THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG RPS e8649c97

1. ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
VÕ NGỌC SƠN
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG RPS
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng - Năm 2018

2. ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
VÕ NGỌC SƠN
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG RPS
Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ điện tử
Mã số : 8520114
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. LƢU ĐỨC BÌNH
Đà Nẵng - Năm 2018

3. LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn
VÕ NGỌC SƠN

4. MỤC MỤC
TRANG BÌA
LỜI CAM ĐOAN
MỤC MỤC
TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài......................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................................1
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu............................................................................1
4. Phƣơng pháp nghiên cứu..........................................................................................2
5. Ý nghĩa khoa học thực tiễn ......................................................................................2
6. Cấu trúc luận văn .....................................................................................................2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU........................................4
1.1. Tổng quan cơ bản Robot có cấu trúc song song ...................................................4
1.1.1. Robot có cấu trúc song song...........................................................................4
1.1.2. Phân loại chung về Robot...............................................................................5
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc thuộc lĩnh vực đề tài........7
1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu của thế giới về robot song song..................7
1.2.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nƣớc về robot song song.................13
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG ....................17
2.1. Lý thuyết về phân tích động học.........................................................................17
2.1.1. Các phƣơng trình liên kết cho Robot song song RPS tổng quát ..................17
2.1.2. Bài toán động học thuận ...............................................................................21
2.1.3. Bài toán động học ngƣợc..............................................................................21
2.2. Tính toán các chỉ số hoạt động robot ..................................................................22
2.3. Giới Thiệu Arduino NANO ................................................................................25
CHƢƠNG 3. 29THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG RPS ............................................29
3.1. Thiết Kế Hệ Thống Cơ Khí.................................................................................29
3.1.1. Chọn phƣơng án sơ đồ động để thiết kế robot RPS......................................29
3.1.2. Thông số cơ bản của Robot RPS ..................................................................30
3.1.3. Phạm vi hoạt động của Robot.......................................................................31
3.1.4. Bài toán động học .........................................................................................31
3.1.5. Lựa Chọn Các Thành phần cơ khí................................................................44

5. 3.2. Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển..........................................................................47
3.2.1.Sơ đồ khối m hình điều khiển......................................................................47
3.2.2. Mach hiển thị LCD I2C ................................................................................48
3.2.3. Mạch cấp nguồn cho hệ thống......................................................................49
3.2.4. Mạch điều khiển: ..........................................................................................50
3.2.5. Mạch điều khiển động cơ Cylinder...............................................................51
3.2.6. Tạo giao diện điều khiển GUI ......................................................................52
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ CHẾ TẠO ROBOT ..............................................................56
4.1. Kết quả mô hình Robot sau khi chế tạo xong .....................................................56
4.2. Giao Diện Điều Khiển Sau Khi Hoàn Thành......................................................57
KẾT LUẬN CHUNG....................................................................................................58
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................59
PHỤ LỤC ......................................................................................................................60

6. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG RPS
Học viên: Võ Ngọc Sơn Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử
Mã số: 8.52.01.14 Khóa: K32 Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt – Robot song song RPS đang đƣợc phát triển và ứng dụng rộng rãi tại các nhà
máy trên toàn tế giới vì nó có nhiều ƣu điểm hơn so với mô hình robot nối tiếp nhƣ khả
năng chịu tải trọng lớn, độ cứng vững cao, độ chính xác cao. Tuy nhiên, Robot song song
vẫn tồn tại một số nhƣợc điểm nhƣ vùng làm việc bị hạn chế,việc giải bài toán động học
và động lực học phức tạp, tồn tại nhiều điểm kỳ dị trong vùng làm việc nên việc điều
khiển trở nên phức tạp hơn. Trong đề tài này, tác giả tiến hành nghiên cứu mô hình Robot
song song RPS, phân tích động học thuận, động học ngƣợc robot. Kết quả phân tích đƣợc
sử dụng trong phân tích vùng làm việc, các điểm kỳ dị cũng nhƣ các chỉ số hoạt động
robot. Từ việc lựa chọn các thành phần cơ khí, tác giả đã thiết kế và chế tạo Robot song
song RPS. Các phân tích về các bài toán động học và hệ thống điều kiển cũng đƣợc giới
thiệu trong luận văn. Tác giả đã tóm tắt các kết quả đã đạt đƣợc và đƣa ra các hƣớng phát
triển tiếp theo.
DESIGN AND MANUFACTURE PARALLEL ROBOT RPS
Abstract - RPS parallel robots are being developed and widely used in factories around
the world as it has many advantages over serial robot models such as large load
capacity, high stiffness,excellent accuracy. However, parallel robots still have some
disadvantages such as limited workspace, complex dynamics and complex dynamics,
there are many singular points in the work area, so the control becomes more complex. In
this topic, the author conducts the study of RPS parallel robot model, dynamic kinematics
analysis, reverse robot robot. Analytical results are used in work area analysis,
singularities as well as robot performance indicators. From the selection of mechanical
components, the author has designed and manufactured the parallel robot RPS. Analyzes
of dynamical problems and control systems are also presented in the dissertation. The
achieved results are summarized and perspective of the work is provided.

7. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
RPS R – Revolute, P – Prismatic; S – Spherical
R : Revolute khớp quay
P : Prismatic khớp tịnh tiến
S : Spherical khớp cầu

8. DANH MỤC CÁC HÌNH
Số
hiệu
Tên hình Trang
1.1.
Tay máy song song đƣợc Eric Gough hoàn thiện và chế tạo tại hãng
Dunlop Rubber
8
1.2. Thiết bị m phỏng bay 8
1.3. Robot Delta 9
1.4. Thiết bị gia c ng hexapod 10
1.5. Thiết bị Surgiscope 11
1.6. Robot hàn đang làm việc trong nhà máy 11
1.7. Robot Inrotech 12
1.8. Sử dụng thử nghiệm robot VNR-T1 trong đào tạo. Ảnh. V. Đức 14
1.9. Hệ thống robot khi hoàn thành 14
1.10.
Robot SM6 chuẩn bị tích hợp trong quy trình hàn ghép tại tại Xí
nghiệp 197
15
1.11. Robot song song 6 chân 15
1.12. M hình một số tay máy th ng dụng 16
2.1. Cấu trúc chấp hành song song RPS 17
2.2. Hệ toạ độ cố định Oxyz 19
2.3. Cấu trúc chấp hành song song RPS 22
2.4. Arduino NANO 25
3.1. Sơ đồ động học của Robot RPS 29
3.2. Sơ đồ kết cấu của Robot RPS 30
3.3. Th ng số cơ bản của Robot RPS 30
3.4. Tọa độ điểm O1 – tâm của tấm di động 35
3.5. Góc quay của tấm di động 35
3.6. Hành trình chuyển động của các piston 36
3.7. Góc nghiên của các piston 36
3.8. Vận tốc chuyển động tịnh tiến của các piston 37
3.9. Tọa độ điểm O1 – tâm của tấm di động 37
3.10. Góc quay quanh trục x của tấm di động 38
3.11. Hành trình chuyển động của các piston 38

9. Số
hiệu
Tên hình Trang
3.12. Góc nghiên của các piston 39
3.13. Vận tốc chuyển động tịnh tiến của các piston 39
3.14. Tọa độ điểm O1 – tâm của tấm di động 40
3.15. Góc quay quanh trục x và y của tấm di động 40
3.16. Hành trình chuyển động của các piston 41
3.17. Góc nghiên của các piston 41
3.18. Vận tốc chuyển động tịnh tiến của các piston 42
3.19. Góc quay quanh trục x và y của tấm di động 43
3.20. Hành trình chuyển động của các piston 43
3.21. Góc nghiên của các piston 44
3.22. Vận tốc chuyển động tịnh tiến của các piston 44
3.23. Trục piston hành trình 45
3.24. Khớp cầu 46
3.25. Tấm đế cố định 46
3.26. Tấm di động 47
3.27. Sơ đồ khối m hình điều khiển. 47
3.28. Sơ đồ nguyên lý mạch điện hệ thống 48
3.29. Module I2C 48
3.30. Khối cấp nuồn 49
3.31. IC LM750 50
3.32. Mạch điều khiển 51
3.33. Khối điều khiển động cơ 51
3.34. Khởi động GUI 52
3.35. diện GUI 53

10. 1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, robot song song đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công
nghiệp, thiết bị y tế, khoa học quân sự,… bởi vì nó có nhiều ƣu điểm so với mô
hình robot nối tiếp nhƣ khả năng chịu tải trọng lớn (large load capacity), độ cứng
vũng cao (high stiffness), độ chính xác cao (excellent accuracy), … Tuy nhiên,
robot song song vẫn tồn tại một số nhƣợc điểm nhƣ vùng làm việc bị hạn chế
(limited workspace), việc giải bài toán động học và động lực học phức tạp, tồn tại
nhiều điểm kỳ dị trong vùng làm việc nên việc điều khiển trở nên phức tạp hơn.
Nhiều kết cấu robot song song đƣợc sử dụng tùy theo ứng dụng, nhƣ Stewart
– Gough robot, giới thiệu lần đầu bởi Gough và đƣợc thiết kế ứng dụng trong mô
hình mô phỏng lái máy bay bởi Stewart . Robot này có 6 bậc tự do, nên nó thƣờng
đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi chuyển động lớn. Tuy nhiên trong
nhiều ứng dụng công nghiệp, hệ thống chỉ cần các robot hoạt động với ít bậc tự do
hơn, nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động động bộ của hệ thống. Chính vì vậy một số
m hình robot đƣợc giới nhƣ robot H4 với 4 bậc tự do, đƣợc sử dụng trong pick và
place với tốc độ cao, giới thiệu bởi c ng ty Poerot năm 1999, robot Delta – 3 bậc tự
do với 3 khâu chấp hành tịnh tiến , robot Delta với 3 khâu chấp hành quay , Robot
phẳng hai bậc tự do RR, … Năm 1993, Hunt giới thiệu mô hình robot 3RPS (R –
Revolute, P – Prismatic; S – Spherical), chuyển động dọc theo trục z, quay quanh
trục x và trục y. Kết cấu robot gồm có 1 tấm đế cố định và một tấm chuyển động
(thƣờng đƣợc gắn cơ cấu chấp hành) đƣợc nối với nhau bới ba chân thông qua 3
khớp ở mỗi chân. Giữa tấm đế và chân nối nhau bởi khớp quay, giữa tấm chuyển
động và chân là khớp cầu, nối giữa hai khớp quay và khớp cầu là cơ cấu chấp hành
tịnh tiến.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Tác giả tiến hành nghiên cứu m hình robot song song RPS, phân tích động
học thuận, động học ngƣợc robot. Kết quả phân tích đƣợc sử dụng trong phân tích
vùng làm việc, các điểm kỳ dị cũng nhƣ các chỉ số hoạt động (Performace Index)
robot.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài thực hiện với nội dung chủ yếu sau:
- Nghiên cứu tổng quan về robot song song
- Nghiên cứu lý thuyết và giải bài toán động học của robot RSP
- Phân tích vùng làm việc, các điểm kỳ dị, các chỉ số hoạt động của robot.
- Thiết kế và chế tạo mô hình robot song song RPS.

11. 2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Cách tiếp cận: Tìm hiểu và phân tích các nghiên cứu về robot song song,
robot RPS và các bài toán tối ƣu hóa.
- Phƣơng pháp nghiên cứu:
•Nghiên cứu lý thuyết và mô hình
5. Ý nghĩa khoa học thực tiễn
- Đƣợc sử dụng cho các nghiên cứu khác liên quan đến robot song song
6. Cấu trúc luận văn
MỞ ĐẦU
 Lý do chọn đề tài
 Mục tiêu
 Đối tƣợng nghiên cứu
 Phƣơng pháp nghiên cứu
 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG
1.1.Tổng quan cơ bản về robot song song RPS
 1.1.1 Robot có cấu trúc song song
 1.1.2 Phân loại chung về Robot
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc thuộc lĩnh vực đề
tài
 1.2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu của thế giới về robot song song
 1.2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nƣớc về robot song song
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG
2.1 Lý thuyết về phân tích động học :
 2.1.1 Các phƣơng trình liên kết cho Robot song song RPS tổng quát
 2.1.2 Bài toán động học thuận
 2.1.3 Bài toán động học ngƣợc
2.2. Tính toán các chỉ số hoạt động robot
 2.2.1 Tính toán vị trí cho robot song song RPS cụ thể
2.3 Giới Thiệu Arduino NANO
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT
3.1. Thiết Kế Hệ Thống Cơ Khí:
 3.1.1. Chọn phƣơng án sơ đồ động để thiết kế robot RPS
 3.1.2. Thông số cơ bản của Robot RPS

12. 3
 3.1.3 Phạm vi hoạt động của Robot
 3.1.4 Bài toán động học
 3.1.5. Lựa chọn các thành phần cơ khí
3.2.Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển :
 3.2.2. Mach hiển thị LCD I2C
 3.2.1.Sơ đồ khối m hình điều khiển
 3.2.3. Mạch cấp nguồn cho hệ thống
 3.2.4. Mạch điều khiển
 3.2.5 Mạch điều khiển động cơ Cylinder
 3.2.6 Tạo giao diện điều khiển GUI
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ CHẾ TẠO ROBOT
4.1 Kết quả mô hình Robot sau khi chế tạo xong
4.2 Giao diện điều khiển sau khi hoàn thành
KẾT LUẬN

13. 4
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan cơ bản Robot có cấu trúc song song
1.1.1. Robot có cấu trúc song song
a) Giới thiệu chung:
Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hoá trong sản xuất, các cơ cấu
Robot cũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú. Trong những thập niên
gần đây, Robot cấu trúc song song đƣợc Gough và Whitehall nghiên cứu năm 1962
và sự chú ý ứng dụng của Robot cấu trúc song song đã đƣợc khởi động bởi Stewart,
vào năm 1965 ng là ngƣời cho ra đời buồng tập lái máy bay dựa trên cấu trúc song
song. Hiện nay cơ cấu song song đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động đƣợc nối với giá cố
định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân. thƣờng số chân
bằng số bậc tự do, đƣợc điều khiển bằng nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc
ngay trên chân. Chính lý do này mà các Robot song song đ i khi còn gọi là các
Robot có bệ.
Do tính ƣu việt của Robot song song nên ngày càng thu hút đƣợc nhiều nhà
khoa học nghiên cứu đồng thời cũng đƣợc ứng dụng ngày càng rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực:
+ Ngành Vật lý: giá đỡ kính hiển vi, giá đỡ thiết bị đi chính xác.
+ Ngành Cơ khí: máy gia c ng cơ khí chính xác, máy c ng cụ CNC.
+ Ngành Bƣu chính viễn th ng: giá đỡ ăngten, vệ tinh địa tĩnh.
+ Ngành chế tạo Ôtô: hệ thống thử tải lốp Ôtô, buồng tập lái Ô tô.
+ Ngành quân sự: Robot song song đƣợc dùng làm bệ đỡ ổn định đƣợc đặt
trên tầu thuỷ, trên xe, tren máy bay, trên chiến xa và các tàu ngầm. Để giữ cân bằng
cho angten, camera theo dõi mục tiêu, cho rada, cho các thiết bị đo laser, bệ ổn định
cho phóng tên lửa, buồng tập lái máy bay, xe tăng, tàu chiến…
b) Một số ưu nhược điểm của robot song song:
Nhìn chung, tất cả các loại Robot có cấu trúc song song đều có nhiều ƣu
điểm và có thể đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, các bộ mô hình máy bay, các
khung đỡ kiến trúc khớp nối điều chỉnh, các máy khai thác mỏ…
 Ƣu điểm:
- Khả năng chịu đƣợc tải cao: Các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên khối
lƣợng của các thành phần cũng nhỏ hơn.
- Độ cứng vững cao do kế cấu hình học của chúng.

14. 5
- Tất cả các lực tác động đồng thời đƣợc chia sẻ cho tất cả các chân.
- Cấu trúc động học một cách đặc biệt của các khớp liên kết cho phép chuyển
tất cả lực tác dụng thành các lực kéo/nén của các chân.
- Có thể thực hiện đƣợc các thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính xác
cao: với cấu trúc song song, sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc trục của các cụm cơ
cấu chân riêng lẻ và các sai số không bị tích luỹ.
- Có thể thiết kế ở các kích thƣớc khác nhau.
- Đơn giản hoá các cơ cấu máy và giảm số lƣợng phần tử do các chân và
khớp nối đƣợc thiết kế sẵn thành các cụm chi tiết tiêu chuẩn.
- Cung cấp khả năng di động cao trong quá trình làm việc do có khối lƣợng
và kích thƣớc nhỏ gọn.
- Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền.
- Tầm hoạt động của Robot cơ cấu song song rất rộng từ việc lắp ráp các chi
tiết cực nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp, đòi hỏi độ chính
xác cao nhƣ: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp…
- Các Robot song song làm việc không cần bệ đỡ và có thể di chuyển tới mọi
nơi trong m i trƣờng sản xuất. Chúng có thể làm việc ngay cả khi trên thuyền và
treo trên trần, tƣờng…
- Giá thành của các Robot song song ứng dụng trong gia c ng Cơ khí ít hơn
so với máy CNC có tính năng tƣơng đƣơng.
 Nhƣợc điểm:
Tuy nhiên các Robot song song cũng có nhƣợc điểm nhất định khi so sánh
với các Robot chuỗi nhƣ:
- Khoảng không gian làm việc nhỏ và khó thiết kế.
- Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp
- Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian.
1.1.2. Phân loại chung về Robot
Robot có thể phân loại theo nhiều tiểu chuẩn, số bậc tự do động học, hệ
thống truyền động, dạng hình học của chi tiết gia c ng, các đặt tinh chuyển động.
a) Phân loại theo số bậc tự do
Sơ đồ phân loại Robot thƣờng dùng là theo số bậc tự do. Một cách lý tƣởng
cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để sử lý đối tƣợng một cách tự do trong không
gian 3 chiều. Theo quan điểm này, Robot da năng có 6 bậc tự do và Robot thiếu có
nhất ít hơn 6 bậc tự do, Robot dƣ có thêm một bậc tự do dể di chuyển qua các
hƣớng chƣớng ngại vật hoặc trong không gian hẹp. Mặt khác, đối với một số ứng

15. 6
dụng đặt biệt, chẳng hạn lắp ráp các chi tiết trên mặt phẳng chỉ có Robot 4 bậc tự do
là đủ.
b) Phân loại theo cấu trúc động học
Robot đƣợc gọi là Robot nối tiếp nếu cấu trúc động học có dạng chuỗi vòng
hở, Robot song song nếu có chuỗi vòng kín, và Robot lai nếu có vòng kín và
vòng hở.
c) Phân loại theo hệ thống truyền động
Có 3 hệ thống truyền động phổ biến là điện, thuỷ lực và khí nén đƣợc dùng
cho Robot. Hầu hết các cơ cấu chấp hành đều sử dụng động cơ bƣớc hoặc động cơ
trợ động DC, do chúng tƣơng đối dễ điều khiển. Tuy nhiên khi cần tốc độ cao và
khả năng mang tải cao, thƣờng dùng chuyển động thuỷ lực hoặc khí nén có tính linh
hoạt khá cao. Mặc dù truyền động khí nén sạch và nhanh nhƣng khó điều khiển do
không khí là chất khí nén đƣợc.
Trong cơ cấu nối tiếp, nói chung một bộ tác động đƣợc dùng để điều khiển
chuyển động của từng khớp. Nếu từng khâu chuyển động đƣợc truyền động bằng
một bộ tác động lắp trên khâu trƣớc đó th ng qua hộp giảm tốc, sự dịch chuyển của
khâu này về mặt động học là độc lập với khâu khác, đây là cơ cấu chấp hành nối
tiếp quy ƣớc. Mặt khác, nếu mỗi khớp đƣợc truyền động trực tiếp bằng bộ tác động
không có hộp giảm tốc, cơ cấu đó đƣợc gọi là cơ cấu chấp hành truyền động trực
tiếp.
Việc dùng hộp giảm tốc cho phép sử dụng động cơ nhỏ hơn, do đó làm giảm
quán tính của cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên, độ lệch khớp của của các bánh răng
trong hộp giảm tốc có thể gây ra sai số vị trí ở bộ phận tác động. Kỹ thuật truyền
động trực tiếp khắc phục đƣợc vấn đề bánh răng và có thể tăng tốc độ cho cơ cấu
chấp hành. Tuy nhiên, các động cơ truyền động trực tiếp tƣơng đối lớn và nặng. Do
đó chúng thƣờng đƣợc dùng để truyền động khớp thứ nhất của cơ cấu chấp hành,
động cơ đƣợc láp đặt ở đế. Nói chung động cơ cũng có thể đƣợc lắp đặt ở đế để
truyền động khớp thứ hai hoặc khớp thứ ba th ng qua đai kim loại hoặc khâu
thanh đẩy.
Một số cơ cấu chấp hành sử dụng bộ cánh bánh răng, xích và đĩa để truyền
động các khớp. Khi sử dụng hệ thống truyền động này cho cơ cấu chấp hành qua
nhiều khớp, độ dịch chuyển của sẽ phụ thuộc lẫn nhau. Các cơ cấu chấp hành kiểu
đó gọi là vòng kín.
d) Phân loại theo hình dạng hình học không gian làm việc.
Không làm việc của cơ cấu chấp hành đƣợc xác định là thể tích không gian
đầu tác động có thể với tới. Nói chung, thƣờng sử dụng hai định nghĩa về không

16. 7
gian làm việc. Thứ nhất là không gian có thể với tới, thể tích kh ng gian trong cơ
cấu tác động có thể với tới từng điểm theo ít nhất là một chiều. Thứ hai là không
gian linh hoạt, thể tích kh ng gian trong đó cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm
theo mọi chiều có thể. Không là một phần của không gian có thể với tới.
Mặc dù đây kh ng phải điều kiện cần, nhƣng nhiều cơ cấu chấp hành nối tiếp
đƣợc thiết kế với 3 khâu đầu dài hơn các khâu còn lại, do đó 3 khâu này đƣợc dùng
chủ yếu để thao tác vị trí, các khâu còn lại đƣợc dùng để điều khiển hƣớng của đầu
tác dụng. Vì lí do đó 3 khâu đầu đƣợc gọi là cánh tay, các khâu còn lại đƣợc gọi là
cổ tay. Trừ các cơ cấu chấp hành có bậc tự do lớn hơn là 6, cánh tay thƣờng có 3
bậc tự do, cổ tay có 1-3 bậc tự do.
Hơn nữa, bộ cổ tay thƣờng đƣợc thiết kế với các trục khớp cắt nhau tại một
điểm chung gọi là tâm cổ tay. Bộ cánh tay có thể có nhiều kiểu cấu trúc động học,
tạo ra các biên làm việc khác nhau, đƣợc gọi là vùng không gian làm việc.
Không gian do nhà sản xuất Robot cung cấp thƣờng đƣợc xác định theo không gian
làm việc.
Tay máy đƣợc gọi là Robot trụ nếu khớp thứ nhất hoặc khớp thứ hai của
Robot Cartersian (Hình 1.12e) đƣợc thay thế bằng khớp quay.
Tay máy đƣợc là Robot cầu nếu hai khớp đầu là khớp quay khác nhau và
khớp thứ 3 là khớp lăng trụ (Hình 1.12a). vị trí tâm cổ tay của Robot cầu là tập hợp
các toạ độ cầu liên quan với 3 biến khớp nối. Do đó trong kh ng gian làm việc của
Robot cầu đƣợc giới hạn theo hai khối cầu đồng tâm.
Tay máy đƣợc gọi là Robot quay nếu cả 3 khớp đều là khớp quay. Không
gian làm việc của Robot này rất phức tạp thƣờng có tiết diện hình xuyến. Nhiều
Robot công nghiệp là loại Robot quay (Hình 1.12c).
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc thuộc lĩnh vực đề tài
1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu của thế giới về robot song song
- Từ năm 1947, tại Birmingham, Anh quốc, tiến sĩ Eric Gough đã cho ra đời
cấu hình đầu tiên về tay máy song song. Thiết kế này đƣợc Eric Gough hoàn thiện
và chế tạo vào năm 1954 tại hãng Dunlop Rubber với mục đích sử dụng để nâng
chuyển các tải trọng nặng (hình 1.1)

17. 8
Hình 1.1 Tay máy song song được Eric Gough hoàn thiện và chế tạo tại hãng
Dunlop Rubber
- Năm 1965, tại IMechE, Anh Quốc, Tiến sĩ D.Stewart, c ng bố công trình
mô tả một ứng dụng tấm chuyển động (platform) 6 bậc tự do dùng để mô phỏng và
huấn luyện bay. Bản thiết kế này đã gây tác động rất lớn đến việc hình thành các
dạng tay máy song song sau này (hình 1.2).
Hình 1.2. Thiết bị mô phỏng bay
- Năm 1980: Giáo sƣ Reymond Clavel thiết kế ra Delta robot , sau này trở
thành một trong những tay máy song song nổi tiếng nhất (hình 1.3).

18. 9
Hình 1.3. Robot Delta
- Năm 1985: Tay máy song phẳng ra đời dựa trên các cơ cấu phẳng 3 bậc tự
do dùng khớp trụ và tịnh tiến.
- Năm 1987: Máy động học theo cơ cấu song song ra đời.
- Năm 2002: Hội nghị khoa học về tay máy song song đƣợc tổ chức tại Đại
học Laval, Quebec, Canada đƣa ra những định hƣớng phát triển quan trọng về ứng
dụng cho tay máy song song.
- Hàng năm những hội nghị khoa học quốc tế do IFToMM, ASME, IFAC,
IEEE, ICRA, IROS, … đều công bố các công trình nghiên cứu mới về tay máy song
song. Nhiều dự án ở các nƣớc nhƣ CHLB Đức, Thụy Sĩ, Hoa Kỳ đã đƣợc triển khai
trên cơ sở ứng dụng tay máy song song – Hexapod nhƣ:
- Dự án NIST (Mỹ) (hình 1.4) với mục tiêu là đo đạc và mở rộng khả năng
của máy dựa trên nguyên lý Stewart–Gough Platform - Hexapod đƣợc triển khai từ
năm 1998 đến năm 2001.

19. 10
Hình 1.4. Thiết bị gia công hexapod
- Dự án Cubic Hexapod hợp tác giữa Đại học Washington và Tập đoàn c ng
nghệ Hood kéo dài 6 năm từ năm 1998 đến năm 2004. Dự án này đƣợc phát triển từ
tay máy Stewart–Gough Platform để loại trừ nhiễu trong các hệ thống chính xác ,
điều khiển vị trí với độ chính xác 1 nanômét.
- Dự án Hexaglide đƣợc triển khai ở Viện robot của Thụy sỹ bắt đầu từ năm
1996. Tay máy là hệ cấu trúc song song 6 bậc tự do, sử dụng máy phay tốc độ cao
với không gian làm việc 700600500 mm, sử dụng hệ điều khiển VME-Bus và hệ
thống thời gian thực. Ƣu điểm của nó là có thể thực hiện các chuyển động nhanh
với độ cứng vững và độ chính xác cao.
- Công ty Elekta (Thụy Điển), một công ty chuyên về các trang thiết bị y tế
đã dùng robot Delta để làm thiết bị Surgiscope nâng giữ kính hiển vi có khối lƣợng
20 kg dùng trong giải phẫu (hình 1.5).

20. 11
Hình 1.5. Thiết bị Surgiscope
- Một dự án của châu Âu chế tạo robot CRIGOS (Compact Robot for Image
Guided Orthopedic Surgery) sử dụng cơ cấu Gough-Stewart nhằm cung cấp cho các
bác sĩ phẫu thuật một công cụ hiệu suất cao cho phẫu thuật xƣơng.
- Hãng Symetrie (Pháp, chuyên thiết kế và chế tạo tay máy song song) tham
gia các dự án nhƣ:
 Kính viễn vọng kh ng gian James Webb đƣợc thiết kế với hai hệ
thống định vị cảm biến CCD và nguồn sáng dùng hai tay máy song
song kiểu Hexapod (tay máy SONORA và BREVA).
 Hệ thống thử nghiệm động cơ PSA cho hãng t Peugeot-Citroën
- Những ứng dụng Robot trong các nhà máy sản xuất của thế giới :
 Robot hàn trong nhà máy sản xuất ô tô của Volkwagen ở Emden nƣớc
Đức.
Hình 1.6. Robot hàn đang làm việc trong nhà máy

21. 12
 Robot Inrotech chuyên nghiệp ở Đan Mạch đã làm việc trong một nhà
máy đóng tàu, nơi mà những con robot chịu trách nhiệm trong việc
hàn tàu. Chúng có thể thực hiện việc hàn với tỉ lệ nhanh gấp 40% so
với một thợ hàn và chúng đều đƣợc làm việc trong một môi trƣờng
đơn giản nhất trong ngành công nghiệp này.Chƣơng trình điều khiển
của nó có một giao diện đơn giản cho ngƣời dùng. Điều này có nghĩa
là ngƣời điều hành chỉ cần 3 đến 4 tổ hợp phím để có thể điều khiển
đƣợc các con robot hoạt động”.
Hình 1.7. Robot Inrotech
- Một số nghiên cứu đã đƣợc đăng trên các tạp chí và trang web uy tín của thế
giới nhƣ :
 Đánh giá thời gian thực của động học ngƣợc đối với rô bốt y tế 3-RPS
sử dụng nền tảng dSpace đƣợc đăn trên tạp chí IEEE. Bài báo liệt kê
ba phƣơng pháp cho động học ngƣợc của một robot song song y tế 3
bậc tự do với cấu trúc chung R-P-S (Revolute-Prismatic-Spherical) sử
dụng nền tảng MATLAB / Simulink và dSpace. Ba phƣơng thức đƣợc
thực hiện trong MATLAB / Simulink và đƣợc xuất sang nền tảng phát
triển dSpace.So sánh giữa thời gian của ba phƣơng pháp này đã đƣợc

22. 13
nghiên cứu. Phạm vi của bài báo này là để đƣợc xem xét là một trong
những nghiên cứu phù hợp trong một ứng dụng y tế thời gian thực.
 Phân tích điểm kì dị của một Robot 3 RPS song song phẳng và Robot
song song đối xứng 3 RPS dựa trên ma trận Jacobi tịnh tiến/quay đƣợc
đăng trên trang web scientific.net. Bài báo nếu ra một phƣơng pháp
mới về phân tích điểm kỳ dị của robot song song 3 bậc tự do phẳng và
đối xứng đã đƣợc giới thiệu, dựa trên ma trận Jacobi tịnh tiến và quay.
Điểm kỳ dị của các Robot song song với dạng tịnh tiến thuần tuý và
dạng quay thuần túy đƣợc giới thiệu một cách tổng thể.Cuối cùng, kết
quả cho thấy điểm kỳ dị tổng quát hơn có thể đƣợc giải quyết thông
qua các phƣơng pháp mới.
1.2.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước về robot song song
- Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển Robot đã có những bƣớc tiến đáng kể
trong nhiều năm vừa qua. Nhiều đơn vị trên toàn quốc thực hiện thành công các
nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng về Robot nhƣ Trung tâm Tự động hoá,
Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Điện tử, Tin học, Tự động hoá thuộc Bộ Công
nghệp, Đại học Bách khoa TP.HCM, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Học
viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin thuộc Viện
KHCNVN, các công ty doanh nghiệp tƣ nhân.Nổi bật nhƣ Công ty Cổ phần Robot
TOSY, doanh nghiệp thiết kết và chế tạo Robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn
tƣợng trên trƣờng quốc tế.
- Mới đây nhất Việt Nam thành lập 2 viện nghiên cứu tƣ nhân do tập đoàn
Phenikaa phối hợp cùng đại học Thành Tây phát triển gồm Viện Nghiên cứu và
Công nghệ Phenikaa (PRATI - Phenikaa Research and Technology Institute) và
Viện Nghiên cứu Tiên tiến Thành Tây (TIAS - Thanh Tay Institute for Andvance
study).
- Các sản phẩm Robot do Việt Nam nghiên cứu chế tạo nổi bật nhƣ :
 Robot 5 bậc tự do có tỷ lệ nội địa hóa 95%:

23. 14
Hình 1.8. Sử dụng thử nghiệm robot VNR-T1 trong đào tạo. Ảnh. V. Đức
Sản phẩm robot 5 bậc tự do mang tên VNR-T1có giá thành thấp, dễ sửa
chữa và đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng robot trong giảng dạy của các trƣờng. Đây
là robot khớp xoay dạng đứng, trọng lƣợng 15kg, có thể làm việc trong bán kính tối
đa là 610m, tốc độ lớn nhất 600mm/giây, trọng tải lớn nhất là 1kg và có độ chính
xác lặp lại trong khoảng 0,8mm...
Khi ra mắt, robot này sẽ đƣợc ứng dụng rộng rãi trong lắp ráp, gia c ng kim
loại, hàn...
 Viện Cơ học phát triển thành c ng Hệ thống Robot 6 bậc tự do SM6 phù hợp với
điều kiện sản xuất tại Việt Nam
Hình 1.9. Hệ thống robot khi hoàn thành

24. 15
Robot SM6 hiện đã đƣợc vận hành thử nghiệm tại Xí nghiệp 197 – Tổng
c ng ty Kinh tế Kỹ thuật c ng nghiệp Quốc Phòng. Robot SM6 sử dụng để vận
hành sản xuất trong gia c ng cơ khí cụ thể là c ng đoạn hàn ghép chi tiết bằng kim
loại của quy trình sản xuất khung giá đỡ.
Hình 1.10. Robot SM6 chuẩn bị tích hợp trong quy trình hàn ghép tại tại
Xí nghiệp 197
Thành c ng của SM6 mở ra hƣớng nghiên cứu tiếp để giảm giá thành sản
phẩm so với nhập ngoại (giá nhập khẩu 1 robot cùng chủng loại dao động từ 600-
700 triệu đồng), tối ƣu hóa chức năng, đặc tính kỹ thuật, chủ động thiết bị thay thế,
quy trình bào trì, bảo dƣỡng, phát triển các ứng dụng phần mềm th ng minh điều
khiển, kiểm soát trên thiết bị di động ứng dụng trên nền Internet.
 Robot song song Hexapod
Hình 1.11. Robot song song 6 chân

25. 16
Robot song song 6 chân dựa trên nguyên lý Gough - Stewart Platform cho
mục đích gia c ng cắt gọt với chuyển động của bàn máy (mang ph i) đƣợc vận
hành và điều khiển bởi 6 chân (Hexapod).
Hình 1.12. Mô hình một số tay máy thông dụng
d) Tay máy SCARA
b) Tay máy CYLINICAL
c) Tay máy REVOIUTE
a) Tay máy POLAR
e) Tay máy CARTERSIAN

26. 17
CHƢƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG
2.1. Lý thuyết về phân tích động học
2.1.1. Các phương trình liên kết cho Robot song song RPS tổng quát
Trên hình 2.1 m tả sơ đồ động học của Robot song song RPS.
a) Quan hệ về hình học và các hệ toạ độ
Do cấu trúc Robot đảm bảo tính hợp lý nên các chân AiBi  Zi (các trục quay). Gọi
O và P là trọng tâm của hai tam giác A1A2A3 và B1B2B3, ta đặt lên đó các hệ toạ độ
nhƣ trên hình 2.1:
- Ox0y0z0 : Hệ toạ độ cố định.
- Pxyz : Hệ toạ độ động gắn liền với bàn máy động.
- Aixiyizi, (i = 1,2,3): Hệ động gắn với chân thứ i. Với xi i
i B
A và zi trục quay, trục
yi lập với xi và zi một hệ quy chiếu thuận.
Ta đƣa thêm vào 3 toạ độ suy rộng i (i = 1,2,3) là góc hợp bởi trục z0 và trục xi
nhƣ hình vẽ.
Ngoài ra ta sử dụng các ký hiệu:
- ai : Véc tơ đại số chứa các toạ độ của điểm Ai trên hệ cố định, ai= T
i
i
i a
a
a 3
2
1 ,
,
A1
A2
A3
B1
B3
B2
Hình 2.1. Cấu trúc chấp hành song song RPS
Đế cố định
Bàn máy động
x0
y0
z0
x1
x1
x2
x3
z1
z2
z3
P
O
z1
y1

27. 18
bi: Véc tơ đại số chứa các toạ độ của điểm Bi trên hệ cố định.
- B
bi : Véc tơ đại số chứa các toạ độ của điểm Bi trên hệ cố động,
B
bi= T
iz
iy
ix
b
,
b
,
b .
- p: véc tơ đại số chứa các toạ độ của điểm P trên hệ cố định, p = [p1,p2,p3]T
.
- di: độ dài chân thứ i (di = AiBi).
- bi và B
bi : Xác định đƣợc từ kết cấu hình học của robot.
- A
RB : Ma trận cosin chỉ hƣớng của hệ động Pxyz so với hệ cố định Ox0y0z0.
- A
Ri : Ma trận cosin chỉ hƣớng của hệ động Aixiyizi so với hệ cố định Ox0y0z0.
A
RB











z
z
z
y
y
y
x
x
x
w
v
t
w
v
t
w
v
t
, A
Ri











iz
iz
iz
iy
iy
iy
ix
ix
ix
w
v
u
w
v
u
w
v
u
với: (i = 1,2,3). (2.1)
Các phần tử của ma trận A
RB và ma trân A
Ri tuỳ theo kết cấu của bàn đế cố định, là
hàm của góc i.
Từ hình vẽ ta có:
i
i OA
OB  + i
iB
A (i = 1,2,3) (2.2)
OP
OBi  + i
PB (i = 1,2,3) (2.3)
Ta có thể biểu diễn (2.2) và (2.3) dƣới dạng sau:
bi = ai + A
Ri.










0
0
di
(i = 1,2,3) (2.4)
bi = p + A
RB.










0
0
di
(i = 1,2,3) (2.5)
Kết hợp hai phƣơng trình trên ta có :
p + A
RB.B
bi = ai + A
Ri.










0
0
di
(i=1,2,3) (2.6)
Hệ thức (2.6) gồm có 9 phƣơng trình chứa các ẩn là toạ độ diểm P, độ dài các chân
di, các góc i. Khi giải các bài toán động học thuận/ngƣợc, ta đã biết 3 th ng số p/di
nên c ng việc còn lại chỉ chỉ giải bài toán 6 phƣơng trình 6 ẩn, các th ng số còn lại

28. 19
nhƣ hƣớng của bài máy động, hƣớng của các chân i
iB
A sẽ đƣợc xác định khi đã
biết các th ng số này.
Hệ thức này có ý nghĩa rất quan trọng, qua đó ta có thể giải quyết bài toán động học
một cách trọn vẹn cả bài toán thuận và bài toán ngƣợc, điều mà các phƣơng pháp
trƣớc đây chƣa giải quyết đƣợc hay mới chỉ đƣa ra cách giải quyết bài toán thuận
b) Tính toán các phần tử của hệ thức (2.6)
Các ma trận cosin chỉ hƣớng A
Ri đƣợc xác định bởi các phép quay liên tiếp dựa vào
lý thuyết trình bày ở mục 2.2, ta thực hiện các phép biến đổi liên tiếp để hệ toạ độ
cố định Oxyz trùng với hệ Aixiyizi .
Hình 3.2
Hình 2.2. Hệ toạ độ cố định Oxyz
Áp dụng hệ thức trong tam giác ta có thể tính đƣợc độ dài các đƣờng trung bình,
nhƣ vậy sẽ xác định đƣợc 2 và 3.
cos 2 =
2
1
2
2
1
2
2
2
1
OA
OA
2
A
A
OA
OA 

cos 3 =
3
1
2
3
1
2
3
2
1
OA
OA
2
A
A
OA
OA 

Ma trận A
Ri đƣợc xác định bởi các phép quay liên tiếp từ hệ cố định quanh chính nó
nhƣ sau:
A
Ri = Az1. Ax2. Az3. Ax4
Với Az1 , Ax2 , Az3 , Ax4 lần lƣợt là ma trận cosin chỉ hƣớng của các phép quay
sau:
-Quay một góc ( 1
2



) quanh trục z0.
-Quay tiếp quanh trục x của hệ mới một góc (/2)
-Quay tiếp quanh trục z của hệ mới một góc (/2 + 1)
-Quay tiếp quanh trục x của hệ mới một góc 
Z3
Z2
1
Z1
X0
Y0

29. 20
Vậy :
A
R1=























































1
0
0
0
1
0
0
0
1
.
0
0
0
1
sin
cos
0
cos
sin
.
0
1
0
1
0
0
0
0
1
.
1
0
0
0
sin
cos
0
cos
sin
1
1
1
1
1
1
1
1
A
R1=

























0
sin
cos
sin
cos
cos
sin
cos
cos
cos
sin
sin
sin
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Bằng cách tƣơng tự ta cũng xác định đƣợc các ma trận A
R2 và A
R3
Ma trận A
R2 đƣợc xác định bởi các phép quay sau:
- Quay hệ cố định một góc ( 2
2
2





) quanh trục z0.
- Quay tiếp quanh trục x của hệ mới một góc (/2).
- Quay tiếp quanh trục z của hệ mới một góc (/2 + 2).
- Quay tiếp quanh trục x của hệ mới một góc .
A
R2=































































1
0
0
0
1
0
0
0
1
.
0
0
0
1
sin
cos
0
cos
sin
.
0
1
0
1
0
0
0
0
1
.
1
0
0
0
)
sin(
)
cos(
0
)
cos(
)
sin(
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
A
R2=





































0
sin
cos
)
sin(
cos
)
cos(
sin
)
cos(
)
cos(
cos
)
sin(
sin
)
sin(
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Ma trận A
R3 đƣợc xác định bởi các phép rơ quay sau:
- Quay hệ cố định một góc ( 3
3
2

 


) quanh trục z0.
- Quay tiếp quanh trục x của hệ mới một góc (/2).
- Quay tiếp quanh trục z của hệ mới một góc (/2 + 3).
- Quay tiếp quanh trục x của hệ mới một góc .

30. 21
A
R3=































































1
0
0
0
1
0
0
0
1
.
0
0
0
1
sin
cos
0
cos
sin
.
0
1
0
1
0
0
0
0
1
.
1
0
0
0
)
sin(
)
cos(
0
)
cos(
)
sin(
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
A
R3=





































0
sin
cos
)
sin(
cos
)
cos(
sin
)
cos(
)
cos(
cos
)
sin(
sin
)
sin(
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
Ta thấy các thành phần của các ma trận A
Ri (i=1,2,3) chỉ chƣa các ẩn là các góc i
còn 2 , 3 và i (i=1,2,3) đã biết do kết cấu của robot.
Mặt khác dựa vào kết cấu của bàn di động B ta có :
(b1 – b2)T
(b1- b2) = 2
2
1B
B (2.7)
(b1 – b3)T
(b1- b3) = 2
3
1B
B (2.8)
(b2 – b3)T
(b2- b3) = 2
3
2B
B (2.9)
Với bi = ai + A
Ri.










0
0
di
(i = 1,2,3)
Nhƣ vậy các thành phần của hệ thức (2.6) đƣợc xác định th ng qua 9 ẩn số 1, 2,
3, d1, d2, d3, p1, p2, p3 .
Khi giải quyết bài toá động học thuận hay ngƣợc, ta biết trƣớc đƣợc 3 ẩn (d1, d2, d3
hoặc p1, p2, p3 ). C ng việc còn lại chỉ phải giải hệ 6 phƣơng trình 6 ẩn số.
2.1.2. Bài toán động học thuận
Bài toán động thuận là bài toán biết độ dài các chân di (i=1,2,3), ta phải tìm
vị trí của bàn máy động p và ma trận A
RB.
Ta thay các giá trị di vào hệ (3.6), ta đƣợc hệ 6 phƣơng trình với 6 ẩn số là:
1, 2, 3,, p1, p2, p3 .
2.1.3. Bài toán động học ngược
Bài toán động ngựoc là bài toán biết vị trí của bàn máy di động pi (i=1,2,3),
ta phải tìm vị trí của các chân di (i=1,2,3) và các góc i (i=1,2,3).
Ta thay các giá trị pi vào hệ (2.6), ta đƣợc hệ 6 phƣơng trình với 6 ẩn số là:
1, 2, 3, d1, d2, d3 .

31. 22
2.2. Tính toán các chỉ số hoạt động robot
*. Tính toán vị trí cho robot song song RPS cụ thể
Trên hình 2.3 m tả sơ đồ động học của một con robot song song RPS, có đế
cố định A1A2A3 và bàn di động B1B2B3 là các tam giác đều. Độ dài PB1=h: OA1= g.
Khi các góc 2= 3 = 2/3. Để đảm bảo tính hợp lý của kết cấu ta có zi = AiBi , zi 
OAi nên i = /2
Khi đó B
b1 =










0
0
h
; B
b2 =

















0
2
3
.
h
2
h
; B
b3 =


















0
2
3
.
h
2
h
(2.10)
a1=










0
0
g
; B
b2 =

















0
2
3
.
g
2
g
; B
b3 =


















0
2
3
.
g
2
g
(2.11)
A1
A2
A3
B1
B3
B2
Hình 2.3. Cấu trúc chấp hành song song RPS
Đế cố định
Bàn máy động
x0
y0
z0
x1
x1
x2
x3
z1
z2
z3
y1
z1
P
O

32. 23
Sử dụng c ng thức (2.7), (2.8), (2.9) thay vào hê thức (2.6) :
Các ma trận A
R1 trở thành:
A
R1 =















0
sin
cos
1
0
0
0
cos
sin
1
1
1
1
(2.12)
A
R2 =



























0
sin
cos
2
1
cos
2
3
sin
2
3
2
3
cos
2
1
sin
2
1
2
2
2
2
2
21
(2.13)
A
R3 =

























0
sin
cos
2
1
cos
2
3
sin
2
3
2
3
cos
2
1
sin
2
1
3
3
3
3
3
3
(2.14)
Thay vào hệ thức (2.6) ta đƣợc:
+ Với i = 1:
p1 + ux .h = g – d1.sin1
p2 + uy.h = 0
p3 + uz.h = d1cos1
Suy ra:
ux =
h
sin
d
p
g 1
1
1



uy =
h
p2

uz =
h
p
cos
d 3
1
1


+ Với i = 2
2
2
x
x
1
sin
d
2
1
2
g
2
3
h
.
v
2
h
.
u
p 






33. 24
2
2
y
y
1
sin
d
2
3
2
3
g
2
3
h
.
v
2
h
.
u
p 



 (2.16)
2
2
x
z
3
cos
d
2
3
h
.
v
2
h
.
u
p 



+ Với i = 3
3
3
x
x
1
sin
d
2
1
2
g
2
3
h
.
v
2
h
.
u
p 





3
3
y
y
1
sin
d
2
3
2
3
g
2
3
h
.
v
2
h
.
u
p 




 (2.17)
3
3
x
z
3
cos
d
2
3
h
.
v
2
h
.
u
p 



Thực hiện các phép biến đổi (2.15), (2.16), (2.17) và thay các B
bi vào (2.7), (2.8),
(2.9) ta đƣợc:
3p1 =
2
1
(d2sin2 + d3sin3) – d1sin1
3p2 =
2
3
 (d2sin2 - d3sin3)
3p3 = d1cos1 + d2cos2 – d3cos3 (2.18)
3g2
– 3gd1sin1 - 3gd2sin2 +d1 d2sin1.sin2 – 2d1d2cos1.cos2+ d
2
2
2
2
1
h
3
d 

3g2
– 3gd1sin1 - 3gd3sin3 +d1 d3sin1.sin3 – 2d1d3cos1.cos3+
2
2
3
2
1
h
3
d
d 

3g2
– 3gd2sin2 - 3gd3sin3 +d2d3sin2.sin3 – 2d2d3cos2.cos3+
2
2
3
2
3
h
3
d
d 

Hệ (2.18) là dạng khai triển của hệ (2.6) áp dụng cho một robot song song 3RPS cụ
thể, nhờ hệ này ta có thể áp dụng tính toán và giải bài toán động học robot một cách
trọn vẹn.
a) Bài toán động học thuận.
Bài toán động học thuận là bài toán biết độ dài các chân di (i = 1,2,3) ta phải
tìm vị trí của bàn máy động p và ma trận A
RB.

34. 25
Theo phần trên ta thay các giá trị di (i = 1,2,3) vào hệ (2.8) ta sẽ đƣợc hệ 6 phƣơng
trình 6 ẩn là 1, 2, 3, p1, p2, p3 .
Chú ý 3 phƣơng trình sau của hệ (2.18) chỉ chứa di và i nên việc giải hệ 6 phƣơng
trình 6 ẩn đơn giản còn có 3 phƣơng trình 3 ẩn là i. Sau đó thay các giá trị của di
và i vào 3 phƣơng trình đầu ta sẽ đƣợc các giá trị của p.
Các gía trị còn lại đƣợc tính bằng cách thay trực tiếp vào phƣơng trình (2.15),
(2.16), (2.17).
b) Bài toán động học ngược
Bài toán động học ngƣợc là bài toán biết vị trí bàn máy động p, ta phải tìm
độ dài các chân di (i = 1,2,3) và các góc i (i=1,2,3).
Tƣơng tự nhƣ cách làm đối với bài toán động học thuận ta thay các giá trị p vào hệ
(2.18), ta sẽ đƣợc hệ 6 phƣơng trình với 6 ẩn số là 1, 2, 3, d1, d2, d3.
Các giá trị còn lại đƣợc tính bằng cách thay trực tiếp vào phƣơng trình (2.15),
(2.16), (2.17).
2.3. Giới Thiệu Arduino NANO
Hình 2.4. Arduino NANO
Arduino hiện nay đã đƣợc biết đến một cách rộng rãi tại Việt Nam, và trên
thế giới thì nó đã quá phổ biến! Sức mạnh của chúng ngày càng đƣợc chứng tỏ theo
thời gian với v vàn các ứng dụng mở (open source) độc đáo đƣợc chia sẻ rộng rãi.
Với Arduino bạn có thể ứng dụng vào những mạch đơn giản nhƣ mạch cảm
biến ánh sáng bật tắt đèn, mạch điều khiển động cơ,... hoặc cao hơn nữa bạn có thể
làm những sản phẩm nhƣ: máy in 3D, Robot, khinh khí cầu, máy bay kh ng
ngƣời lái,...
Một hệ thống Arduino có thể cung cấp cho bạn rất nhiều sự tƣơng tác với
m i trƣờng xung quanh với:
- Hệ thống cảm biến đa dạng về chủng loại (đo đạc nhiệt độ, độ ẩm, gia tốc, vận tốc,
cƣờng độ ánh sáng, màu sắc vật thể, lƣu lƣợng nƣớc, phát hiện chuyển động, phát
hiện kim loại, khí độc,…),…
- Các thiết bị hiển thị (màn hình LCD, đèn LED,…).

35. 26
- Các module chức năng (shield) hỗ trợ kêt nối có dây với các thiết bị khác hoặc các
kết nối kh ng dây th ng dụng (3G, GPRS, Wifi, Bluetooth, 315/433Mhz,
2.4Ghz,…), …
- Định vị GPS, nhắn tin SMS,…
Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà ngƣời ta
thƣờng nói tới chính là dòng Arduino UNO. Nhƣng đồng thời còn có 11 mạch nhỏ
gọn hơn nhƣng đáp ứng đầy đủ tất cả tính năng của UNO R3.. Đó là mạch arduino
NANO
Một vài thông số của Arduino NANO
Vi điều khiển ATmega328 (họ 8bit)
Điện áp hoạt động 5V – DC (chỉ đƣợc cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ 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 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)
Arduino NANO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,
ATmega168, ATmega328.

36. 27
a)Các chân năng lượng :
- 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 đƣợc 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 dƣơng
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 đƣợc đo ở
chân này. Và dĩ nhiên nó lu n là 5V. Mặc dù vậy bạn kh ng đƣợc 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 tƣơng đƣơng với
việc chân RESET đƣợc nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
b) Bộ nhớ :
Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho ngƣời dùng:
- 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ đƣợc lƣu trữ trong bộ nhớ
Flash của vi điều khiển. Thƣờng thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ đƣợc dùng
cho bootloader nhƣng 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 lƣu 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.
- 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read OnlyMemory):
đây giống nhƣ một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu của mình
vào đây mà kh ng phải lo bị mất khi cúp điện giống nhƣ dữ liệu trên SRAM
c) Các cổng vào/ra
Arduino NANO 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 đƣợc cài đặt ngay trong vi điều khiển
Atmega328 (mặc định thì các điện trở này kh ng đƣợc kết nối).
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt nhƣ 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 th ng qua 2
chân này. Kết nối bluetooth thƣờng thấy nói n m na chính là kết nối Serial kh ng
dây. Nếu kh ng cần giao tiếp Serial, bạn kh ng nên sử dụng 2 chân này nếu kh ng
cần thiết

37. 28
- Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân
giải 8bit (giá trị từ 0 → 28
-1 tƣơng ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite(). Nói
một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh đƣợc điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến
5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V nhƣ những chân khác.
- Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài các chức
năng th ng thƣờng, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI
với các thiết bị khác.
- LED 13: trên Arduino NANO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút
Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó đƣợc nối với chân số 13. Khi
chân này đƣợc ngƣời dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
Arduino NANO 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 chânAREF trên
board, bạn có thể để đƣa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức
là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn 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 NANO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp
I2C/TWI với các thiết bị khác.

38. 29
CHƢƠNG 3
THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG RPS
3.1. Thiết Kế Hệ Thống Cơ Khí
3.1.1. Chọn phương án sơ đồ động để thiết kế robot RPS
Trong phạm vi của luận án này, ta chọn sơ đồ động học nhƣ hình 3.1 để thiết
kế. Đây là sơ đồ giống với nguyên bản ban đầu của Robot RPS
Hình 3.1. Sơ đồ động học của Robot RPS
- Các phƣơng án lựa chọn cơ cấu truyền động tịnh tiến của Robot
 Phƣơng án 1: hệ truyền động bánh răng thanh răng
 Phƣơng án 2: hệ truyền độn xilanh-piston
Ta chọn hệ truyền động xilanh- piston vì với xilanh- piston ta sẽ thiết kế hệ
thống điều khiển dễ dàng hơn so với truyền động bánh răng thanh răng .
- Dùng phần mềm Pro-engineer ta vẽ đƣợc sơ đồ kết cấu 3D của Robot song song
RPS

39. 30
Hình 3.2. Sơ đồ kết cấu của Robot RPS
3.1.2. Thông số cơ bản của Robot RPS
Hình 3.3. Thông số cơ bản của Robot RPS
A1
A2
A3
B3
B1
B2
x
y
z
O
O1
x1
y1
z1
s11
s12
s22
s21
s32
s31
k3
k1
k2

40. 31
No. Vị trí Khớp Chú thích
1 A1, A2, A3 Khớp quay Khớp bị động
2 A1B1, A2B2, A3,B3 Khớp tịnh tiến Khớp chủ động
3 B1, B2, B3 Khớp cầu Khớp bị động
3.1.3. Phạm vi hoạt động của Robot
Bảng thông số hình học của Robot RPS
Thông Số giá trị
Hành trình mỗi piston 150 mm
Chiều cao thấp nhất của Robot 280mm
Chiều cao cao nhất của Robot 430mm
Góc làm việc của khớp cầu ± 200
Mục tiêu thiết kế góc nghiên ban đầu 120
3.1.4. Bài toán động học
Đặt hệ trục tọa độ nhƣ hình 3.2:
- Hệ tọa độ cố định Oxyz tại tâm của tấm phẳng cố định A1A2A3 với trục Ox
song song với A3A1 và trục Oz đặt vuông góc với tấm phẳng cố định
A1A2A3.
- Hệ tọa độ di động O1x1y1z1 đặt tại tâm của tấm phẳng di động B1B2B3 với
trục O1x1 song song với B3B1 và trục O1z1 đặt vuông góc với tấm phẳn di
động B1B2B3.
- Giả sử tại mỗi khớp quay A1, A2, A3 đặt các hệ tọa độ tƣơng ứng là s11,
s12; s21, s22, s31, s32 nhƣ hình… Trong đó s11 đặt dọc theo đƣờng OA1,
s12 đặt dọc theo trục khớp quay tại A1. Tƣơng tự cho các hệ tọa độ tại khớp
A2, A3.
- Giả sử vectơ đơn vị của mỗi chân robot là k dọc theo các trục khớp tịnh tiến,
chân A1B1 có vecto đơn vị là k1, chân A2B2 có vecto đơn vị là k2, vecto
đơn vị chân A3B3 là k3.
Tọa độ các khớp quay của tấm phẳng cố định A1A2A3 đối với hệ tọa độ Oxyz là:
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
[ ]

41. 32
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
[ ]
[ ]
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
[ ]
Tọa độ các khớp cầu của tấm phẳng di động B1B2B3 đối với hệ tọa độ O1x1y1z1
là:
⃗⃗⃗⃗
[ ]
⃗⃗⃗⃗
[ ]
[ ]
⃗⃗⃗⃗
[ ]
Giả sử góc nghiên giữa hai hệ tọa độ Oxyz và O1x1y1z1 biểu diễn qua các hệ số
Roll – Pitch – Yaw.
[ ]
[ ]
[ ]

42. 33
[ ]
Gỉa sử tọa độ của tấm di động B1B2B3 đối với hệ tọa độ cố định A1A2A3:
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ [ ]
Vậy hệ tọa độ của các khớp cầu đối với hệ cố định Oxyz:
⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗
Vectơ khoảng cách giữa khớp cầu và khớp quay:
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
Giả sử là khoảng cách giữa khớp quay và khớp cầu của mỗi chân robot.
Khi đó ta có hệ phƣơng trình:
⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
Vectơ đơn vị tại các điểm A1, A2, A3:
⃗⃗⃗⃗⃗
[ ]
⃗⃗⃗⃗⃗
[ ]
⃗⃗⃗⃗⃗
[ ]

43. 34
⃗⃗⃗⃗⃗
[ ]
⃗⃗⃗⃗⃗
[ ]
⃗⃗⃗⃗⃗
[ ]
Hệ phƣơng trình rang buộc bởi các khớp quay tại A1, A2, A3:
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗
Hệ phƣơng trình rang buộc khoảng cách giữa các đỉnh tấm di động B1B2B3:
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗
Phân tích vận tốc:
Đạo hàm hệ phƣơng trình sau
⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗
Ta có:
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
̇
⃗
⃗ ⃗⃗⃗⃗ ̇ ⃗⃗⃗⃗ ̇ ⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
̇
⃗
⃗ ⃗⃗⃗⃗ ̇ ⃗⃗⃗⃗ ̇ ⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
̇
⃗
⃗ ⃗⃗⃗⃗ ̇ ⃗⃗⃗⃗ ̇ ⃗⃗⃗⃗
- Trƣờng hợp 1: Di chuyển dọc trục z

44. 35
Hình 3.4. Tọa độ điểm O1 – tâm của tấm di động
Hình 3.5. Góc quay của tấm di động

45. 36
Hình 3.6. Hành trình chuyển động của các piston
Hình 3.7. Góc nghiên của các piston

46. 37
Hình 3.8. Vận tốc chuyển động tịnh tiến của các piston
- Trƣờng hợp 2: chuyển động quay quanh trục x
Hình 3.9. Tọa độ điểm O1 – tâm của tấm di động

47. 38
Hình 3.10. Góc quay quanh trục x của tấm di động
Hình 3.11. Hành trình chuyển động của các piston

48. 39
Hình 3.12. Góc nghiên của các piston
Hình 3.13. Vận tốc chuyển động tịnh tiến của các piston
- Trƣờng hợp 3: chuyển động quay quanh trục x và trục y
( )
Tải bản FULL (88 trang): bit.ly/2Ywib4t
Dự phòng: fb.com/KhoTaiLieuAZ

49. 40
Hình 3.14. Tọa độ điểm O1 – tâm của tấm di động
Hình 3.15. Góc quay quanh trục x và y của tấm di động
Tải bản FULL (88 trang): bit.ly/2Ywib4t
Dự phòng: fb.com/KhoTaiLieuAZ

50. 41
Hình 3.16. Hành trình chuyển động của các piston
Hình 3.17. Góc nghiên của các piston
e8649c97