Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do, NGUYỄN TRỌNG TUẤN ANH.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. CHÂU MẠNH LỰC
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN TRỌNG TUẤN ANH
Đà Nẵng, 2017

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT 5 BẬC TỰ DO
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trọng Tuấn Anh
Mã SV: 101110349 Lớp: 11CDT1
Nội dung đã làm được bao gồm các vấn đề sau:
1. Nhu cầu thực tế của đề tài:
Ngày nay, sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật các thiết bị máy móc,
robot dần dần phổ biến trong cuộc sống và sản xuất. Chúng thay thế con người trong
các công việc nhàm chán, những công việc nguy hiểm khó khăn, môi trường độc hại và
những công việc đòi hỏi độ chính xác vượt quá khả năng của con người từ những cơ sở
trên, em quyết định chọn đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT 5
BẬC TỰ DO làm đồ án tốt nghiệp.
2. Nội dung đề tài đã thực hiện:
✓ Thuyết minh: 83 trang
✓ Số bản vẽ: 6Ao
✓ Mô hình: 1
3. Kết quả đã đạt được:
✓ Tổng quan về robot công nghiệp.
✓ Phương án thiết kế, tính toán động lực học.
✓ Thiế kế phấn cứng, mạch điện, thuật toán điều khiển
✓ Chế tạo mô hình đã hoạt động.
✓ Đĩa CD đính kèm
Đà Nẵng, Ngày 24 tháng 5 năm 2017
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Trọng Tuấn Anh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
…………..
o0o…………..

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên : Nguyễn Trọng Tuấn Anh MSSV: 101110349
Lớp: 11CDT1 . Khoa: Cơ khí Ngành : Cơ - điện tử
1. Tên đề tài :
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT 5 BẬC TỰ DO
2. Các số liệu ban đầu :
- Điều khiển dễ dàng theo 2 chế độ điều khiển bằng tay và chạy tự động.
- Có khả năng dạy học, có chưa năng lưu và xóa vào EEPROM khi mất điện.
- Có thể ứng dụng trong lắp ráp chi tiết vừa và nhỏ, trong hệ thống tự động.
- Phát triển thêm chức năng điều khiển thông qua cử chỉ.
- Vận tốc góc 30°/s, khối lượng vật nâng 0,3 kg.
- Các số liệu khác tự chọn trên yêu cầu thực tế.
3. Nội dung thuyết minh :
- Tổng quan về robot.
- Phương án thiết kế, tính toán động học.
- Tính toán động lực học, sức bền kết cấu.
- Thiết kế thuật toán, mạch điều khiển.
- Chế tạo mô hình.
4. Các loại bản vẽ :
- Bản vẽ tổng thể 1A0
- Bản vẽ lắp 1A0
- Bản vẽ sơ đồ động 1A0
- Bản vẽ sơ đồ phần cứng 1A0
- Bản vẽ sơ đồ mạch điện 1A0

- Bản vẽ lưu đồ thuật toán 1A0
5. Ngày giao nhiệm vụ: 20/02/2017
6. Ngày hoàn thành và nộp đồ án cho bộ môn: 24/05/2017
Thông qua Bộ môn Đà Nẵng, ngày tháng năm 2017
Ngày ...tháng ...năm 2017 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Trưởng bộ môn (Ký, ghi rõ họ tên)
(Ký, ghi rõ họ tên)

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
========
LỜI CAM ĐOAN
Kính gửi: Hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp khoa Cơ Khí, Đại học Bách khoa, Đại
học Đà Nẵng
Em là :
Sinh viên: Nguyễn Trọng Tuấn Anh MSSV: 101110349
Lớp: 11CDT1. Khoa: Cơ khí Ngành: Cơ –điện tử
Đề tài tốt nghiệp: Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do
Em xin cam đoan nội dung của đồ án không phải sao chép bất cứ đồ án hay công
trình đã có trước đây. Nếu vi phạm điều trên chúng em xin chịu mọi hình thức kỷ luật từ
thầy cô và hội đồng bảo vệ.
Đà Nẵng, ngày tháng năm 2017
Nguyễn Trọng Tuấn anh

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên , cho em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Châu Mạnh Lực,
người đã hướng dẫn em hết sức nhiệt tình và giúp em vượt qua được những hạn chế về
kiến thức của bản thân để hoàn thành đồ án này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến sự giúp đỡ hết sức nhiệt tình của các bạn cùng
khóa, sự ủng hộ của cha, mẹ, bạn bè giúp em vượt qua nhiều khó khăn trong quá trình
làm đồ án.
Ngoài ra em xin cảm ơn tất cả các thầy, cô trong trường ĐHBK Đà Nẵng đã
giảng dạy cho em suốt năm năm qua, cung cấp cho em kiến thức làm nền tảng để hoàn
thiện đồ án.
Mặc dù rất cố gắng để hoàn thành tập đồ án, nhưng vì kiến thức cá nhân có hạn,
em không tránh khỏi những thiếu sót. Em mong quí thầy cô có thể chỉ bảo .
Em rất mong được đón nhận những ý kiến đóng góp.
Đà Nẵng, ngày tháng năm 2017

Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trọng Tuấn Anh Hướng dẫn: Châu Mạnh Lực Trang 1
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật các thiết bị đa
năng đã trở nên phổ biến trong cuộc sống và sản xuất. Với sự kết hợp mạnh mẽ của Cơ
khí - Điện tử - Tin học Robot đang được sử dụng và đóng vai trò quan trọng trong
công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày. Chúng thay thế con người trong các
công việc nhàm chán, những công việc nguy hiểm khó khăn, môi trường độc hại và
những công việc đòi hỏi độ chính xác vượt quá khả năng của con người. Ngoài ra
chúng còn dùng trong việc thám hiểm không gian, trong y học, quân sự... Lĩnh vực
robot sử dụng trong công nghiệp đang chiếm được sự quan tâm nghiên cứu của các
nhà khoa học các công ty phát triển ứng dụng phục vụ đời sống sản xuất đáp ứng
được những nhiệm vụ đặt ra trong thực tiễn theo đúng mong muốn của và tiến tới thây
thế con người
Với tư cách là sinh viên ngành Cơ Điện Tử, đúc kết những kiến thức học ở
trường, 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.
Với sự hướng dẫn tận tình của thầy Châu Mạnh Lực và các thầy cô trong khoa,
kết hợp sự nỗ lực của bản thân, 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 cũng như kiến thức có hạn, cho nên, dù đã cố gắng hết sức nhưng
những phương án giải quyết các vấn đề của em chắc chắn không thể tránh khỏi những
thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và bạn bè để đề
tài em càng được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Đà Nẵng, ngày 24 tháng 05 năm 2017

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT ...............................................................6
1.1 Lịch sử hình thành và xu hướng phát triển..................................................6
1.1.1 Lịch sử.................................................................................................6
1.1.2 Xu hướng phát triển .............................................................................7
1.2 Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp.....................................................7
1.2.1 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp.................................................7
1.2.2 Phân loại robot.....................................................................................8
1.3 Ứng dụng của robot..................................................................................13
1.3.1 Robot công nghiệp.............................................................................13
1.3.2 Robot y tế ..........................................................................................14
1.3.3 Robot hỗ trợ người tàn tật ..................................................................15
Chương 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ...................17
2.1 Yêu cầu công nghệ...................................................................................17
2.1.1 Sức nâng của tay máy ........................................................................17
2.1.2 Số bậc tự do của phần công tác (DOF : Degrees Of Freedom)............17
2.1.3 Hệ tọa độ hoạt động (Coordinate frames)...........................................19
2.1.4 Trường công tác (Workspace or range of motion) ..............................20
2.1.5 Độ chính xác định vị..........................................................................21
2.1.6 Tốc độ dịch chuyển............................................................................21
2.2 Phương án thiết kế về mặt động học.........................................................21
2.3 Tính toán động học...................................................................................24
2.3.1 Bài toán động học thuận.....................................................................24
2.3.2 Bài toán động học ngược....................................................................26
Chương 3: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC, SỨC BỀN KẾT CẤU .................29
3.1 Mô hình dẫn động của robot.....................................................................29
3.2 Chọn tay gắp............................................................................................30
3.3 Nguyên tắc chung tính chọn hệ dẫn động .................................................31
3.4 Thiết kế chi tiết khâu 1 chứa trục khớp 2.................................................31
3.4.1 Phân tích lực do trọng trường tác dụng lên trục ..................................31
3.4.2 Tính chọn động cơ .............................................................................32
3.4.3 Thiết kế bộ truyền..............................................................................35

Chương 4: THIẾT KẾ THUẬT TOÁN, MẠCH ĐIỀU KHIỂN.........................37
4.1 Sơ đồ phần cứng.......................................................................................37
4.2.1 Ngôn ngữ C#......................................................................................38
4.2.2 Phần mềm Visual Studio....................................................................40
4.3 Tìm hiểu bo mạch điều khiển Arduino .....................................................42
4.3.1 Giới thiệu về Arduino ........................................................................42
4.3.2 Arduino UNO R3...............................................................................43
4.3.3 Arduino nano ....................................................................................47
4.4.2 Giao tiếp I2C .....................................................................................50
4.4.3 Khối giao tiếp UART........................................................................53
4.5 Giới thiệu về các thành phần ngoại vi.......................................................58
4.5.1 Cảm biến vận tốc góc MPU6050........................................................58
4.5.2 Cảm biến la bàn số HMC5883L........................................................59
4.5.3 Bộ thu truyền sóng RF24L01 .............................................................59
4.6 Động cơ servo và nguyên lý điều khiển....................................................62
4.6.1 Động cơ Servo ...................................................................................62
4.6.2 Nguyên lý điều khiển ............................................................................63
4.7 Thiết kế phần điều khiển ..........................................................................65
4.7.1 Sơ đồ mạch ........................................................................................65
4.7.2 Lưu đồ thuật toán...............................................................................66
4.7.3 Chương trình điều khiển.....................................................................67
Chương 5: CHẾ TẠO MÔ HÌNH......................................................................76
5.1 Phần đế robot ...........................................................................................76
5.2 Khâu 1 .....................................................................................................76
5.3 Khâu 2 .....................................................................................................78
5.4 Khâu 3 .....................................................................................................79
5.4 Khâu 4 .....................................................................................................79
5.5 Khâu 5 .....................................................................................................80
5.6 Tay kẹp ....................................................................................................80
5.7 Mô hình hoàn chỉnh sau khi lắp ráp..........................................................81
KẾT LUẬN.......................................................................................................82
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................83

DANH MỤC HÌNH VẼ
HÌNH 1.1: ROBOT KIỂU TỌA ĐỘ DESCARTE ..........................................................9
HÌNH 1.2: ROBOT KIỂU HỆ TỌA ĐỘ TRỤ ................................................................9
HÌNH 1.3: ROBOT KIỂU TỌA ĐỘ CẦU.................................................................... 10
HÌNH 1.4: ROBOT KIỂU SCARA .............................................................................. 10
HÌNH 1.5: ROBOT KIỂU TAY NGƯỜI...................................................................... 11
HÌNH 1.6: ROBOT FANUC TRONG CÔNG NGHIỆP ............................................... 14
HÌNH 1.7: ROBOT PHẪU THUẬT MIROSURGE ..................................................... 15
HÌNH 1.8: CHÂN GIẢ HỖ TRỢ NGƯỜI TÀN TẬT................................................... 16
HÌNH 2.1: MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC TAY MÁY .......................................................... 19
HÌNH 2.2: TỌA ĐỘ SUY RỘNG CỦA ROBOT.......................................................... 19
HÌNH 2.3: QUY TẮC BÀN TAY PHẢI....................................................................... 20
HÌNH 2.4: ĐẶT HỆ TỌA ĐỘ CHO CÁC KHÂU ........................................................ 24
HÌNH 2.5: VÙNG LÀM VIỆC CỦA ROBOT.............................................................. 27
HÌNH 2.6: SỰ BIẾN ĐỔI CÁC HỆ TỌA ĐỘ KHI CÁNH TAY CHUYỂN ĐỘNG...... 27
HÌNH 2.7: BIỂU DIỄN O2 TRONG O0X0Z0 ................................................................. 28
HÌNH 3.1: MÔ HÌNH DẪN ĐỘNG ROBOT ............................................................... 29
HÌNH 3.2: TAY GẮP ROBOT..................................................................................... 30
HÌNH3.3:SƠĐỒLỰCĐẶTVÀOĐẦURATRỤCKHỚP2ỞTRẠNGTHÁIGIỮ...........32
HÌNH 3.4: ĐỘNG CƠ SERVO HD-9001..................................................................... 33
HÌNH 3.5: ĐỘNG CƠ RC SERVO MG996R .............................................................. 34
HÌNH 3.6: CƠ CẤU 4 KHÂU BẢN LỀ....................................................................... 35
HÌNH 4.1: SƠ ĐỒ KHỐI ĐIỀU KHIỂN....................................................................... 37
HÌNH 4.2: CẤU TRÚC 1 CHƯƠNG TRÌNH C#.......................................................... 40
HÌNH 4.3: GIAO DIỆN CHÍNH CỦA VISUAL STUDIO 2013................................... 41
HÌNH 4.4: CÁC LOẠI BOARD ARDUINO ................................................................ 42
HÌNH 4.5: HÌNH DÁNG BOARD ARDUINO UNO R3.............................................. 43
HÌNH 4.6: VI ĐIỀU KHIỂN AVR ATMEGA 328 ....................................................... 44
HÌNH 4.7: CỔNG VÀO/RA CỦA UNO R3 ................................................................. 46
HÌNH 4.8: TRÌNH BIÊN DỊCH ARDUINO................................................................. 47
HÌNH 4.9: SƠ ĐỒ CHÂN ARDUINO NANO ............................................................. 48
HÌNH 4.10: SƠ ĐỒ GHÉP NỐI EEPROM................................................................... 50
HÌNH 4.11: SƠ ĐỒ KẾT NỐI CHUẨN GIAO TIẾP I2C ............................................. 50
HÌNH 4.12: GÓI DỮ LIỆU .......................................................................................... 53

HÌNH 4.13: GÓI ĐỊA CHỈ VÀ DỮ LIỆU ĐƯỢC GỞI ĐI ............................................ 53
HÌNH 4.14: GIAO TIẾP UART GIỮA 2 ARDUINO ................................................... 54
HÌNH 4.15: GIAO TIẾP ARDUINO VỚI MPU ........................................................... 58
HÌNH 4.16: GIAO TIẾP ARDUINO VỚI HMC5883................................................... 59
HÌNH 4.17: GIAO TIẾP ARDUINO VỚI NRF24L01.................................................. 60
HÌNH 4.18: SƠ ĐỒ KẾT NỐI CHÂN NRF VỚI ARDUINO........................................ 61
HÌNH 4.19:MỘTĐỘNGCƠSERVODÙNGTRONGMÔHÌNHMÁYBAYVÀXEĐUA. 62
HÌNH 4.20: ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ CỦA ĐỘNG CƠ .................................................... 63
HÌNH 4.21: SƠ ĐỒ MẠCH MINH HỌA ..................................................................... 65
HÌNH 4.22: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH .............................. 66
HÌNH 5.1: PHẦN ĐẾ................................................................................................... 76
HÌNH 5.2: CÁC CHI TIẾT KHÂU 1............................................................................ 77
HÌNH 5.3: KHÂU 1 HOÀN CHỈNH SAU KHI LẮP RÁP............................................ 78
HÌNH 5.4: KHÂU 2 SAU KHI LẮP RÁP..................................................................... 78
HÌNH 5.5: KHÂU 3 SAU KHI LẮP RÁP..................................................................... 79
HÌNH 5.6: HÌNH DÁNG KHÂU 4............................................................................... 79
HÌNH 5.9: MÔ HÌNH HOÀN CHỈNH SAU KHI LẮP RÁP......................................... 81

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT
1.1 Lịch sử hình thành và xu hướng phát triển
1.1.1 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 …

1.1.2 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.
1.2 Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp
1.2.1 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp
a. 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.
b. 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...
1.2.2 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...
1.3 Ứng dụng của robot
1.3.1 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: Robot fanuc trong công nghiệp
1.3.2 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 Mirosurge
1.3.3 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: Chân giả hỗ trợ người tàn tật

Chương 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC
2.1 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:
2.1.1 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.
2.1.2 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
Trong đó: n – là số khâu động
i
p – 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
2.1.3 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.
2.1.4 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 360o
. 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.
2.1.5 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 thông 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 0.05 mm không gây vấn đề về kinh tế và kỹ
thuật.
Ở đây độ chính xác định vị cần thiết là 0.5 mm.
2.1.6 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.
2.2 Phương án thiết kế về mặt động học
Thiết kế các trục rỗng để dẫn cáp tín hiệu, cáp điều khiển. ứng với từng khâu
chọn động cơ phù hợp.
Sơ đồ động học chung của robot

Động cơ servo có giảm tốc bên trong được nối thẳng ngay với các khâu nên
không cần thiết kế bộ truyền, Đối với khâu 3 sử dụng cơ cấu truyền chuyển động 4
khâu bản lề:
Khâu 0 (đế): Thiết kế ổ bi xoay vòng bi trong gắn với với trục động cơ, vòng bi
ngoài gắn với đế gá động cơ nâng đỡ toàn bộ cơ cấu robot chắc chắn, chuyển động
trơn trụ
Khâu thứ 1: Động cơ giảm tốc sử dụng bánh răng gắn với Khớp vai chắc chắn
động cơ quay làm cho khớp vai quay theo
Khâu thứ 2: Sử dụng cơ cấu tay quay thanh trượt, động cơ quay truyền chuyển
động cho tay quay, tay quay truyền chuyển động cho thanh truyền làm cho thanh
truyền tịnh tiến tịnh tiến , sau đó truyền chuyển động cho khâu thứ 2 ( khớp khủy tay)
với cơ cấu này làm khả năng tự giữa khi robot mất điện và giảm khối lượng tải trọng
cho khâu 2
Khâu thứ 3: Động cơ giảm tốc sử dụng bánh răng trục được gắn với khớp nối
khâu 2 và khâu 3 (khâu cổ tay) làm cho khâu này chuyển động
Khâu thứ 4: Động cơ giảm tốc sử dụng bánh răng trục gắn với khớp khâu 3 và
khâu 4 làm cho khâu 4 chuyển động.

2.3 Tính toán động học
2.3.1 Bài toán động học thuận
Thiết lập hệ phương trình động học của robot
1. 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
2. Lập bảng thông số DH:
Bảng 0.1: Bảng thông số DH
Khâu ai αi di θi
1 0 90o
h1 θ1
∗
2 h2 0 0 θ2
∗
3 h3 0 0 θ3
∗
4 0 90o
0 θ4
∗
5 0 0 h4 θ5
∗
3. 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
]
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
]
(2-1)
4. 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
]
= [
𝐶3𝐶5𝐶5 − 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
]
= [
𝐶234 −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 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 = C1[C2(C4C5C6 – S4S6) – S2S5C6] – S1(S4C5C6 + C4S6)
ny = S1[C2(C4C5C6 – S4S6) – S2X5C6] + C1(S4C5C6 + C4S6)
nz = -S2(C4S5C6 – S4S6) – S2S5C6
ox = C1[–C2(C4C5C6 + S4C6) + S2S5S6] – S1(-S4C5S6 +C4C6)
oy = S1[C2(C4C5S6 + S4C6) + S2S5S6] + C1(-S4C5C6 +C4C6)
oz = S2(C4C5C6 + S4C6) + C2S5S6
ax = C1(C2C4S5 + S2C5) – S1S4S5
ay = S1(C2C4S5 + S2C5) + C1S4S5
az = -S2C4S5 + C2C5
px = C1S2d3 – S1d2
py = S1S2d3 + C1d2
pz = C2d3
2.3.2 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
].
Với thiết kế động học như trên, các khớp 2, 3, 4 giúp điểm tác động của cánh tay
chuyển động trong một mặt phẳng, vùng hoạt động có dạng hình tròn.
Kết hợp với khớp thứ 1, vùng làm việc của cánh tay có dạng hình cầu.

Hình 2.5: Vùng làm việc của Robot
Từ ma trận T5 ta dễ dàng tìm ra biến khớp thứ nhất θ1 = arctan2(py, px).
Xoay cánh tay quay trục tọa độ O0z0 một góc θ1. Ma trận tọa độ điểm cuối của
cánh tay sau khi biến đổi T5
′
= Rot(z0, θ1). T5
Lúc này toàn bộ cánh tay nằm trong mặt phẳng O0x0z0.
Không mất tính tổng quát, để đơn giản bài toán ta giả sử rằng cánh tay đang ở vị
trí biến khớp θ1 = 0 với ma trận cuối của cánh tay là:
T5
′
=
[
nx′ ox′
ny′ oy′
ax′ px′
ay′ py′
nz′ oz′
0 0
az′ pz′
0 1 ]
.
Việc tiếp theo phải làm là đi tìm các biến khớp θ2, θ3, θ4, θ5.
Hình 2.6: Sự biến đổi các hệ tọa độ khi cánh tay chuyển động
Điểm O1 trong hệ tọa độ O0 có tọa độ: O1 = [0, 0, h1, 1]T
.
Điểm O3 trong hệ tọa độ O5 có tọa độ O35 = [0, 0, -h4, 1]T
.

Hệ tọa độ O5 có quan hệ với hệ tọa độ O0 bằng ma trận T5
′
.
Do đó điểm O3 trong hệ tọa độ O0 có tọa độ:
O3 = T5
′
.O35 =
[
nx′ ox′
ny′ oy′
ax′ px′
ay′ py′
nz′ oz′
0 0
az′ pz′
0 1 ]
. [
0
0
−h4
1
] =
[
−h4. ax′ + px′
−h4. ay′ + py′
−h4. az′ + pz′
1 ]
Từ tọa độ điểm O1 và O3 ta có thể suy ra tọa độ điểm O2 bằng phương pháp hình
học. Cả 3 điểm O1, O2, O3 đều nằm trên mặt phẳng O0x0z0 nên việc tìm ra tọa độ điểm
O2 là khả thi (điều kiện tồn tại nghiệm là O1O3 ≤ h2 + h3).
Hình 2.7: Biểu diễn O2 trong O0x0z0
Sau khi tìm được tọa độ O2, ta có vectơ 𝑂1𝑂2
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ = [x2-x1, 0, z2-z1, 1]
𝑂2𝑂3
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ = [x3-x2, 0, z3-z2, 1].
Suy ra biến khớp: θ2 = arctan2( z2-z1, x2-x1).
θ3 = arctan2(z3-z2, x3-x2) - θ2.
Điểm O5 trong hệ tọa độ O0: O5 = [px
′
, py
′
, pz
′
, 1]
Hệ tọa độ O0 có quan hệ với hệ với hệ tọa độ O3 bằng ma trận 3
T0 = [A1.A2.A3]-1
Vì đã xác định được các biến khớp 1, 2, 3 nên ta dễ dàng tính được ma trận A1,
A2, A3 từ đó tính được 3
T0.
Điểm O5 trong hệ tọa độ O3: O53 = 3
T0. O5 = [x53, y53, z53, 1].
Từ đó ta có biến khớp θ4 = arctan2(y53, x53).
Từ các biến khớp 1, 2, 3, 4 ta tính được ma trận A5 = [A1.A2.A3.A4]-1
. T5
′
. Đây là
ma trận biểu diễn quan hệ giữa hệ tọa độ O5 và hệ tọa độ O4, lấy kết quả phép tính trên
so sánh với biểu thức 2-1, cân bằng tương ứng hai giá trị ở hàng 1 và 2 của cột 1 của
hai ma trận ta sẽ có được sin(θ5), cos(θ5) từ đó tìm được θ5 = arctan2(sin(θ5)/ cos(θ5));
Như vậy ta đã giải xong bài toán động học ngược bằng phương pháp hình học kết
hợp với lượng giác.

Chương 3: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC, SỨC BỀN KẾT CẤU
3.1 Mô hình dẫn động của robot
Hình 3.1: Mô hình dẫn động robot
Do thiết kế cơ cấu robot tay máy với động cơ có trục ra gắn luôn tại vị trí các
khớp quay ( Trừ khâu thứ 2 sử dụng bộ truyền chuyển động 4 khâu bản lề) nên ta

không cần tính toán để chọn các bộ truyền mà chỉ tính toán chọn công suất động cơ,
mômen cho phù hợp với chức năng hoạt động của tay máy.
Vì kết cấu của robot là nhỏ nên sử dụng động cơ Servo có sẵn hộp giảm tốc
bên trong thong dụng trên thị trường kết hợp với tính toán moomen trục chon
động cơ hợp lý ta có thể bố trí động cơ có khối lượng lớn về gần gối truc, mục đích là
để giảm tải trọng cho cơ cấu truyền động. 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:
+ Khớp 0 bệ máy dùng động cơ có bang răng có tỉ số truyền 1: 400
+ Khớp quay thứ nhất động cơ bánh răng có tỉ số truyển 1:300
+ Khớp quay thứ hai động cơ có tỉ số truyển 1:300
+ Khớp quay thứ ba động cơ có tỉ số truyển 1:200
+ Khớp quay thứ nhất động cơ có tỉ số truyển 1:200
+ Khớp quay thứ năm:
Ta chọn các tỉ số truyền giống nhau để thuận lợi cho việc chọn động cơ và việc
điều khiển được chính xác và đồng bộ hơn
3.2 Chọn tay gắp
Ta chọn tay gắp robot theo khối lượng, kích thước và bề mặt vật kẹp. Do khối
lượng vật và kích thước không lớn nên ta chọn gắp G4 Gripper thông dụng trên thị
trường, tương thích với động cơ servo MG996R, HD1501MG được sử dụng trong
thiết kế robot này
Hình 3.2: Tay gắp robot

Thông số của tay gắp robot :
Chất liệu : Nhôm hợp kim vừa nhẹ có kết cấu chắc chắn
Chiều dài tối đa : 108mm
Chiều rộng tối đa : 98mm
Độ mở tối đa 55mm
Trọng lượng 68g
Tay gắp này thích hợp để kẹp vật có dạng lập phương kích thước tối đa 50mm,
khối lượng 0,1kg. Lực kẹp trong tối đa 11N, kẹp ngoài 17N, tùy vào bề mặt vật nâng
mà lực kẹp có thể tùy khi động cơ servo quay.
3.3 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 theo momen làm việc, tốc độ, độ phân giải, kích thước cánh tay…
Phân phối lại tỉ số truyền nếu cần.
Thiết kế chi tiết trên phần mềm SolidWork, gán vật liệu tính khối lượng của khâu
chứa trục khớp.
3.4 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
3.4.1 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:
Khối lượng khâu 2: m2 = 1516 g
Khối lượng khâu 5 và tay kẹp: m5 = 160 g
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 = 0,1.9,8 = 0,98N
P2, P3, P4, P5 là trọng lượng của các khâu 2, 3, 4, 5.
P2 = m2g = 1,52.9,8 = 14,9 N
P3 = m3g = 1,08.9,8 = 10,6 N
P4 = m4g = 0,42.9,8 = 4,1 N
P5 = m5g = 0,16.9,8 = 1,6 N
3.4.2 Tính chọn động cơ
Chọn công suất động cơ:
Do mô hình tay máy hoạt động chỉ mang tính thử nghiệm trong điều kiện không
chịu ngoại lực tác dụng mà chỉ chịu tác dụng của lực ma sát, tải trọng robot tay máy,
momen quán tính và tải trọng của vật cần gắp do đó momen xoắn của động cơ phụ
thuộc vào trọng lượng của tay máy và vật cần gắp. Do đó cần tính toán momen tối
thiểu do động cơ sinh ra để thắng được tải, ma sát, quán tính của cả hệ thống.
Tổng mô men tĩnh do trọng lực gây ra trên trục O2:
Mt2 = P2.0,15 + P3.0,4 + P4.0,55 + P5.0,62 + Pv.0,66 = 10,4 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 ổ trục do sử dụng ổ bi có hiệu suất truyền động cao (hệ số ma sát thấp 0,0015 –
0.006).
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.
Mô men quán tính khâu 2 đối với trục O2: I2 = m2l2
2
/3 = 1,52.0,32
/3 = 0,0456
Nm2
.
O2
O1
O3 O4
O5
Pv
34
P2
P3
P4 P5
O
y
x
150
400
545
624

Mô men quán tính của khâu 3 đối với trục O2, áp dụng định lí dời trục (Steiner -
Huygens): I3 = m3l3
2
/12 + m3d2
= 1,08.0,22
/12 + 1,08.0,42
= 0,1764 Nm2
.
Tính tương tự cho khâu 4 và 5 ta có: I4 = 0,1273 Nm2
; I5 = 0,0697 Nm2
.
Mô men quán tính của vật nâng là Iv = mv . L = 0,1.0,662
= 0,0436 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) = 0,17 rad/s2
.
Mô men sinh ra do quán tính: Mqt2 = (I2 + I3 + I4+ I5 + Iv). ɛdc
= (0,0456 + 0,1764 + 0,1273 + 0,0697 + 0,0436). 0,17 = 0,079Nm.
Mô men cản trên trục 2: Mc2= Mt2 + Mqt2 = 10,4 + 0,079 ≈ 10479 Nmm.
Suy ra mô men yêu cầu trên trục động cơ: Mdcyc = 10479/60 = 174,65 Nmm.
Khâu 0,Khâu 1, khâu 2 :
Chọn động cơ Servo HD-9001MG Analog, Full Metal Gear, Dual Bearings, của
hãng HD-Power Electric company :
Hình 3.4: Động cơ servo HD-9001
Thông số của động cơ :

Khâu còn lại , động cơ RC servo có momen xoắn cao so với kích thước của nó,
có thể cho vị trí góc chính xác bằng cách cung cấp xung theo phương thức điều biến
độ rộng xung (PWM); độ rộng xung sẽ quyết định vị trí góc của trục động cơ. Các
khâu còn lại chọn động cơ RC servo MG996R, do có bánh răng kim loại nên chịu tải
lớn hơn chịu lực và khả năng mài mòn tốt hơn.
Hình 3.5: Động cơ RC Servo MG996R
Động cơ RC Servo MG996R có thông số như sau:
Trọng lượng: 55 g
• Kích thước: 40.7 x 19.7 x 42.9 mm approx.
• Chịu tải: 9.4 kg/cm (4.8 V ), 11 kg/cm (6 V)
• Tốc độ xoay: 0.17 s/60º (4.8 V), 0.14 s/60º (6 V)
• Nguồn cung cấp: 4.8 V a 7.2 V
• Dòng không tải: 50 mA
• Dòng có tải: 500mA

• Nhiệt độ hoạt động: 0 ºC –55 ºC
Như vậy động cơ có momen xoắn Tđc=1300 [N.mm] đảm bảo công suất cho
robot tay máy hoạt động.
3.4.3 Thiết kế bộ truyền
Do thiết kế cơ cấu robot tay máy với động cơ có trục ra gắn luôn tại vị trí các
khớp quay ( Trừ khâu thứ 2 sử dụng bộ truyền chuyển động 4 khâu bản lề) nên ta
không cần tính toán để chọn các bộ truyền .
So với các loại cơ cấu khác, cơ cấu nhiều thanh có những đặc điểm sau: lâu mòn,
tuổi thọ cao, khả năng truyền lực lớn; có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo và lắp ráp; dễ
dàng thay đổi kích thước động; khó thiết kế cơ cấu theo 1 quy luật chuyển động cho
trước. - Trong cơ cấu nhiều thanh, cơ cấu 4 khẩu bản lề là cơ cấu thường gặp và điển
hình nhất. Cơ cấu 4 khâu bản lề là cơ cấu gồm có 4 khâu nối với nhau bằng các khớp
quay (còn gọi là khớp bản lề).
Trong đó:
+ Khâu cố định gọi là giá: khâu 4.
+ Khâu đối diện khâu cố định gọi là thanh truyền có chuyển động song phẳng:
khâu2.
+ Hai khâu còn lại, nếu quay được toàn vòng gọi là tay quay, nếu không quay
được toàn vòng gọi là cần lắc.
Hình 3.6: Cơ cấu 4 khâu bản lề
- Ưu điểm
+ Thành phần tiếp xúc là mặt nên áp suất tiếp xúc nhỏ bền mòn và khả năng
truyền lực cao
+ Chế tạo đơn giản và công nghệ gia công khớp thấp tương đối hoàn hảo  chế
tạo và lắp ráp dễ đạt độ chính xác cao

+ Không cần các biện pháp bảo toàn như ở khớp cao + Dễ dàng thay đổi kích
thước động của cơ cấu bằng cách điều chỉnh khoảng cách giữa các bản lề. Việc này
khó thực hiện ở các cơ cấu với khớp cao
- Nhược điểm:
+ Việc thiết kế các cơ cấu này theo những điều kiện cho trước rất khó khó thực
hiện chính xác bất kỳ qui luật chuyển động cho trước nào

Chương 4: THIẾT KẾ THUẬT TOÁN, MẠCH ĐIỀU KHIỂN
4.1 Sơ đồ phần cứng
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 220VAC cung cấp cho máy tính, 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 .
Nguồn nuôi 24VDC cần ổn định với dòng cung cấp khoảng 10A, cần có các
mạch bảo vệ quá tải, quá nhiệt. Ta không đi thiết kế nguồn mà sử dụng bộ nguồn tổ
ong 24VDC – 10A. Đây là dạng nguồn xung có cách mạch bảo vệ, hiện này các bộ
Động Cơ RC
Servo
Hệ thống truyền
động
Computer, Nút
nhấn,
potentiometer, RF
Board Arduino Driver ĐK Servo
Nguồn điện
Mạch ĐK Tín hiệu điều khiển

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#. Đây là ngôn ngữ cải tiến hơn rất nhiều so với C/C++, vừa có thể lập
trình theo kiểu kéo thả vừa có thể viết theo dòng lệnh. 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, hoặc điều khiển theo kiểu lập trình dạy học với sự hỗ trợ của việc điều khiển
bằng bảng điều khiển và giao diện lập trình để ta có thể soạn thảo chương trình theo ý
muốn.
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, đồng thời thông báo
các tọa độ hiện tại theo số xung về cho máy tính biết để cập nhật hiển thị. 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.
Các nút nhấn, biến trở để chọn chế độ và đọc các tín hiệu điều khiển đưa vào
arduino xử lý, lưu trử để điều khiển động cơ servo và robot
4.2 Giới thiệu phần mềm Visual Studio và ngôn ngữ C#.
Chúng ta sử dụng một phần mềm lập trình của Microsoft để tạo ra ứng dụng để
điều khiển robot và giao tiếp với người dùng. Chương trình này có dạng window form,
lập trình trực quan tạo giao diện bằng phím và chuột, xử lý theo sự kiện hoặc nếu
muốn thực hiện những chương trình phức tạp hơn ta có thể viết trên nền tảng C#.
4.2.1 Ngôn ngữ C#
Giới thiệu chung
Ngôn ngữ C# là một ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng mới từ Microsoft và
được xuất phát từ ngôn ngữ C và C++, Microsoft .Net Framwork là được dùng để chạy
các chương trình tronh C#. .NET Framwork là một phần mềm cấu thành được thêm
vào hệ điều hành Microsoft Window. Nó chứa đựng một lượng lớn đoạn mã trong đó

và quản lý việc thực thi của các chương trình được viết cụ thể cho framework. Module
này cũng bao gồm những đặc trưng và các tính năng của VB 2005.
Những nhược điểm của C và C++
Các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C và C++ là được sử dụng rộng dãi cho
lập trình ứng dụng, Nhưng chúng cũng có một số hạn chế như sau :
+ Khó bắt đầu để học và tự học.
+ Không thể kiểm tra lỗi trong lúc nó được biên dịch.
+ Khó debug và không có công cụ cho việc debug.
+ Mất rất nhiều thời gian cho người lập trình.
+ Kết nối databse rất phức tạp.
+ Vấn đề về thay đổi dữ liệu.
+ Khó khăn trong việc thực thi.
+ Không có bất kỳ một nền tảng nào.
Sự cần thiết cho một ngôn ngữ mới
Microsoft giới thiệu C# một ngôn ngữ mới giải quyết vấn đề bằng cách chuyển
đổi ngôn ngữ. C# cung cấp cho người lập trình một số những lợi ích sau :
+ Tạo sự đơn lẻ và công cụ rất mạnh cho việc xây dựng các ứng dụng sâu, liên
kết phân tầng và vô cùng mạnh mẽ.
+ Tạo một kiến trúc hướng đối tượng một cách hoàn thiện.
+ Hỗ trợ mạnh mẽ lập trình hướng cấu trúc.
+ Cung cấp sự gần gũi cho người lập trình từ khung mẫu là C và C++.
+ Cho phép viết các ứng dụng dựa trên nền desktop và thiết bị điện thoại.
Mục đích của ngôn ngữ C#
+ Microsoft .NET tồn tại trước đây giống như là Next Generation Windows
Services (NGWS). Nó là một nền tảng trọn ven cho việc lập trình các ứng dụng
Window/Web.
+ C# là một ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng xuất phát từ C và C++.
+ Cái tên C# có được là do ngôn ngữ C# được bắt nguồn từ C và C++ nó giữ lại
cái tên C và một ký hiệu trong nốt nhạc # từ đó cái tên C# được hình thành.
Cấu trúc một chương trình C#

Hình 4.2: Cấu trúc 1 chương trình C#
4.2.2 Phần mềm Visual Studio
Microsoft Visual Studio là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) từ
Microsoft. Nó được sử dụng để phát triển chương trình máy tính cho Microsoft
Windows, cũng như các trang web, các ứng dụng web và các dịch vụ web. Visual
Studio sử dụng nền tảng phát triển phần mềm của Microsoft như Windows API,
Windows Forms, Windows Presentation Foundation, Windows Store và Microsoft
Silverlight. Nó có thể sản xuất cả hai ngôn ngữ máy và mã số quản lý.

Hình 4.3: Giao diện chính của Visual Studio 2013
Visual Studio bao gồm một trình soạn thảo mã hỗ trợ IntelliSense cũng như cải
tiến mã nguồn. Trình gỡ lỗi tích hợp hoạt động cả về trình gỡ lỗi mức độ mã nguồn và
gỡ lỗi mức độ máy. Công cụ tích hợp khác bao gồm một mẫu thiết kế các hình thức
xây dựng giao diện ứng dụng, thiết kế web, thiết kế lớp và thiết kế giản đồ cơ sở dữ
liệu. Nó chấp nhận các plug-in nâng cao các chức năng ở hầu hết các cấp bao gồm
thêm hỗ trợ cho các hệ thống quản lý phiên bản (như Subversion) và bổ sung thêm bộ
công cụ mới như biên tập và thiết kế trực quan cho các miền ngôn ngữ cụ thể hoặc bộ
công cụ dành cho các khía cạnh khác trong quy trình phát triển phần mềm.
Visual Studio hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau và cho phép trình biên
tập mã và gỡ lỗi để hỗ trợ (mức độ khác nhau) hầu như mọi ngôn ngữ lập trình. Các
ngôn ngữ tích hợp gồm có C,[4] C++ và C++/CLI (thông qua Visual C++), VB.NET
(thông qua Visual Basic.NET), C# (thông qua Visual C#) và F# (như của Visual
Studio 2010[5]). Hỗ trợ cho các ngôn ngữ khác như J++/J#, Python và Ruby thông qua
dịch vụ cài đặt riêng rẽ. Nó cũng hỗ trợ XML/XSLT, HTML/XHTML, JavaScript và
CSS.

4.3 Tìm hiểu bo mạch điều khiển Arduino
4.3.1 Giới thiệu về Arduino
Hình 4.4: 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++.

4.3.2 Arduino UNO R3
Hình 4.5: Hình dáng board Arduino Uno R3
Thông số làm việc:
Bảng 0.1: 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 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)

Vi điều khiển:
UNO R3 sử dụng phổ biến chip vi điều khiển Atmega328
Hình 4.6: 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 UNO. 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 4.7: 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 4.8: Trình biên dịch Arduino
4.3.3 Arduino nano
Arduino Nano là phiên bản nhỏ gọn của Arduino Uno với cùng MCU
ATmega328P, vì cùng MCU nên mọi tính năng hay chương trình có trên Arduino Uno
đều có trên Arduino Nano

Hình 4.9: Sơ đồ chân Arduino nano
Các thông số kĩ thuật của Arduino Nano hầu như giống hoàn Arduino Uno R3, vì
vậy các thư viện trên Arduino Uno đều hoạt động tốt trên Arduino Uno. Tuy nhiên, ở
Nano có một lợi thế cực kì quan trọng, nhờ đó Arduino Nano đã được ứng dụng rất
nhiều trong các dự án DIY, đó chính là kích hước của nó. Đồng thời Nano còn số
lượng chân Analog nhiều hơn Uno (2 chân A6, A7 chỉ dùng để đọc) cùng với dùng ra
tối đa của mỗi chân IO lên đến 40mA. Nhưng, có một điểm trừ nhẹ cho Nano, đó là
mạch này Nano cần đến 2KB bộ nhớ cho bootloader (ở Uno là 0.5KB).
Một vài thông số của Arduino nano :
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit
Điện áp hoạt động 5V DC
Tần số hoạt động 16 MHz
Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC
Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14
Số chân Analog 6
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328)
SRAM 2 KB (ATmega328)
EEPROM 1 KB (ATmega328)

Chức năng các chân :
GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi bạn 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, bạn 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 bạn 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.
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, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng.
32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn 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, bạn hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này đâu.
2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn khai báo
khi lập trình sẽ lưu ở đây. Bạn 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 bạn
phải bận tâm. Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.

Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do, NGUYỄN TRỌNG TUẤN ANH.pdf

Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do, NGUYỄN TRỌNG TUẤN ANH.pdf

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do, NGUYỄN TRỌNG TUẤN ANH.pdf

Similar to Thiết kế và chế tạo cánh tay robot 5 bậc tự do, NGUYỄN TRỌNG TUẤN ANH.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, NGUYỄN TRỌNG TUẤN ANH.pdf