện
nay thì việc giảm sai số định vị xuống 0.5 mm không gây vấn đề về kinh tế và kỹ
thuật.
Ở đây độ chính xác định vị cần thiết là 1 mm.
Tốc độ dịch chuyển
Về năng suất, người ta mong muốn tốc độ dịch chuyển của phần công tác hoặc
từng khâu càng cao càng tốt. Tuy nhiên, xét về mặt cơ học, tốc độ cao sẽ gây dẫn đến
các vấn đề như giảm tính ổn định, lực quán tính lớn, sự hao mòn nhanh của các cơ
cấu,…
Về điều khiển, với độ phân giải nhất định của bộ điều khiển, muốn tăng tốc độ
dịch chuyển có thể làm giảm độ chính xác định vị. Vì vậy, vấn đề chọn tốc độ dịch
chuyển hợp lý luôn phải được đặt ra khi thiết kế cũng như lựa chọn robot.
Vì vậy chọn vận tốc các khớp của robot tối đa 10 vòng/phút.
Tính toán động học
Bài toán động học thuận
*Thiết lập hệ phương trình động học của robot
- Chọn hệ tọa độ cơ sở, gắn các hệ tọa độ trung gian lên các khâu
Hình 2.4. Đặt hệ tọa độ cho các khâu

- Lập bảng thông số DH:
Bảng 2.1. Bảng thông số DH
Khâu ai αi di θi
1 0 900 h1 θ1
∗
2 h2 0 0 θ2
∗
3 h3 0 0 θ3
∗
4 0 900 0 θ4
∗
5 0 0 h4 θ5
∗
* Xác định các ma trận Ai
Từ công thức tổng quát:
Ai = [
cosθ −sinθcosα
sinθ cosθcosα
sinθsinα a cosθ
−cosθsinα a sinθ
0 sinα
0 0
cosα d
0 1
] (2 − 2)
Ta có các ma trận Ai (i = 1÷5):
A1 = [
C1 0
S1 0
S1 0
−C1 0
0 1
0 0
0 h1
0 1
]
A2 = [
C2 −S2
S2 C2
0 h2 C2
0 h2 S2
0 0
0 0
1 0
0 1
]
A3 = [
C3 −S3
S3 C3
0 h3 C3
0 h3 S3
0 0
0 0
1 0
0 1
]
A4 = [
C4 0
S4 0
S4 0
−C4 0
0 1
0 0
0 0
0 1
]
A5 = [
C5 −S5
S5 C5
0 0
0 0
0 0
0 0
1 h4
0 1
]
* Tính các ma trận T và viết phương trình động học robot
4
T5 = A5 = [
C5 −S5
S5 C5
0 0
0 0
0 0
0 0
1 h4
0 1
]

3
T5 = A4A5 = [
C4 0
S4 0
S4 0
−C4 0
0 1
0 0
0 0
0 1
] [
C5 −S5
S5 C5
0 0
0 0
0 0
0 0
1 h4
0 1
]
= [
C4C5 −C4S5
S4C5 −S4S5
S4 h4S4
−C4 −h4C4
S5 C5
0 0
0 0
0 1
]
2
T5 = A3A4A5 = [
C3 −S3
S3 C3
0 h3 C3
0 h3 S3
0 0
0 0
1 0
0 1
] [
C4C5 −C4S5
S4C5 −S4S5
S4 h4S4
−C4 −h4C4
S5 C5
0 0
0 0
0 1
]
= [
C3C4C5 − S3S4C5 −C3C4S5 + S3S4S5
S3C4C5 + C3S4C5 −S3C4S5 − C3S4S5
C3S4 + S3C4 h4C3S4 + h4S3C4 + h3C3
S3S4 − C3C4 h4S3S4 − h4C3C4 + h3S3
S5 C5
0 0
0 0
0 1
]
= [
C34C5 −C34S5
S34C5 −S34S5
S34 h4S34 + h3C3
−C34 −h4C34 + h3S3
S5 C5
0 0
0 0
0 1
]
1
T5 = A2A3A4A5 = A2. 2
T5
= [
C2 −S2
S2 C2
0 h2 C2
0 h2 S2
0 0
0 0
1 0
0 1
] [
C34C5 −C34S5
S34C5 −S34S5
S34 h4S34 + h3C3
−C34 −h4C34 + h3S3
S5 C5
0 0
0 0
0 1
]
= [
C234C5 −C234S5
S234C5 −S234S5
S234 h4S234 + h3C234 + h2C2
−C234 −h4C234 + h3S234 + h2S2
S5 C5
0 0
0 0
0 1
]
T5 = A1A2A3A4A5 = A1. 1
T5
Nhân A1 với 1
T5 sau đó cân bằng với các phần tử T5 = [
nx ox
ny oy
ax px
ay py
nz oz
0 0
az pz
0 1
] ta có
phương trình động học của robot:
nx = C1C2C3C4C5 – C1S2S3S4C5 - C1C2S3S4C5 - C1S2C3S4C5 + S1S5
ny = S1C2C3C4C5 - S1S2S3S4C5 - S1C2S3S4C5 - S1S2C3S4C5 - C1S5
nz = S2C3C4C5 + C2S3C4C5 - S2S3S4C5 + C2C3S4C5
ox = -C1C2C3C4S5 + C1S2S3C4C5 - C1C2S3S4S5 - C1S2C3S4S5 + S1C5
oy = -S1C2C3C4S5 + S1S2 S3S4C5 + S1C2S3S4S5 + S1S2C3S4S5 - C1C5
oz = -S2C3C4C5 - C2S3C4S5 + S2S3S4S5 - C2C3S4C5
ax = C1C2C3S4 - C1S2S3S4 + C1C2S3S4 + C1S2C3C4

ay = S1C2C3S4 - S1S2S3S4 + S1C2S3C4 + S1S2C3C4
az = S2C3S4 + C2 S3S4 + S2S3C4 - C2C3C4
px = h4C1S2S3S4 - h4C1S2S3S4 + h4C1C2S3C4 + h4C1C2C3S4 + h3C1C2C3C4 - h3C1C2S3S4
– h3C1S2S3C4 – h3C1S2C3S4 + h2C1C2
py = h4S1S2S3S4 - h4S1S2S3S4 + h4S1C2S3C4 + h4S1C2C3S4 + h3S1C2C3C4 - h3S1C2S3S4
–h3S1S2S3C4 – h3S1S2C3S4 + h2S1C2
pz = - h4C2C3C4 + h4C2S3S4 + h4S2S3C4 + h4S2C3S4 + h3S2S3S4 – h3S2S3S4 + h3C2S3C4
+ h3C2C3S4 + h2C2 + h1
Bài toán động học ngược
Giải phương trình động học của robot bằng phương pháp hình học, chúng ta cần
tìm ra các biến khớp khi đã biết ma trận vectơ cuối T5.
T5 = [
nx ox
ny oy
ax px
ay py
nz oz
0 0
az pz
0 1
].
Chúng ta cần tìm ra các biến khớp khi đã biết tọa độ khâu chấp hành cùng với
hướng tiếp cận vật.
Với X = px
Y = py
Z = pz
Hình 2.5. Hình chiếu trên mặt phẳng Oxz
* Tính θ1:
X2=X’−dg.cosθg
Z2=Z−dg.sinθg
β=arctan(Z2/X2)
d22=d12+L2−2.L.d1.cosα
Z
X
(X,Z)
(X2,Z2)
(X1,Z1)
ß
a
01
0
2
0
g
dg
d1
d2
L

α=arccos(d12+L2−d22)/(2.L.d1))
θ1=π/2−α−β
* Tính θ2:
X1=d1.cos(α+β)
Z1=d1.sin(α+β)
θ2=arctan((Z2−Z2)/(X2−X1))
* Tính θ0:
Hình 2.6. Hình chiếu trên mặt phẳng Oxy
θ0=arctan(Y/X)
L=(L+ΔL).cos(θ0)
* Tính X’
X=(X’).cos(θ0)
X’=X/cosθ0
X
Y
? L
(X,Y)
(XL,YL)
00
L

TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC, SỨC BỀN KẾT CẤU
Mô hình dẫn động và tỉ số truyền
Hình 3.1. Mô hình dẫn động của tay máy
Vì kết cấu của robot khá dài nên sử dụng bộ truyền đai (ở đây dùng bộ truyền đai
răng) để dẫn động. Bộ truyền đai răng có ưu điểm là nhẹ, không bị trượt, lực căng đai
nhỏ nên lực tác dụng lên trục và các ổ không lớn, kéo dài khoảng cách trục nên ta có
thể thiết kế các khâu dài ra nhằm tăng trường công tác , ta có thể bố trí động cơ có
khối lượng lớn về khâu 1 làm giảm momen quán tính mục đích là để giảm tải trọng
cho cơ cấu truyền động.
Trong đó, chọn hộp giảm tốc phụ thuộc tốc độ động cơ bước và yêu cầu vận tốc
góc của các khớp cánh tay. Tốc độ yêu cầu của mỗi khớp là 10 vòng/phút, với tốc độ
tối đa của động cơ bước ta chọn 600 vòng/phút. Nếu chọn tốc độ lớn hơn có thể không
đảm bảo về momen lực. Để lựa chọn chính xác ta phải tìm ra được đồ thị mô men –
vận tốc của động cơ nhưng thường thì trong catalog của các hãng không đưa ra. Do
đó:
DC2
DC5
DC3 DC4
DC6
TRUC 4
TRUC 3
TRUC 2
TRUC 1
TAY KEP
DC1
TRUC 2'
TRUC 3'

+ Khớp quay thứ năm và khớp thứ tư được dẫn động qua bộ truyền đai răng với
tỉ số truyền 1:2 vì khớp này rất nhẹ nên ta ko dùng hộp giảm tốc
+ Khớp quay thứ ba được dẫn động qua bộ truyền đai răng với tỉ số truyền 1:1 và
hộp giảm tốc với tỉ số truyền 1:60.
+ Khớp quay thứ hai được dẫn động qua bộ truyền đai răng với tỉ số truyền 1:1
và hộp giảm tốc với tỉ số truyền 1:60.
+ Khớp quay thứ nhất được dẫn động qua bộ truyền bánh răng với tỉ số truyền
1:6
Ta chọn các tỉ số truyền giống nhau để thuận lợi cho việc chọn động cơ và việc
điều khiển.
Chọn tay kẹp
Thiết kế tay kẹp bằng bộ truyền trục vít – bánh vít, tay kẹp này có ưu điểm là đơn
giản, dễ chế tạo.
Hình 3.2. Tay kẹp
Tay kẹp này thích hợp để kẹp vật có nhiều hình dạng khác nhau kích thước
10cm, khối lượng 0,5kg. Lực kẹp trong tối đa 40N. Khối lượng tay kẹp là 250g.
Nguyên tắc chung tính chọn hệ dẫn động
Thiết kế chi tiết từng khâu, khớp từ khớp trên cùng xuống khớp thấp nhất
Thiết kế chi tiết hệ dẫn động và kết cấu cho từng khâu, khớp theo các bước sau:
- Chọn vị trí nguy hiểm nhất, lực ma sát trên ổ trục sinh ra lớn nhất và momen
sinh ra do trọng lượng của khâu tiếp theo là lớn nhất. Thông thường là vị trí cánh tay
nằm ngang.
- Vẽ sơ đồ phân bố lực và tính được momen sinh ra trên trục.
- Chọn động cơ bước theo momen làm việc, tốc độ, độ phân giải, kích thước cánh
tay…

- Phân phối lại tỉ số truyền nếu cần.
- Chọn loại dây đai
- Thiết kế chi tiết trên phần mềm SolidWork và chọn chiều dài đai, gán vật liệu
tính khối lượng của khâu chứa trục khớp.
Thiết kế chi tiết khâu 1 chứa trục khớp 2
Việc lựa chọn thiết kế điển hình trục khớp 2 vì khi cánh tay hoạt động, bộ truyền
và động cơ trục 2 chịu tải lớn nhất
Phân tích lực do trọng trường tác dụng lên trục
Sau khi ta tính toán chọn cơ cấu phù hợp cho các trục khớp 3, 4 và 5, ta thiết kế
chi tiết các khâu này trên phần mềm SolidWord. Gán vật liệu cho từng chi tiết sau đó
tính toán được khối lượng các chi tiết theo bảng sau:
Bảng 3.1. Khối lượng sơ bộ các chi tiết tính bằng phần mềm SolidWork
STT Tên chi tiết Vật liệu Khối lượng (g) Chú thích
1 Tay kẹp Nhựa 250
2 Bánh răng côn Nhựa 48
3
Bánh răng côn + bánh
đai
Nhựa 46
4 Ổ bi Φ15 Thép 42
5 Ổ bi Φ12 Thép 3
6 Trục số 4 nhôm 85 Trục đặc
7 Động cơ DC 20
8 Khâu 3 nhôm 556
9 Bánh đai trung gian Nhựa 408
10 Bánh đai khâu 3 Nhựa 102
11 Bánh đai khâu 2 Nhựa 70
12 Mặt bich Nhựa 14
13 Trục số 3 nhôm 94 Trục đặc
14 Khâu 2 nhôm 676
15 Trục chèn đai khâu 2 Thép 78 Trục đặc
16 Trục chèn đai khâu 3 Thép 29 Trục đặc
17 Gá động cơ DC Nhựa 21
18 Vỏ khâu 3 Thép 170 Thép tấm dày 0.5mm
19 Vỏ khâu 2 Thép 340 Thép tấm dày 0.5mm

- Khối lượng khâu 2: m2 = 1530 g
- Khối lượng khâu 3: m3 = 1133 g
- Khối lượng khâu 4: m4 = 41g
- Khối lượng khâu 5,tay kẹp: m5 = 301g
- Tính mô men tĩnh tác dụng lên trục 2:
Chọn vị trí nguy hiểm nhất chính là khi các khâu 2, 3, 4, 5 duỗi thẳng ở vị trí
nằm ngang, lúc này momen tĩnh do trọng trường gây ra là lớn nhất:
Hình 3.3. Sơ đồ lực đặt vào đầu ra trục khớp 2 ở trạng thái giữ
Trong đó: Pv là trọng lượng vật nâng Pv = 1.9,8 = 9,8N
P2, P3, P4, P5 là trọng lượng của các khâu 2, 3, 4, 5.
P2 = m2 g = 1,53.9,8 = 14,994 N
P3 = m3 g = 1,133.9,8 = 11,103 N
P4 = m4 g = 0,041.9,8 = 0,401N
P5 = m5 g = 0,301.9,8 =2,95 N
Tính chọn động cơ
Tổng mô men tĩnh do trọng lực gây ra trên trục O2:
Mt2 = P2.0,175 + P3.0,5 + P4.0,66 + P5.0,8 + Pv.0,84 = 19,03 Nm
Ngoài ra khi làm việc từ trạng thái ban đầu là đứng yên, lực quán tính sinh ra kết
hợp với tải trọng tĩnh sẽ gây ra lực cản lớn nhất đặt lên trục khớp 2. Ở đây ta bỏ qua
ma sát, trọng lượng dây đai
Tính mô men cản do quán tính của các bộ phận chuyển động:
Để đơn giản trong việc tính toán ta xem các khâu là các thanh thẳng và vật nâng
là chất điểm trong quá trình tính mô men quán tính.
O2
O1
O3 O4
O5
P
v
40
P1
P2
P 4
P
7
175
500
660
800
3

Mô men quán tính khâu 2 đối với trục O2:
I2 = m2l2
2
/3 = 1,53.0,352/3 = 0,062Nm2
.
Mô men quán tính của khâu 3 đối với trục O2, áp dụng định lí dời trục (Steiner -
Huygens):
I3 = m3l3
2
/12 + m3d2
= 1,133.0,32/12 + 1,133.0,52 = 0,292 Nm2
.
Tính tương tự cho khâu 4 và 5 ta có: I4 = 0,018 Nm2; I5 = 0,071Nm2
.
Mô men quán tính của vật nâng là Iv = mv . L = 0,5.0,84 = 0,42 Nm2
.
Với yêu cầu động cơ tăng tốc từ 0 lên 600v/ph trong 1s, ta tính được gia tốc góc
yêu cầu là: ɛdc = 600.π/(60.1.180) = 0,174 rad/s2
.
Mô men sinh ra do quán tính:
Mqt2 = (I2 + I3 + I4+ I5 + Iv). ɛdc
= (0,062 + 0,292 + 0,018 + 0,071 + 0,42). 0,174 = 0,15Nm.
Mô men cản trên trục 2: Mc2= Mt2 + Mqt2 = 19,03 + 0,15 ≈ 19,18 Nm.
Suy ra mô men yêu cầu trên trục ra của động cơ:
Mdcyc = 19180/60= 319,67 Nmm.
Chọn động cơ bước của hãng PACIFIC SCIENTIFIC như sau:
Bảng 3.2. Bảng thông số động cơ bước
Góc quay: 1.8’
Hiệu điện thế định mức: 1,2V
Cường độ dòng điện định mức: 2,5A
Momen động cơ: 1090 Nmm
Thiết kế bộ truyền
Bộ truyền bánh đai
Sử dụng modun geartrax của Solidwork để thiết kế bánh đai, tạo bánh đai trong
môi trường solidwork.

Hình 3.4. Giao diện phần mềm geartrax
Tính toán chiều dài dây đai:
Hình 3.5. Cấu tạo bộ truyền đai
Tính chiều dài dây đai được xác định theo công thức:
(3-1)
Trong đó: L: Chiều dài dây curoa.
a: Khoảng cách tâm của 2 puly.
d1: Đường kính của Puly 1
d2: Đường kính của Puly 2

Kích thước dây đai tính toán được là mm ta suy ra kích thước dây đai hệ inch
bằng công thức:
L(inch) = L(mm)/25,4 (3-2)
Dựa vào công thức (3-1) và (3-2), ta chọn:
+ Chiều dai ở khâu 3 theo thiết kế trên solidwork là 726 = 28,6inch. Chọn đai có
mã hiệu là 288XL.
+ Chiều dài đai ở khâu 2 theo thiết kế trên solidwork là 900= 35,4 inch. Chọn đai
có mã hiệu là 355XL.
Bộ truyền trục vít – bánh vít
Ta chọn bộ truyền là trục vít bánh vít vì các ưu điểm như tỉ số truyền lớn, có khả
năng tự giữ góc xoay tốt.
Tỉ số truyền yêu cầu là 1/60 ≈ 0,017
Công suất lớn nhất trên trục bánh vít:
P2max = Myc.ωmax = 1923.600.π/(60.180) = 335,5W
Công suất lớn nhất trên trục trục vít:
P1max = P2max/(ηbt. ηob. ηob) = 335,5/(0,3.0,99.0,99) = 1141 W.
Trong đó:
ηbt – hiệu suất bộ truyền trục vít bánh vít, lấy ηbt = 0,3
ηob – hiệu suất của một cặp ổ lăn, lấy ηob = 0,99
Thiết kế bộ truyền bằng phần mềm CTM, sử dụng modun tính toán bộ truyền
CTM2.a.
Giao diện CTM khi khởi động:
Hình 3.6. Màn hình khởi động CTM

- Chương trình này sẽ thực hiện gọi tới các chương trình trong bộ phần mềm khi
người sử dụng chọn chức năng tương ứng :
+ HTD - Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí: khi chọn chức năng này thì
CTMCenter sẽ gọi thực thi chương trình HTD.exe là chương trình thực hiện tính toán
thiết kế hệ dẫn động cơ khí.
+ CTM2.a - Thiết kế các bộ truyền động cơ khí: khi chọn chức năng này thì
CTMCenter sẽ gọi thực thi chương trình CTM2_a.exe là chương trình thực hiện tính
toán thiết kế các bộ truyền động cơ khí (bộ truyền đai, xích, bánh răng, trục vít - bánh
vít).
+ CTM2.b - Tính toán và chọn ổ lăn: khi chọn chức năng này thì CTMCenter sẽ
gọi thực thi chương trình CTM2_b.exe là chương trình thực hiện tính toán và lựa chọn
ổ lăn hoặc tra cứu các thông số của ổ lăn.
+ Chạy AutoCAD: chức năng này đã được giới thiệu ở phần cài đặt menu CTM
trong AutoCAD.
Để thiết kế bộ truyền trục vít bánh vít ta chọn chức năng CTM2a. Từ giao diện
chính của chương trình ta nhập vào các thông số như sau:
Hình 3.7. Giao diện nhập thông số đầu vào

Sau đó chọn vào Tính thiết kế để bắt đầu quá trình kiểm tra và hiển thị kết quả:
Hình 3.8. Xác nhận thông số đầu vào
Chọn Tiếp theo ta sẽ được lần lượt các bảng sau:
Hình 3.9. Vật liệu bánh vít và trục vít

Hình 3.10. Số răng, hiệu suất, hệ số đường kính trục vít và hệ số tải trọng sơ bộ
Hình 3.11. Thông số kích thước bộ truyền sau khi tính lại

Hình 3.12. Các thông số còn lại của bộ truyền trục vít bánh vít và kiểm tra bền

THIẾT KẾ THUẬT TOÁN, MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Sơ đồ điều khiển
Hình 4.1. Sơ đồ khối điều khiển
Giải thích vai trò của các khối:
- Nguồn điện:
+ Vai trò: nguồn là mạch máu cung cấp năng lượng cho bộ phận điều khiển cũng
như cơ cấp chấp hành, nguồn điện cần ổn định thì cơ cấu mới làm việc hiệu quả, an
toàn.
+ Khối nguồn bao gồm các phần: nguồn nuôi board Arduino từ 6-12v hoặc có thể
sử dụng trực tiếp nguồn từ cáp USB máy tính, nguồn 24VDC cung cấp cho driver và
động cơ bước.
+ Nguồn nuôi 24VDC cần ổn định với dòng cung cấp khoảng 20A, cần có các
mạch bảo vệ quá tải, quá nhiệt. Ta không đi thiết kế nguồn mà sử dụng bộ nguồn tổ
ong 24VDC – 20A. Đây là dạng nguồn xung có cách mạch bảo vệ, hiện này các bộ
Động cơ bước
Hệ thống truyền
động tay máy
Máy tính Board Arduino
Driver động cơ
bước
Nguồn điện
Động cơ DC
Driver L298N

nguồn này được sử dụng khá phổ biến, sản xuất hàng loạt nên giá thành giảm mạnh.
+ Nhược điểm của loại nguồn này là dễ xuất hiện dòng rò ở vỏ thép, do đó ta cần
phải nối đất an toàn cho nó.
- Máy tính điều khiển: đây là trung tâm phân tích và xử lý của hệ thống, ngoài ra
đây còn là giao diện để người dùng điều khiển cánh tay máy.
+ Ta xây dựng một chương trình điều khiển dựa trên nền tản Window Form với
ngôn ngữ C#. Trong chương trình điều khiển có các modun để giải các bài toán động
học ngược, điều khiển tay máy theo quỹ đạo tự đặt ra.
- Arduino: Nếu máy tính là hệ thần kinh trung ương thì arduino chính là hệ thần
kinh vận động của hệ thống.
+ Nhờ có sự điều khiển của máy tính mà nhiệm vụ của board arduino trở nên đơn
giản hơn, phù hợp với tài nguyên của nó là tần số làm việc của IC điều khiển khá thấp
(8Mhz). Nhiệm vụ chính của arduino là nhận lệnh từ máy tính rồi thực hiện các
chương trình tạo xung để điều khiển động cơ thông qua driver. Ta không đi thiết kế
một board điều khiển tương tự dùng vi điêu khiển vì hiện nay giá cả của arduino đã
giảm nhiều, độ ổn định cao được phát triển qua nhiều năm với mã nguồn mở đa dạng
giúp việc lập trình khá dễ dàng.
- Driver và động cơ bước, động cơ DC: đây là nguồn động lực để tay máy hoạt
động.
+ Driver điều khiển động cơ bước theo các chế độ khác nhau nhưng đủ bước, nữa
bước, hoặc vi bước như 1/4, 1/8, 1/16 bước thích hợp khi ta muốn độ phân giải của
động cơ tăng lên. Ngoài ra mạch điều khiển còn có thêm bảo vệ dòng, cách ly quang
giúp giảm nhiễu và an toàn hơn cho các động cơ cũng như nguồn điện.
+ Driver L298 và động cơ tay kẹp: có vai trò cấp nguồn động lực và điều khiển
tay kẹp.
Tìm hiểu bo mạch điều khiển Arduino
Giới thiệu về Arduino
Hình 4.2. Các loại board Arduino

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với
nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board mạch
nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-
bit. Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào
analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau.
Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang
đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và
giới chuyên nghiệp để tạo ra những nhiết bị có khả năng tương tác với môi trường
thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Những ví dụ phổ biến cho những
người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát
hiện chuyển động. Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy
trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình
cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++.
Arduino UNO R3
Thông số làm việc:
Bảng 4.1. Thông số làm việc của UNO R3
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit
Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA
Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC
Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash
32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi
bootloader
SRAM 2 KB (ATmega328)
EEPROM 1 KB (ATmega328)

Hình 4.3. Hình dáng board Arduino Uno R3
Vi điều khiển:
UNO R3 sử dụng phổ biến chip vi điều khiển Atmega328
Hình 4.4. Vi điều khiển AVR Atmega 328
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn
ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường thì cấp
nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu ta không có sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu
cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, ta sẽ làm hỏng Arduino UNO.
Các chân năng lượng:
- GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino. Khi dùng các thiết bị
sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau.

- 5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
- 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
- Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, ta nối cực dương
của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
- IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo
ở chân này. Và dĩ nhiên nó luôn là 5V. Mặc dù vậy không được lấy nguồn 5V từ chân
này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn.
- RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với
việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
Lưu ý:
- Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào. Do đó ta phải hết sức
cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino UNO.
- Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các
thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào. Việc cấp nguồn sai vị trí có thể
làm hỏng board. Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích.
- Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới 6V
có thể làm hỏng board.
- Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều
khiển ATmega328.
- Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino
UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển.
- Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ
làm hỏng vi điều khiển.
- Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của Arduino
UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển. Do đó nếu không dùng để truyền
nhận dữ liệu, ta phải mắc một điện trở hạn dòng.
Bộ nhớ:
Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:
- 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh ta lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ
Flash của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng
cho bootloader nhưng đừng lo, ta hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này đâu.
- 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến ta khai báo
khi lập trình sẽ lưu ở đây. Ta khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ
RAM. Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ mà ta
phải bận tâm. Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.

- 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory):
đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi ta có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào
đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM.
Các cổng vào/ra:
Hình 4.5. Cổng vào/ra của UNO R3
Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng chỉ có 2
mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở mỗi chân
đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc
định thì các điện trở này không được kết nối).
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
- 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive
– RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2
chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây.
Nếu không cần giao tiếp Serial, ta không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết.
- Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép ta xuất ra xung PWM với độ
phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite().
Nói một cách đơn giản, ta có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến
5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.
- Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài các
chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức
SPI với các thiết bị khác.
- LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút
Reset, ta sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13. Khi chân
này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.

- Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu
10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên
board, ta có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức là
nếu ta cấp điện áp 2.5V vào chân này thì ta có thể dùng các chân analog để đo điện áp
trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit.
- Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp
I2C/TWI với các thiết bị khác.
Lập trình cho Arduino:
Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng.Và nó
chính là một biến thể của C/C++. Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến
hiện nay do đó rất dễ học, dễ hiểu. Nếu học tốt chương trình Tin học 11 thì việc lập
trình Arduino sẽ rất dễ dàng.
Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát
triển dự án này đã cũng cấp đến cho người dùng một môi trường lập trình Arduino
được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment).
Hình 4.6. Trình biên dịch Arduino

Động cơ bước và driver động cơ bước
Tìm hiểu về động cơ bước
Hình 4.7. Động cơ bước
Các hệ truyền động rời rạc thường được thực hiện nhờ động cơ chấp hành đặc
biệt gọi là động cơ bước.
Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với
đa số các loại động cơ điện thông thường.Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ
dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau
thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của Rotor và có khả năng cố
định Rotor vào những vị trí cần thiết.
Như hình 1 minh họa: bên trong động cơ bước có 4 cuộn dây Stator được sắp xếp
theo cặp đối xứng qua tâm. Rotor là nam châm vĩnh cửu có nhiều răng. Động cơ bước
hoạt động trên cơ sở lý thuyết điện - từ trường : các cực cùng dấu đẩy nhau và các cực
khác dấu hút nhau. Chiều quay được xác định bởi từ trường của Stator, mà từ trường
này là do dòng điện chạy qua lõi cuộn dây gây nên. Khi hướng của dòng thay đổi thì
cực từ trường cũng thay đổi theo, gây nên chuyển động ngược lại của động cơ (đảo
chiều).

Hình 4.8. Nguyên lý chung của động cơ bước
Động cơ bước làm việc được là nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu
điều khiển vào Stator theo một thứ tự nhất định và một tần số nhất định. Tổng số góc
quay của Rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ
quay của Rotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
Nếu xét trên phương diện dòng điện, khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây
Stator (phần ứng) của động cơ bước, thì Rotor (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một
góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ. Ở đây ta có thể định nghĩa về góc
bước (Step Angle) là độ quay nhỏ nhất của một bước do nhà sản xuất quy định.
Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì Rotor
sẽ quay liên tục (thực chất chuyển động đó vẫn theo các bước rời rạc).
Hình 4.9. Cấu tạo của động cơ bước nam châm vĩnh cữu

Theo một phương diện khác, có thể coi động cơ bước là linh kiện (hay thiết bị)
số (Digital Device) mà ở đó các thông tin được số hoá đã thiết lập sẽ được chuyển
thành chuyển động quay theo từng bước. Động cơ bước sẽ thực hiện trung thành các
lệnh đã số hoá mà máy tính yêu cầu.
Hình 4.10. Tương quan giữa quá trình điện và quá trình cơ của động cơ bước
Nguyên lý làm việc chung của động cơ bước
Khác với động cơ đồng bộ thông thường, Rotor của động cơ bước không có cuộn
dây khởi động mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số, Rotor của động cơ
bước có thể được kích thích (Rotor tích cực) hoặc không được kích thích (Rotor thụ
động).
Xung điện áp cấp cho cuộn dây Stator có thể là xung 1 cực hoặc 2 cực. Chuyển
mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây Stator theo từng
cuộn riêng lẻ, hoặc theo từng nhóm các cuộn dây. Trị số cũng như chiều của lực điện
từ tổng F phụ thuộc vào vị trí của các lực điện từ thành phần. Do đó vị trí Rotor của
động cơ bước trong không gian, hoàn toàn phụ thuộc vào phương pháp cung cấp điện
cho các cuộn dây:
Hình 4.11. Nguyên lý động cơ bước và các lực điện từ

Hình 4.11 vẽ sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với Rotor có 2 cực (2p=2) và
không được kích thích. Nếu các cuộn dây của động cơ bước được cấp điện cho từng
cuộn dây riêng lẻ theo thứ tự 1, 2, 3, … m, bởi xung 1 cực, thì rotor của động cơ bước
có m vị trí ổn định trùng với trục của các cuộn dây (hình 4.11(a)).
Để tăng cường lực điện từ tổng của Stator do đó tăng từ thông và moment đồng
bộ, ta cấp điện đồng thời cho hai, ba hoặc nhiều cuộn dây. Lúc đó Rotor của động cơ
bước sẽ có vị trí cân bằng (ổn định) trùng với vector lực điện từ tổng F. Đồng thời lực
điện từ tổng F cũng có giá trị lớn hơn lực điện từ thành phần của các cuộn dây Stator
(hình 4.18b, 4.18c).
Hình 4.18(b) vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho một số chẵn
cuộn dây (2 cuộn dây). Lực điện từ tổng F có trị số lớn hơn và nằm ở vị trí chính giữa
hai trục của hai cuộn dây.
Hình 4.18(c) vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho một số lẻ
cuộn dây (3 cuộn dây). Lực điện từ tổng F nằm trùng với trục của một cuộn dây và
cũng có trị số lớn hơn.
Tóm lại, trong cả hai trường hợp cấp điện cho một số chẵn cuộn dây và cấp điện
cho một số lẻ cuộn dây, Rotor của động cơ bước sẽ có m vị trí cân bằng. Góc xê dịch
giữa hai vị trí liên tiếp của Rotor bằng 2π/m.
Nếu cấp điện theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số lẻ cuộn dây (ví dụ, kết
hợp giữa hình 4.18(b) và 4.18(c)), hay nghĩa là số lượng cuộn dây được điều khiển
luôn luôn thay đổi từ chẵn sang lẻ và ngược lại, thì số vị trí cân bằng của Rotor sẽ tăng
lên gấp đôi là 2m, độ lớn của một bước sẽ giảm đi một nửa bằng 2π/m . Trường hợp
này được gọi là điều khiển không đối xứng, hay điều khiển nửa bước (half step).
Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi (một số chẵn cuộn
dây hoặc một số lẻ cuộn dây, ví dụ hình 4.18(b) hoặc hình 4.18(c)) thì Rotor có m vị
trí cân bằng và được gọi là điều khiển đối xứng, hay điều khiển cả bước (full step).
Một số ưu điểm của động cơ bước là:
+ Giá thành rẻ (low cost).
+ Có thế điều khiển mạch hở (can work in an open loop, no feeđback requìred).
+ Duy trì mômen rất tốt (không cần phanh, biến tốc).
+ Mô men xoắn cao ở tốc độ thấp.
+ Chi phí bảo dưỡng thấp (không có chổi quét) (low maintenance, biushless).
+ Định vị chính xác.
+ Không phải điều chỉnh các thông số diều khiển.
Một số nhược điểm;
+ Động cơ làm việc không đểu, đặc biệt là ỏ tốc độ thấp (điều khiển đầy bước).

+ Tiêu thụ dòng điện không phụ thuộc vào tải.
+ Kích cỡ hạn chế.
+ Làm việc ồn.
+ Mô men giảm theo tốc độ.
+ Không có phản hồi nên có thể xảy ra các sai số.
Driver động cơ bước
Module TB6560
Hình 4.12. Module TB6560
Thông số kĩ thuật:
- Điện áp DC 10V – 35V.
- Dòng đầu ra tối đa : ± 3A, 3.5A peak
- Sử dụng cách ly quang 6N137 tốc độ cao đảm bảo tốc độ cao mà không bị mất
bước
- Chip điều khiển Toshiba TB6560AHQ, chống quá nhiệt và quá dòng mạch
- Bước chia: bước đầy đủ , một nửa bước , bước 1/8 , 1/16 bước
- Kích thước: 75mm * 50mm *35mm
Cài đặt cường độ dòng điện và vi bước
Bảng 4.2. Bảng thông số dòng công tác của module TB6050
Dòng công tác
(A) 0.3 0.5 0.8 1 1.1 1.2 1.4 1.5 1.6 1.9 2 2.2 2.6 3
SW1 OFF OFF OFF OFF OFF ON OFF ON ON ON ON ON ON ON
SW2 OFF OFF ON ON ON OFF ON OFF OFF ON OFF ON ON ON
SW3 ON ON OFF OFF ON OFF ON ON OFF OFF ON ON OFF ON
S1 ON OFF ON OFF ON ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF OFF

Bảng 4.3. Bảng thông số dòng ngừng công tác của module TB6050
Dòng ngừng công tác
S2
20% ON
50% OFF
Bảng 4.4. Bảng thông số điều chỉnh bước của module TB6050
Điều chỉnh bước Thiết lập phân rã
S3 S4 S5 S6
Full OFF OFF 0% OFF OFF
1/4 ON OFF 25% ON OFF
1/8 ON ON 50% OFF ON
1/16 OFF ON 100% ON ON
Module 6600
Module điều khiển động cơ TB6600 4.5A chuyên điều khiển động cơ bước với
nhiều tính năng vượt trội như bảo vệ quá dòng , tự ngắt khi điện áp thấp và nhiệt độ
cao.
Thông số kỹ thuật Module điều khiển động cơ TB6600 4.5A:
- Điện áp hoạt động: 10V - 45V ( Khuyên dùng ở 32V hoặc 24V)
- Sử dụng ic: 6N137 tốc độ cao không gấy trượt bước
- Chip điều khiển: TB6600 công suất cao, có khả năng tự ngắt khi điện áp thấp,
nhiệt độ cao, bảo vệ quá dòng và ngắn mạch
- Dòng ra: 4.5A

- Điều khiển: full bước, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 bước.
- Dài: 82mm Rộng: 52mm Cao: 30mm
- A+ và A -: Nối vào cặp cuộn dây của động cơ bước
- B+ và B- : Nối với cặp cuộn dây còn lại của động cơ
- PUL+: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (+5V) từ BOB cho M6600
- PUL-: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (-) từ BOB cho M6600
- DIR+: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (+5V) từ BOB cho M6600
- DIR-: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (-) từ BOB cho M6600
- ENA+ và ENA -: khi cấp tín hiệu cho cặp này động cơ sẽ không có lực momen
giữ và quay nữa
Có thể đấu tín hiệu dương (+) chung hoặc tín hiệu âm (-) chung
Bảng 4.5. Bảng thông số dòng điện của module TB6050
I(A) SW4 SW5 SW6
4.0 1 1 1
3.5 0 1 1
3.0 1 0 1
2.5 0 0 1
2.0 1 1 0
1.5 0 1 0
1.0 1 0 0
0.5 0 0 0
Cài đặt vi bước cho driver
Bảng 4.6. Bảng thông số vi bước của module TB6050
Micro Pulse/rev SW1 SW2 SW3
OFF 0 0 0 0
1 200 0 0 1
1/2A 400 0 1 0
1/2B 400 0 1 1
1/4 800 1 0 0
1/8 1600 1 0 1
1/16 3200 1 1 0
OFF 0 1 1 1
Module này dùng để điều khiển động cơ khâu 2 và 3

Module A4988
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp hoạt động 3,3v - 5v
- Điện áp điều khiển (VMOT) 8v - 35v
- 5 chế độ điều khiển động cơ bước: full, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16
- Kích thước 15(W) x 20(L) x 2(H) mm
Tính năng:
- Tuy với kích thước nhỏ gọn nhưng module có thể điều khiển được động cơ
bước cỡ lớn với dòng điện áp điều khiển cho moto (VMOT) là 8v - 35v.
- Kết hợp với đó là sự linh hoạt trong việc điều khiển moto với 5 chế độ điều
khiển: full step | ½ step | 1/4 step | 1/8 step | 1/16 step
Bảng 4.7. Bảng thông số vi bước của module A4988
MS1 MS2 MS3 Chế độ
L L L Full step
H L L 1/2
L H L 1/4
H H L 1/8
H H H 1/16
Ngoài ra module còn được tích hợp biến trở để điều chỉnh điện áp ra cho động cơ
bước.
Module này dùng để điều khiển động cơ khâu 4 và 5

Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do, LÊ THẮNG.pdf

Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do, LÊ THẮNG.pdf

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do, LÊ THẮNG.pdf

Similar to Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do, LÊ THẮNG.pdf (20)

More from Man_Ebook

More from Man_Ebook (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do, LÊ THẮNG.pdf