Đồ án tính toán, thiết kế robot công nghiệp ba bậc tự do 3RTR.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP
KHOA CƠ KHÍ
Bộ mơn: CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

MÔN HỌC
THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHIỆP

Sinh viên :
Lớp :
Giáo viên hướng dẫn : ThS. Nguyễn Ngọc Hà

Thái Nguyên – 2020


TRƯỜNG ĐẠI HỌC KTCN

KHOA CƠ KHÍ

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
--------------

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
MÔN HỌC: THIẾT KẾ RÔ BỐT CÔNG NGHIỆP
BỘ MÔN: CƠ ĐIỆN TỬ
Sinh viên: Trần Hữu Phúc Mã số sinh viên: K175520114107 Lớp: K53CĐT.02
Trương Ngọc Sơn Mã số sinh viên: K175520114112 Lớp: K53CĐT.02
Ngành: Cơ điện tử

Ngày giao đề: .........................................Ngày hồn thành: .......................................
1.Tên đề tài: Tính tốn, thiết kế robot công nghiệp ba bậc tự do 3RTR .
(Mã số: IR-08).
2. Nội dung thuyết minh tính tốn:
Nhiệm vụ đồ án bao gồm:
 Tổng quan về đối tượng thiết kế.
 Giải quyết bài toán động học thuận, động học ngược.
 Giải quyết bài tốn lập trình quỹ đạo làm việc.
 Mơ phỏng động học quá trình làm việc.
3. Các bản vẽ, chương trình và đồ thị
 Thuyết minh, chương trình và đồ thị mơ phỏng.

TRƯỞNG BỘ MƠN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

ThS. Nguyễn Ngọc Hà


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………

Thái Nguyên, ngày….tháng…..năm 20....
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký ghi rõ họ tên)

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN CHẤM
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
Thái Nguyên, ngày….tháng…..năm
20....


GIÁO VIÊN CHẤM
(Ký ghi rõ họ tên)
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ROBOT.............................................................. 1
1.1 Lịch sử phát triển của robot công nghiệp.....................................................1
1.2 Phân loại Robot (IR)................................................................................... 2
1.2.1 Phân loại tay máy theo cấu trúc sơ đồ động:......................................... 3
1.3 Ứng dụng robot công nghiệp........................................................................6
1.3.1 Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp...................................................6
1.3.2. Một số lĩnh ứng dụng Robot công nghiệp.............................................6

1.4 Các xu thế sử dụng robot trong tương lai:....................................................8
1.5 TÌNH HÌNH TIẾP CẬN VÀ ỨNG DỤNG ROBOT CÔNG NGHIỆP Ở
VIỆT NAM...................................................................................................... 10
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CẤU TRÚC ROBOT TÍNH TỐN- THIẾT KẾ
ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC..................................................................12
2.1 Phân tích nhiệm vụ tay máy và đặc điểm của phôi....................................12
2.2 Chọn phương án thiết kế............................................................................12
2.2.1 Phân tích các phương án...................................................................... 13
2.2.2: Sơ đồ động và hệ tọa độ tay máy........................................................ 13
2.3 TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC TAY MÁY......................................................15
2.3.1 Giải bài toán động học thuận............................................................... 15
2.3.2 Giải bài toán động học ngược.............................................................. 18
Kết Luận Chương................................................................................................25
CHƯƠNG 3: QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT.............................. 26
3.1 Cơ sở lý thuyết...........................................................................................26
3.2 Một số câu lệnh trong Matlab:................................................................... 26
3.3 Phương trình nội suy.................................................................................. 27
3.3.1. Tính cho biến khớp q1......................................................................27
3.3.2: Mơ phỏng quỹ đạo chuyển động của tay kẹp của robot...................28
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................30



CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ROBOT
1.1 Lịch sử phát triển của robot công nghiệp
Nhu cầu nâng cao sẩn xuất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi
ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa sản xuất. Xu hướng tạo ra nhưng
dây chuyền về thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang hình thành. Các thiết
bị này đang thay thế dần các máy tự động “cứng” chỉ đắp ứng một việc nhất
định trong lúc thị trường ln ln địi hỏi thay đổi mặt hang về chủng loại, về

kĩnh cỡ, về tính năng v v… vì thế ngày càng tăng nhanh chóng nhu cầu ứng
dụng Robot để chế tạo ra các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt .
Thuật ngữ Robot xuất hiện vào năm 1920 trong một tác phẩm văn học
của nhà văn tiệp khắc có tên là Karel Capek.
Thuật ngữ inducstrial Robot (IR) xuất hiện đầu tiên ở mỹ do công ty
AMF (Americal Machine and Foundry Company) quảng bá mô phỏng cho một
thiết bị mang dáng dấp và có một số chức năng như tay người được điều khiển
tự động thực hiện một số thao tác để sản xuất thiết bị có tên gọi là Versatran.
Q trình phát triển của IR được tóm tắt như sau:
- Từ những năm 1950 ở mỹ xuất hiện nhiều viện nghiên cứu đầu tiên
- Vào những năm 1960 xuất hiện sẳn phẩm đầu tiên gọi là versatran của công
ty AMF.
- Ở Anh người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR theo bản quền của Mỹ từ
những năm 1967.
- Ở các nước tây Âu khác như: Đức, ý, Pháp, Thụy Điển thì bắt đầu chế tạo IR
từ những năm 1970.
- Châu Á có Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng IR từ những năm 1968.
Đến nay, trên thế giới có khoảng trên 200 cơng ty sản xuất IR trong số đó
có 80 cơng ty của Nhật, 90 công ty của Tây Âu, 30 công ty của Mỹ và một số
cơng ty của Nga, Tiệp…
Tính năng làm việt của Robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng
nhận biết và xử lý. Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế
tạo ra mẫu Robot hoạt động theo mơ hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và
định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến. Năm 1974 Công ty
Mỹ Cincinnati đưa ra loại Robot điều khiển bằng máy vi tính, gọi là Robot
T3( The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai). Loại Robot có thể nâng vật có
khối lượng đến 40kg.


Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ

cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càn phong phú của hệ thống
điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến,
công nghệ lập trình và các phát triển của trí khơn nhân tạo, hệ chuyên gia…
Từ những năm sau này,việc nâng cao tính hoạt động của Robot không
ngừng phát triển. các Robot được trang bị thêm các bộ cảm biến khác nhau để
nhận biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh
vực Tin học-Điện tự đã tạo ra các Robot có nhiều tính năng đặc biệt, số lượng
Robot ngày càng ra tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, Robot cơng
nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các hệ thống dây truyền sản xuất hiện đại.
Một vài số liệu về số lượng Robot được sản xuất ở một vài nước công
nghiệp phát triển như sau:
Nước sản xuất

Năm 1990

Năm 1994

Năm 1998
(dự tính)

Nhật
Mỹ
Đức
Ý
Pháp
Anh
Hàn Quốc

60.118
4.327

5.845
2.500
1.488
510
1.000

29.756
7.634
5.125
2.408
1.197
1.086
1.200

67.000
11.100
8.600
4.000
2.000
1500

Mỹ là nước đầu tiên phát minh ra Robot, nhưng nước phát triển cao nhất
trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo và sử dụng Robot lại là Nhật
1.2 Phân loại Robot (IR)
Theo chủng loại, mức độ điều khiển, và nhận biết thông tin của tay máyngười máy đã sản xuất trên thế giới có thể phân loại các IR thành các thế
hệ sau:
- Thế hệ 1: thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dưới dạng chương trình
cứng khơng có khả năng nhận biết thơng tin.
- Thế hệ 2: thế hệ có điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình mềm
bước đầu có khả năng tiếp nhận thơng tin.

- Thế hệ 3: Thế hệ có kiểu điều khiển dạng tinh khơn, có khả năng nhận
biết thơng tin và bước đầu có khả năng lý trí của con người.


1.2.1 Phân loại tay máy theo cấu trúc sơ đồ động:
Thông thường cấu trúc chấp hành của tay máy công nghiệp được mơ hình
hóa trong dạng chuỗi động với các khâu và các khớp như trong nguyên lý
máy với các giả thiết cơ bản sau:
- Chỉ sử dụng các khớp động loại 5 (khớp quay, khớp tịnh tiến, khớp vít).
- Trục quay hướng tịnh tiến của các khớp thì song song hay vng góc với
nhau.
- Chuỗi động chỉ là chuối động hỏ đơn giản.
Ta ví dụ về chuối động của một tay máy cơng nghiệp có 6 bậc tự do, các
khớp A, B, F là các khớp tổng quát, có nghĩa là chúng có thể là khớp
quay, cũng có thể là khớp tịnh tiến, các khớp D, E, K chỉ là những khớp
quay. Các khâu được đánh số bắt đầu từ 0-giá cố định, tiếp đến là các
khâu 1,2…n- các khâu động, khâu tổng quát ký hiệu là khâu I (i=1,2…n),
khâu n cuối cùng mang bàn kẹp của tay máy. Tương tự như tay người để
bàn kẹp gồm 3 loại chuyển động, tương ứng với các chuyển động này là 3
dạng sơ đồ cấu trúc máy như sau:
- Cấu trúc chuyển động toàn bộ (chân người) cấu trúc này thực hiện chuyển
động đem toàn bộ tay máy (tay người) đến vị trí làm việc. Cấu trúc này hết sức
đa dạng và thông thường nếu không phải là tay máy hoạt động trong hệ thống
mà chuyển động này cần có sự kiểm soát. Người ta thường coi tay máy là đứng
yên, khâu 0 là giá cố định của tay máy.
- Cấu trúc xác định bàn kẹp bao gồm các khớp A, B và F các khâu 1,2 và 3,
chuyển động của cấu trúc này đem theo bàn kẹp với vị trí làm việc. Do giả
thiết về loại khớp động động dung trong chế tạo máy thơng thường ta có nhưng
phối hợp sau đây của các khớp và từ đó tạo nên những cấu trúc xác định vị trí
của bàn kẹp trong khơng gian vị trí khác nhau của bàn kẹp.

Phối hợp TTT nghĩa là 3 khớp điều là 3 khớp tịnh tiến và 1 khớp quay.
Đây là sơ đồ cấu trúc của 1 hệ tọa độ Đề Các so với các tọa độ So vì 3 điểm M
nằm trên khâu 3 khớp đều là khớp tịnh tiến và một chuyển động quay (tức là 2
tọa độ dài).


Phối hợp TRT, RTT, hay TTR nghĩa là một khớp tịnh tiến và 2 khớp quay
(các sơ đồ cấu trúc 2,3 và 4). Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ tọa độ trụ so
với điểm M nằm trên khâu 3 được xác định bới 2 chuyển động tịnh tiến một
chuyển động quay (tức 2 tọa đọ dài 1 tọa độ góc).

Phối hợp RTR, RRT, hay TTR nghĩa là một khớp tịnh tiến 2 khớp quay
(các cấu trúc 5,6,7,8,9 và 10). Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ toạ độ cầu so
với hệ So, vì điểm M trên khâu 3 được xác định bởi chuyển động tịnh tiến và 2
chuyển động quay (tức là một tọa đọ dài hai tọa độ góc).


Phối hợp RRR tức là 3 khớp quay (các câu trúc 11,12) đây là các cấu trúc
hoạt động trong tọa độ góc so với tọa độ So, vì điểm M trên khâu 3 được xác
định bởi 3 chuyển động quay (tức là 3 tọa độ góc), cấu trúc này được gọi là cấu
trúc phỏng sinh học.

Tuy nhiên trong thực tế đối với các tay máy chuyên dùng được sủ dụng
chuyên mơn hóa và đặc biệt là đảm báo giá thành và giá đầu tư tay máy thấp,
người ta không nhất thiết lúc nào cũng phải chế tạo tay máy có đủ 3 khớp động
cho cấu trúc xác định vị trí.
Đối với tay máy cơng nghiệp đã có hơn 250 loại, trong số đó có hơn 40%
loại tay máy có điều khiển đơn giản thuộc thế hệ thứ nhất.
Sự phát triển của IR và sự gia tăng vai trò của chúng trong sản suất và xã
hội loài người làm xuất hiện nghành khoa học mới đó chính là Robot học

(Robotic). Trên thế giới nhiều nới đã xuất hiện nhiều viện nghiên cứu riêng về
Robot.
Ở Việt Nam, từ những năm thập niên 80 đã có viện nghiên cứu về Robot.
1.3 Ứng dụng robot công nghiệp
1.3.1 Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp
Mục tiêu ứng dụng Robot công nghiệp nhằm nâng cao năng suất dây
chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh
của sản phẩm, đồng thời cải tiến điều kiện lao động. Những ưu điểm mà Robot
cơng nghiệp mang lại:
Robot có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn người
thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc. Vì thế Robot có
thể góp phần nâng cao chất lượng và tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm.
Hơn thế nữa Robot có thể nhanh chóng thay đổi cơng việc để thích nghi với sự
biến đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh.


Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng Robot là vì giảm được
đáng kể chi phí cho người lao động nhất là các nước có mức cao về tiền lương
lao động cộng các khoản phụ cấp và bảo hiểm xã hội. Theo số liệu của Nhật
Bản thì nếu một Robot làm việc thay thế cho một người thợ thì tiền mua Robot
chỉ bằng tiền chi phí cho người thợ trong vòng 3 đến 5 năm, tuỳ theo Robot làm
việc mấy ca. Cịn ở Mỹ thì trung bình một giờ Robot làm việc đem lại tiền lời là
13USD.
Việc áp dụng Robot có khả năng làm tăng năng suất dây chuyền cơng
nghệ. Sở dĩ như vậy vì nếu tăng nhịp độ khẩn trương của dây chuyền sản xuất.
Nếu không thay thế con người bằng Robot thì người thợ khơng thể theo kịp
hoặc chóng mệt mỏi. Theo hãng Fanue, Nhật Bản thì năng suất có thể tăng lên
tới 3 lần
Ứng dụng Robot có thể cải thiện điều kiện lao động. Đó là ưu diểm nổi bật
nhất mà chúng ta cần quan tâm. Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người

lao động phải làm việc suốt buổi trong môi trường rất bụi bặm, ẩm ướt, nóng
nực, ồn ào quá mức cho phép nhiều lần. Thậm chí nhiều nơi người lao động cịn
làm việc trong mơi trường độc hại nguy hiểm đến sức khoẻ con người, dễ bị
nhiễm chất độc….
1.3.2. Một số lĩnh ứng dụng Robot công nghiệp
Một trong các lĩnh vực đó là kỹ nghệ đúc. Thường trong phân xưởng đúc
cơng việc rất đa dạng, điều kiện làm việc nóng nực, bụi bặm, mặt hàng thay đổi
luôn và chất lượng sản phẩm đúc phụ thuộc vào quá trình thao tác. Việc tự động
hố hồn tồn hay một phần q trình đúc bằng các dây chuyền tứ động thông
thường với các máy tự động chun dùng địi hỏi phải có các thiết bị phức tạp
đầu tư lớn. Ngày nay ở nhiều nước sử dụng rộng rãi Robot tốt để tự động hố
cơng nghệ đúc, nhưng chủ yếu là để phục vụ các máy đúc áp lực. Robot có thể
làm nhiều việc như: rót kim loại nóng chảy vào khn, lấy vật đúc ra khỏi
khuôn, cắt mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền vật đúc bằng cách
phun cát…. Dùng Robot phục vụ các máy đúc áp lực có nhiều ưu điểm ví dụ
đảm bảo ổn định chế độ làm việc, chuẩn hoá về thời gian thao tác, về nhiệt độ và
điều kiện tháo vật đúc ra khỏi khuân ép. Bởi thế chất lượng vật đúc tăng lên.
Trong ngành gia công áp lực công việc cũng khá nặng nề, dễ gây mệt mỏi
nhất là trong các xưởng, xưởng rèn, dập nên địi hỏi phải sớm áp dụng robot
cơng nghiệp. Trong phân xưởng rèn Robot có thể thực hiện được nhiều việc, ví
dụ đưa phơi thừa vào lị nung, lấy phơi đã nung nóng ra khỏi lị, mang nó đến
máy rèn, chuyển lật phôi tác dụng khi rèn và xếp lại vật đã rèn vào giá hoặc


thùng. Sử dụng các loại Robot đơn giản nhất cũng có thể tăng năng suất từ 1.5
đến 2 lần và hồn tồn giảm nhẹ sức lao động của cơng nhân. So với các phương
tiện cơ giới và tự động khác phục vụ các máy rèn dập thì Robot có ưu điểm
nhanh hơn và chính xác hơn, cơ động hơn.
Các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm nhiều cơng việc nặng
nhọc, độc hại và ở nhiệt độ cao. Do vậy cũng cần áp dụng Robot công nghiệp.

Robot được sử dụng rộng rãi nhất là trong việc tự động hoá q trình hàn,
đặc biệt trong kỹ nghệ ơ tơ.
Robot được sử dụng rộng rãi trong gia công và lắp ráp. Thường người ta sử
dụng Robot cho các công việc tháo lắp phôi và sản phẩm cho các máy gia công
bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động.
Trong ngành chế tạo máy và dụng cụ đo chi phí về lắp ráp thường chiếm
đến 40% giá thành sản phẩm. Trong lúc đó mức độ cơ khí hố lắp ráp khơng q
từ 10% đến 15% đối với sản phẩm hàng loạt là 40%. Bởi vậy việc tạo ra và sử
dụng Robot có ý nghĩa rất quan trọng.


1.4 Các xu thế sử dụng robot trong tương lai:
Robot ngày càng thay thế nhiều lao động.
Trong tương lai kỹ thuật Robot sẽ tận dụng hơn nữa các thành tựu khoa học
liên nghành phát triển cả về phần cứng lẫn phần mềm và ngày càng chiếm lĩnh
nhiều ‘trận địa’’trong công nghiệp. Số lượng lao động được thay thế ngày càng
nhiều vì một mặt Robot ngày càng rẻ do hàng vi điện tử giảm giá liên tục, mặt
khác chi phí tiền lương và các khoản phụ cấp cho người lao động ngày càng
tăng.
Robot càng chở nên chuyên dụng
Khi Robot công nghiệp ra đời người ta thường cố gắng để biểu thị hết khả
năng của nó. Vì thế xuất hiện nhiều loại Robot vạn năng có thể làm được nhiều
việc trên dây chuyền. Tuy nhiên, thực tế chứng tỏ rằng Robot chuyên dụng đơn
giản hơn, chính xác hơn, học việc đơn nhanh hơn, quan trọng hơn là giá thành rẻ


hơn so với Robot vạn năng. Các Robot chuyên dụng hiện đại đều được cấu
thành từ các modun vạn năng. Xu thế modun hoá Robot ngày càng phát triển
nhằm chuyên mơn hố việc chế tạo các modun và từ các modun đó sẽ cấu thành
các kiểu Robot khác nhau thích hợp với từng loại công việc.

Robot ngày càng đảm nhận được nhiều loại công việc lắp ráp
Công đoạn lắp ráp thường chiếm tỷ lệ cao so với tổng thời gian sản xuất
trên tồn bộ dây chuyền. Cơng việc khi lắp ráp lại đòi hỏi phải rất cẩn thận, nhẹ
nhàng, tinh tế, chính xác nên cần thợ có tay nghề cao và phải làm việc căng
thẳng suốt ngày.
Khả năng thay thế con người ở những khâu lắp ráp ngày càng hiện thực là
do đã áp dụng được nhiều thành tựu khoa học mới trong thiết kế chế tạo Robot.
Ví dụ tạo ra những cấu hình đơn giản và rất chính xác dựa trên cơ sở sử dụng
các vật liệu vừa bền, vừa nhẹ. Đồng thời được thừa hưởng kỹ thuật nhận và biến
đổi tín hiệu (sensor). Đặc biệt là kỹ thuật nhận và xử lý ảnh (vision) cũng như kỹ
thuật tin học với các ngôn ngữ bậc cao, Robot công nghiệp đã xuất hiện trên
nhiều công đoạn lắp ráp phức tạp.
Robot di động càng trở nên phổ biến.
Trong các nhà máy hiện đại tên gọi phương tiện dẫn đường tự động AVG
đã trở thành quen biết. Loại đơn giản là những chiếc xe vận chuyển trong nội bộ
phân xưởng được điều khiên theo chương trình với 1 quỹ đạo định sẵn. Càng
ngày các thiết bị loại này càng được hiện đại hoá nhờ áp dụng kỹ thuật vision 3
chiều, kỹ thuật sensor tín hiệu ra, kỹ thuật thơng tin vơ tuyến hoặc dùng tia hồng
ngoại vv… Vì vậy AVG đã có thể hoạt động linh hoạt trong các phân xưởng. Đó
là những Robot di động và gọi là Robocar. Một hướng phát triển quan trọng của
Robocar là không di chuyển bằng các bánh xe mà di chuyển bằng chân, thích
nghi với mọi địa hình.
Robot đi được bằng chân tự leo bậc thang là một đối tượng đang rất được
chú ý trong nghiên cứu. Không những sử dụng trong công nghiệp hạt nhân, hay
cơng nghiệp quốc phịng mà phát triển trong cả công nghiệp dân dụng thông
thường.
Robot ngày càng trỏ nên tinh khơn hơn.
Trí khơn nhân tạo là một vấn đề rất được quan tâm nghiên cứu với các mục
đích khác nhau. Kỹ thuật robot cũng từng bước áp dụng các kết quả nghiên cứu
về trí khơn nhân tạo và đưa vào ứng dụng công nghiệp. Trước hết là sử dụng các

hệ chuyên gia các hệ thị giác nhân tạo, mạng nơron, nhận biết giọng nói, vv…
Cùng với những thành tựu trong nghiên cứu trí khơn nhân tạo Robot ngày càng
có khả năng đảm nhận nhiều nguyên công trên dây chuyền sản xuất địi hỏi sự
tinh khơn nhất định.
Vấn đề thiết bị cảm biến được nhiều ngành kỹ thuật quan tâm và cũng đạt
được nhiều thành tựu mới trong thời kỳ phát triển sơi động của kỹ thuật vi xử lý.
Đó cũng là điều kiện thuận lợi để áp dụng vào kỹ thuật robot nhằm tăng khả
năng thông minh của thiết bị.
Những loại hình được quan tâm nhiều trong cơng nghiệp là các Robot
thơng minh có các cảm biến nhận biết khoảng cách để tránh các vật cản khi di
chuyển, cảm biến nhận biết màu sắc để phân loại, cảm biến lực khi lắp ráp vv…
Khi được lắp thêm các modul này thì Robot được gọi với nhiều tên mới, ví dụ
robot “nhìn được” (vison robot), robot “lắp ráp” ( robot assembly), robot “cảnh
báo” (alarm robot) vv…
Để thơng minh hóa robot bên cạnh việc lắp thêm các modul cảm biến “nội
tín hiệu” và các modul cảm biến “ngoại tín hiệu” thì đồng thời có thể thơng
minh hố robot bằng các chương trình phần mềm có khả năng tự thích nghi và
tự xử lý các tình huống vv.
Như vậy bằng cách bổ sung các modul cảm biến và các modul phần mềm
phù hợp thì có thể nâng cấp cải tiến thơng minh hoá nhiều loại Robot. Tuy nhiên
bản thân các robot này phải có các cơ cấu chấp hành linh hoạt và chính xác.
Ngày nay có nhiều loại robot tơng minh khơngnhững có thể làm việc trong các
phân xưởng cơng nghiệp mà cịn thao tác được ở bênngồi, trên các địa hình
phức tạp như các robot vũ trụ (spce robot), robot tự hành (walking robot), robot
cần cẩu (roborane), tạo dựng từ các modun robot song song vv…
1.5 TÌNH HÌNH TIẾP CẬN VÀ ỨNG DỤNG ROBOT CÔNG NGHIỆP Ở
VIỆT NAM
Trong giai đoạn trước năm 1990 hầu như trong nước chưa du nhập và kỹ

thuật robot, thậm chí chưa nhận được nhiều thơng tin kỹ thuật về lĩnh vực này.
Tuy vậy, với mục tiêu tiếp cận kỹ thuật mới mẻ này, trong nước đã triển khai các
đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước. Đè tài 58.01.03 trong giai đoạn 81-85
và đề tài 52B0.03.01 trong giai đoạn 86-89. Kết quả của những đề tài này không
những đáp ứng được yêu cầu tiếp cận mà cịn có những ứng dụng ban đầu vào
kỹ thuật bảo hộ lao động và phục vụ công tác đào tạo cán bộ ở nước ta.


Giai đoạn tiếp theo 1990 các ngành công nghiệp trong nước bắt đầu đổi
mới. Nhiều cơ sở đã nhập ngoại nhiều dây chuyền thiết bị mới. Đặc biệt là ở một
số doanh nghiệp liên doanh với nước ngoài đã nhập một số loại robot phục vụ
một số công việc sau đây:
- Tháo lắp các dụng cụ cho các trung tâm gia công hoặc các máy CNC.
- Lắp ráp các linh kiện điện tử.
- Tháo sản phẩm ở các máy ép nhựa tự động trong đó có loại thao tác phối
hợp với hệ thống giám sát, điều khiển bằng camera.
- Hàn vỏ xe ô tô.
- Phun phủ các bề mặt.
Tuy nhiên cịn có hàng chục cơ sở trong nước lúc mua dây chuyền đã
không mua các Robot trong danh mục các thiết bị của dây chuyền chào hàng.
Trong đó một số cơ sở đã nhận thấy phải có robot mới đảm bảo chất lượng sản
phẩm của dây chuyền như trong thiết kế. Vì vậy đã xuất hiện các nhu cầu cần
thiết các Robot đó.
Một sự kiện đáng quan tâm là từ tháng 4/98 nhà máy Rorze/Robotech đã
bước vào hoạt động ở khu cơng nghiệp Nomura Hải Phịng. Đây là nhà máy đầu
tiên ở Việt Nam chế tạo và lắp ráp Robot. Đó là loại Robot có cấu trúc rất đơn
giản nhưng chính xác dùng trong sản xuất chất bán dẫn. Nhà máy
Rozre/Robotech có vốn đầu tư 46 triệu USD do Nhật Bản đầu tư.
Trong những năm gần đây thì việc áp dụng các loại Robot vào các dây
chuyền sản xuất ngày càng được sử dụng rộng rãi ở các doanh nghiệp. Ví dụ

như các loại Robot: Robot hàn, Robot phun sơn ở các công ty sản xuất và lắp
ráp ô tô. Đặc biệt là ở các công ty sản xuất và lắp ráp các linh kiện điện tử. Đây
là công việc địi hỏi chính xác cao, và thường lặp lại nên dễ gây mệt mỏi cho
người làm vì vậy sử dụng Robot ở các công ty này là rất phổ biến. Ngoài ra hiện
nay ở các phân xưởng sản xuất sử dụng rất nhiều loại xe Robocar hoặc ở các
công việc trong môi trường độc hại, thường xuyên tiếp xúc với hố chất độc hại
thì cũng sử dụng Robot làm thay con người.
Hiện nay ở một số trường Đại Học đã thành lập bộ môn chuyên ngành về
Robot và đang rất được sự quan tâm của nhiều sinh viên mà tiêu biểu là các
trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, Bách Khoa TPHCM, Đại Học Sư Phạm Kỹ
Thuật TPHCM…. Đặc biệt từ năm 2002 hàng năm VTV3 tổ chức cuộc thi sáng


tạo Robot châu Á Thái Bình Dương. Đây là sân chơi đã được rất nhiều sinh viên
của các trường Đại Học kỹ thuật hưởng ứng tham gia. Hiện nay tại trường Đại
Học Nha Trang đã có bộ mơn Cơ Điện Tử. Tuy nhiên do mới thành lập nên môn
học Robot chưa có nhiều điều kiện để phát triển và chưa có nhiều sinh viên tìm
hiểu về lĩnh vực mới này. Đây là đề tài đầu tiên nghiên cứu về lĩnh vực này, nên
trong q trình thực hiện cịn gặp nhiều khó khăn
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CẤU TRÚC ROBOT TÍNH TỐN- THIẾT
KẾ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC
2.1 Phân tích nhiệm vụ tay máy và đặc điểm của phôi.
- Nhiệm vụ của tay máy là chuyển phơi từ vị trí cấp phơi đến vị trí gia cơng,
sau đó đợi gia cơng xong thì chuyển chi tiết vừa gia cơng đến vị trí thành phẩm
và lặp lại q trình đó.
Phơi là khối vật thể hình trụ trịn, hoặc hình khối lập phương.
+ Đối với phơi là khối trụ trịn đặc trưng bởi toạ độ tâm và bán kính
của hình trịn các tiết diện. Do đó tiếp xúc giữa phơi và tay kẹp có
thể là tiếp xúc đường hoặc tiếp xúc theo mặt cung trịn.
+ Đối với phơi hình khối lập phương đặc trưng bởi toạ độ tâm và

kích thước dài, rộng của các tiết diện tiếp xúc giữa phôi và tay kẹp
(trong trường hợp này là mặt phẳng).
 Từ việc phân tích nhiệm vụ tay máy và đặc điểm của phôi ta có
thể có nhiều phương án thiết kế robot.
2.2 Chọn phương án thiết kế
Phương án 1:

Phương án 2:


Phương án 3:

Phương án 4:

2.2.1 Phân tích các phương án.
Phương án 1 và phương án 2 là hai dạng trong thực tế dùng nhiều. Đặc biệt
là phương án 1 trong thực tế dùng rất phổ biến do kết cấu của nó đơn giản tồn
khớp quay. Như vậy chỉ cần sử dụng một loại cảm biến vị trí góc. Nên việc lập
trình điều khiển cũng dễ dàng hơn.
Tuy nhiên ở 2 phương án trên nó chỉ thực sự linh hoạt khi nó có thêm 1 bậc
tự do ở cổ bàn tay nắm bắt cơng cụ, do đó nó thường là 4 bậc tự do.
Phương án 3 và phương án 4 là hai dạng ít được sử dụng hơn vì độ linh
hoạt của robot không cao, không gian làm việc thường bị giới hạn.
Tuy nhiên ở Phương án 4 có 2 khớp quay nên kết cấu đơn giản hơn so với
Phương án 2 và Phương án 3. So sánh phương án 1 và Phương án 4 thì phương
án 1 thì kết cấu đơn giản hơn phương án 4 kết cấu toàn khớp quay, tuy nhiên với
yêu câu đề tài sử dụng truyển động vít me- đai ốc cho nên phương án 1 không
thực thi được cho nên phương án 4 phù hợp với đề tài có 2 khớp quay mà 1
khớp tịnh tiến.
2.2.2: Sơ đồ động và hệ tọa độ tay máy.

Tay máy có 3 bậc tự do, cấu hình RTR (có hai khớp quay, một khớp tịnh
tiến), các trục khớp nằm theo phương thẳng đứng. Sơ đồ động và hệ toạ độ gắn
trên các khâu của robot như sau:


a2

a3

q3
Z2
02

X3

X2

y3

X2
z3

d2
Z1

X1

O0=O1

X0

q1

Hình 2: Gắn hệ tọa độ lên các khâu của robot
Bảng 2.1: Bảng thơng số D-H của Robot.
Khớp
1
2
3

Trong đó -

R (z, )
()
0
()

T(z,)
0
()
0

T(x,)
0

là góc quay của tồn tay máy quanh trục .

- là góc quay của cánh tay quay trục như hình vẽ.
- ,là độ dài đường vng góc chung giữa 2 trục khớp động.

R (x, )
0
0

X3
O3


- là độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của cánh tay.
Chọn các kích thước cơ bạn cho robot như sau: Miền làm việc được giới hạn
trong vùng diện tích của hình vành khăn bán kính ngồi là R500, bán kính trong
là R176.
- Chiều cao làm việc là 400mm.
- Chiều cao tối thiểu đặt phơi là 400 mm.
- Góc quay của các khớp tay là : 0 1800 ,01800
- Đường kính phơi có thể kẹp là 25 d 50 mm.
- Tải trọng vật nâng chọn 0,1kg.

2.3 TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC TAY MÁY
2.3.1 Giải bài tốn động học thuận.
Để mơ tả quan hệ về hướng và vị trí của hệ tọa độ gắn trên hai
khâu liền nhau ta biểu diễn bằng một ma trận Ai. Ta có thể thiết lập mối
quan hệ giữa các hệ tọa độ nối tiếp nhau bởi các phép quay và tịnh tiến
sau đây:
Quay quanh Zn-1 một góc n.
Tịnh tiến dọc theo Zn-1 một đoạn dn.
Tịnh tiến dọc theo Xn một đoạn an.
Quay quanh Xn một góc n.

Khi đó ma trận Ai có dạng như sau:
Ai = Rot (z, 0). Trans(a,0,0). Trans (0,0, d). Rot (x, )
Hay :

Ai =
Qui ước viết tắt các hàm lượng giác như sau :

C1 = cos1; S1 = sin1; C12 = cos (1+2); S12 = sin (1+2); .......
Ta có:
-Ma trận chuyển đổi hệ tọa độ từ khâu 0 sang khâu 1:
A1=;
-Ma trận chuyển đổi hệ toạ độ từ khâu 1 sang khâu 2:
A2= ;
- Ma trận chuyển đổi hệ toạ độ từ khâu 2 sang khâu 3:
A3=;
Ta có 1T2 = A1*A2 ; 2T3 = A2*A3; 1T3 = 1T2*2T3
Ta có :
1

T2=A1*A2=x=
Ma trận T3 = A1. 1T3
T3 = x =

=
Phương trình động học của tay máy.
T3 =
=
Từ đó ta có hệ phương trình: (1)
n=
n=

n= 0
s= 0

a=
=
a= 0
p=


s= 0
s= 1

p=
p=

Nếu ta xác định được giá trị của biến khớp thì vị trí và hướng của bàn tay
robot sẽ tìm được bằng cách xác định các giá trị các phần tử của T3 theo các
phương trình của hệ trên.
Ma trận T3 mơ tả hướng và vị trí của hệ toạ độ gắn trên khâu chấp hành
cuối đối với hệ tọa độ gốc. Trong đó: là các véctơ chỉ phương của hệ tọa độ
gắn trên khâu chấp hành cuối, là véctơ điểm chỉ vị trí của gốc hệ tọa độ gắn
trên khâu chấp hành cuối.
2.3.2 Giải bài toán động học ngược
a) Dẫn dắt.
Trong thực tế, thường ta biết trước vị trí và hướng mà khâu chấp hành cuối
của robot cần đạt đến. Điều ta cần biết là giá trị của các biến khớp (góc quay và
độ dài tịnh tiến của các khâu) tại mỗi thời điểm đó. Giải hệ phương trình (1), khi
biết trước hướng và vị trí của hệ tọa độ gắn trên khâu chấp hành cuối, ta sẽ xác
định được tập nghiệm (1, d,) là giá trị của các biến khớp. Các phương trình xác
định giá trị các biến khớp thông qua các véctơ được gọi là hệ phương trình

động học ngược của robot.
Điều khiện của bài toán động học ngược:
 Điều kiện tồn tại nghiệm: điều kiện này nhằm khẳng định có ít nhất
một tệp nghiệm (1, d, ) sao cho robot có hình thể cho trước.
 Điều kiện duy nhất của tệp nghiệm: cần phân biệt rõ hai loại
nghiệm.
- Nghiệm toán: Các nghiệm này thỏa mãn các phương trình cho trước của T3.
- Nghiệm vật lý: là các tệp con của nghiệm toán, phụ thuộc vào các giới hạn
vật lý (giới hạn về góc quay, kích thước…) nhằm xác định tệp nghiệm duy
nhất.
b) Giải bài tốn động học ngược.
Ta xác định các kích thước của robot cho trước:
=176mm; =324 mm 0 1800 ,01800 ,
- Nhiệm vụ của Robot


Vận chuyển sản phẩm hình trụ đường kính d=40mm, chiều dài l=60mm, nặng
0,5kg trên băng tải (băng tải cao 500mm) ở vị trí P2 đến để trên giá ở vị trí P5
(giá cao 500mm).

Bảng 2.2: Thơng số các điểm làm việc trên quỹ đạo chuyển động của tay kẹp P
Điểm

A14

A24

A34

P1

P2
P3
P4
P5
P6

0
0
0
500
500
500

400
400
400
0
0
0

600
530
600
600
530
600

- Ta có ma trận mơ tả hướng và vị trí của vật trên băng tải so với hệ tọa độ O0 là:
X=
-Ta có ma trận mơ tả hướng và vị trí đặt vật so với hệ tọa độ gốc O0 là:

Y=


Gọi R là ma trận mô tả hướng và vị trí của điểm đặt vật trên băng tải so với
hệ tọa độ gắn với bàn tay kẹp, P là ma trận mơ tả hướng và vị trí đặt vật so với
hệ tọa độ gắn với bàn tay kẹp.
Phương trình vịng vector:
1)TE==X*R
2) TE==X*P
Sử dụng Matlap để tìm hai ma trận R và P, ta có:
Ma trận R là:

Ma trận P là :

c) Phương pháp giải bài toán
- Input: Ma trận T là tích các ma trận thành phần đã tính ở phần 1
Ma trận A là tọa độ thực đã biết.
- Output: Kết quả của biến khớp qi ( i = 1,2,3).
Nội dung của bài toán động học thuận là cho biết chuyển động của các tọa độ
khớp, ta cần xác định chuyển động của các tọa độ khâu thao tác.
Để giải quyết được bài toán động học ngược robot gắp vật 3 bậc tự do, ta sẽ
dùng phần mềm EXCEL, cụ thể hơn là gói cơng cụ Solver trong phần mềm đó.
Ngược lại trong bài tốn động học ngược, cho biết chuyển động của các tọa
độ
thao tác, ta cần xác định chuyển động của các tọa độ khớp. Các phương pháp
giải bài toán động học ngược được phân thành hai nhóm: các phương pháp giải
tích và các phương pháp số.
Sau đây em sẽ trình bày phương pháp giải tích để giải bài toán động học
ngược cho robot gắp vật 3 bậc tự do.
- Từ ma trận TE ta được hệ phương trình động học nghịch:

Với a14, a24, a34, là các tọa độ thực đã biết.


Vì Robot gắp vật có 3 bậc tự do,nên ta chỉ cần cần thiết lập 3 phương trình
để giải ra 3 ẩn tương ứng.

d) Giải bài toán trên EXCEL:
Bước 1: Nhập các dữ liệu cần thiết cho việc tính tốn.
+ Dữ liệu các khâu: a1, d2, a3
+ Dữ liệu về Px,Py,Pz. Vì robot có 3 bậc tự do nên ta lấy 3 phương trình.
+ Khởi tạo các biến khớp q1, q2, q3 đều bằng 0.
+ Khởi tạo các giá trị trong ma trận A: a14, a24, a34 đều bằng 0.
+ Ta chọn giá trị các thông số: a2= 176, a3= 324, 0 1800 ,01800 ,
Bước 2: Tính các giá trị Fi và tổng F của chúng.
F1= (Px- a14)^ 2
F2= (Py- a24)^ 2
F3= (Pz- a34) ^2
F = F1+ F2 + F3
Bước 3: Dùng cơng cụ Solver tìm biến khớp q1, q2, q3.
Trước tiên ta phải lấy gói cơng cụ Solver ra trước bằng đường dẫn sau:
+ Thiết lập cơ bản.