khảo sát ứng dụng matlab sumulink tính toán mô phỏng động học Robot 3 bậc tự do


Trƣờng đại học giao thông vận tải
Khoa: Cơ khí
Bộ môn: Kỹ thuật máy
………….o
o
o……………



Luận văn tốt nghiệp

ĐỀ TÀI:ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK TÍNH TOÁN,
MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Giáo viên hƣớng dẫn : T.S Phạm Hoàng Vƣơng
Sinh viên thực hiện : Phạm Văn Hợp
Chuyên nghành : Cơ điện tử
Khóa : 50
Mã sinh viên : 0905691

ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang ii
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng
Mục lục
Mục lục ii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii
MỞ ĐẦU 1

CHƢƠNG I. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ROBOT 4
1.1. Sơ lƣợc về sự hình thành và phát triển Robot công nghiệp 4
1.2. Khái niệm về Robot 5
1.3. Cấu trúc của một Robot công nghiệp 6
1.4. Tay máy Robot 7
1.4.1. Kết cấu tay máy Robot 7
1.4.2. Bậc tự do của Robot 8
1.4.3. Vùng làm việc của Robot 9
1.4.4. Một số loại tay máy Robot thông dụng 9
1.4.4.1.Tay máy Robot kiểu toa độ Đecac 9
1.4.4.2.Tay máy kiểu tọa độ trụ 10
1.4.4.3.Tay máy kiểu hệ tọa độ cầu 11
1.4.4.4.Tay máy kiểu hệ tọa độ góc. 12
1.4.4.5.Tay máy Robot SCARA 13
1.5. Ứng dụng Robot công nghiệp trong sản xuất 14
1.5.1. Các ƣu điểm của Robot. 14
1.5.2. Tình hình phát triển Robot và ứng dụng Robot hiện nay 15
CHƢƠNG II. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT . 17
2.1. Xây dựng mô hình 17
2.2. Động học Robot 21
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu các bài toán động học Robot 23
ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang iii
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng
2.3.1. Quy tắc gắn các hệ tọa độ lên các khâu 24
2.3.2. Các thông số động học Denavit Hartenberg 25
2.3.3. Ma trận biến đổi giữa các hệ tọa độ 26
2.4. Bài toán động học Robot 28
2.4.1. Bài toán động học thuận 28

2.4.1.1. Động học thuận Robot SCARA 28
2.4.1.2. Động học thuận Robot hệ tọa độ góc (RRR) 31
2.4.2. Bài toán động học ngƣợc 33
2.4.2.1. Động học ngƣợc Robot SCARA 34
2.4.2.2. Động học ngƣợc Robot hệ tọa độ góc 35
CHƢƠNG III. MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT TRÊN MÁY TÍNH 39
3.1. Kỹ thuật mô phỏng Robot 39
3.2. Giới thiệu về phần mềm Matlab 40
3.3. Xây dựng chƣơng trình mô phỏng động học Robot 41
3.3.1. Phƣơng pháp mô phỏng trên Matlab Simulink 41
3.3.2. Mô phỏng động học thuận Robot 43
3.3.2.1. Mô phỏng động học thuận Robot SCARA 43
3.3.2.2. Mô phỏng động học thuận Robot hệ tọa độ góc 45
3.3.3. Mô phỏng động học ngƣợc Robot 48
3.3.3.1. Mô phỏng động học ngƣợc Robot SCARA 48
3.3.3.2. Mô phỏng động học ngƣợc Robot hệ tọa độ góc. 56
CHƢƠNG IV. THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHO ROBOT 64
4.1. Cơ sở thiết kế quỹ đạo 64
4.2. Thiết kế quỹ đạo cho Robot 65
4.2.1. Thiết kế quỹ đạo Robot SCARA. 65
4.2.1.1. Khảo sát với biến khớp q
1
66
ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang iv
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng
4.2.1.2. Khảo sát với biến khớp q
2
67

4.2.1.3. Khảo sát với khớp trƣợt q
3
69
4.2.2. Thiết kế quỹ đạo cho Robot hệ tọa độ góc 72
4.2.2.1. Khảo sát với biến khớp q
1
72
4.2.2.2. Khảo sát với biến khớp q
2
74
4.2.2.3. Khảo sát với biến khớp q
3
76
Chƣơng V: Kết luận chung 79
5.1. Một số kết quả chính trong luận văn 79
5.2. Một số vấn đề có thể tiếp tục mở rộng nghiên cứu 79
Tài liệu tham khảo 80

ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang v
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT
STT
Kí hiệu
Diễn giải nội dung đầy đủ
1
a
i
Lƣợng tịnh tiến dọc theo trục ox
2

i
Góc quay quanh trục ox
3
d
i
Lƣợng tịnh tiến dọc theo trục oz
4

i
Góc quay quanh trục oz
5
n
Số bậc tự do của Robot
6

DH
Denavit Hartenberg
7
q
i
Biến khớp thứ i
8



Vận tốc biến khớp i
9



Gia tốc biến khớp i
10


1

Ma trận chuyển giữa khâu (i-1) và khâu i
11
R
i
Ma trận quay
12
p
i
Vector tịnh tiến

13
l
i
Chiều dài khâu i của Robot
14


0

Phƣơng trình động học thuận
15
sq
i
sin(q
i
)
16
cq
i
cos(q
i
)
17
s(q
1
+q
2
)
sin(q
1

+q
2
)
18
c(q
1
+q
2
)
cos(q
1
+q
2
)
19
RRR
Robot hệ tọa độ góc
20
q
k
Chuyển vị tại vị trí đầu đoạn dịch chuyển
21



Vận tốc tại vị trí đầu đoạn dịch chuyển
22

+1

Chuyển vị tại vị trí cuối đoạn dịch chuyển
23

+1

Vận tốc tại vị trí cuối đoạn dịch chuyển
24
D1
Giới hạn chuyển vị biến khớp robot Scara
25
D2
Giới hạn chuyển vị biến khớp robot hệ tọa độ góc


ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang vi
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Các thành phần chính của một Robot công nghiệp 6
Hình 1. 2: Các loại khớp thƣờng dùng trong tay máy Robot [8] 7
Hình 1. 3: Vùng làm việc của Robot [12] 9
Hình 1. 4: Tay máy tọa độ vuông góc [2] 10
Hình 1. 5: Tay máy hệ tọa độ trụ [12] 11
Hình 1. 6: Tay máy hệ tọa độ cầu [12] 12
Hình 1. 7: Tay máy hệ tọa độ góc [12] 13
Hình 1. 8: Tay máy Robot SCARA 14
Hình 1. 9: Hệ thống Robot hàn vỏ ôtô [8] 15
Hình 1. 10: Robot phục vụ máy phay CNC [8] 16
Hình 2. 1: Sơ đồ khối động học Robot 23

Hình 2. 2: Sơ đồ thiết lập hệ tọa độ lên các khâu [8] 25
Hình 2. 3: Sơ đồ chuyển đổi hệ tọa độ t O
i-1
x
i-1
y
i-1
z
i-1
về hệ tọa độ O
i
x
i
y
i
z
i
26
Hình 2. 4: Sơ đồ động Robot SCARA 29
Hình 2. 5: Sơ đồ động Robot hệ tọa độ góc 31

Hình 3. 1: Liên kết file (.wrl) vào môi trƣờng Matlab Simulink 41
Hình 3. 2: Giao diện chính chƣơng trình mô phỏng 42
Hình 3. 3: Mô phỏng động học thuận Robot SCARA 43
Hình 3. 4: Đồ thị chuyển vị biến khớp (rad, m) 44
Hình 3. 5: Đồ thị vận tốc biến khớp (rad/s, m/s) 44
Hình 3. 6: Đồ thị gia tốc biến khớp (rad/s
2
,
m/s

2
) 45
Hình 3. 7: Đồ thị vị trí điểm tác động cuối Robot SCARA (cm) 45
Hình 3. 8: Sơ đồ mô phỏng động học thuận Robot hệ tọa độ góc 46
Hình 3. 9: Đồ thị chuyển vị biến khớp (rad) 46
Hình 3. 10: Đồ thị vận tốc biến khớp (rad/s) 47
Hình 3. 11: Đồ thị gia tốc biến khớp (rad/s
2
) 47
Hình 3. 12: Đồ thị tọa độ điểm tác động cuối Robot hệ tọa độ góc (cm) 47
Hình 3. 13: Quỹ đạo điểm thao tác của Robot 49
ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang vii
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng
Hình 3. 14: Mô phỏng động học ngƣợc Robot SCARA theo quỹ đạo đƣờng tròn 50
Hình 3. 15. Đồ thị chuyển vị biến khớp Robot (rad, m) 50
Hình 3. 16: Đồ thị vận tốc biến khớp (rad/s) 51
Hình 3. 17: Đồ thị gia tốc biến khớp (rad/s
2
, m/s
2
) 51
Hình 3. 18: Quỹ đạo điểm tác động cuối 52
Hình 3. 19: Mô phỏng động học Robot SCARA theo quỹ đạo hình elip 52
Hình 3. 20: Đồ thị chuyển vị biến khớp (rad/s, mm/s) 53
Hình 3. 21: Đồ thị vận tốc biến khớp (rad/s, m/s) 53
Hình 3. 22: Đồ thị gia tốc biến khớp (rad/s
2
,m/s

2
) 54
Hình 3. 23: Mô phỏng động học Robot SCARA theo quỹ đạo hình tam giác 54
Hình 3. 24: Đồ thị đặc tính chuyển động của khâu 1 Robot SCARA 55
Hình 3. 25: Đồ thị đặc tính chuyển động của khâu 2 Robot SCARA 55
Hình 3. 26: Đồ thị đặc tính chuyển động của khâu 3 Robot SCARA 55
Hình 3. 27: Mô phỏng động học Robot hệ tọa độ góc theo quỹ đạo hình tròn 57
Hình 3. 28: Quỹ đạo điểm tác động cuối 57
Hình 3. 29: Đồ thị sự biến thiên các giá trị biến khớp 58
Hình 3. 30: Đồ thị sự biến thiên vận tốc các biến khớp 58
Hình 3. 31: Đồ thị sự biến thiên gia tốc góc (rad/s
2
) 59
Hình 3. 32: Qũy đạo điểm tác động cuối 59
Hình 3. 33: Mô phỏng động học ngƣợc Robot hệ tọa độ góc theo quỹ đạo đƣờng
elip 60
Hình 3. 34: Đồ thị chuyển vị biến khớp trong thời gian [0:20] 60
Hình 3. 35: Đồ thị vận tốc góc biến khớp trong thời gian [0:20] 61
Hình 3. 36: Đồ thị sự biến thiên gia tốc góc trong thời gian [0:20] 61
Hình 3. 37: Mô phỏng động học Robot hệ tọa độ góc theo quỹ đạo hình vuông. 62
Hình 3. 38: Đặc tính chuyển động của khâu 1 Robot hệ tọa độ góc 62
Hình 3. 39: Đặc tính chuyển động của khâu 2 Robot hệ tọa độ góc 63
Hình 3. 40: Đặc tính chuyển động của khâu 3 Robot hệ tọa độ góc 63

Hình 4. 1: Đồ thị đặc tính chuyển động của khâu 1 70
Hình 4. 2: Đồ thị đặc tính chuyển động của khâu 2 71
ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang viii
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng

Hình 4. 3: Đồ thị đặc tính chuyển động của khâu 3 71
Hình 4. 4: Đồ thị đặc tính chuyển động của khâu 1 78
Hình 4. 5: Đồ thị đặc tính chuyển động của khâu 2 78
Hình 4. 6: Đồ thị đặc tính chuyển động của khâu 3 78
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1: Xây dựng mô hình Robot SCARA 18
Bảng 2. 2: Xây dựng mô hình Robot hệ tọa độ góc 20
Bảng 2. 3: Bảng thông số DH Robot SCARA 29
Bảng 2. 4: Bảng thông số DH Robot hệ tọa độ góc (RRR) 31

Bảng 4. 1: Chuyển vị biến khớp Robot SCARA tại các vị trí nút 66
Bảng 4. 2: Vận tốc biến khớp Robot SCARA tại các vị trí nút 66
Bảng 4. 3: Giá trị các biến khớp Robot hệ tọa độ góc tại vị trí mút 72
ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang 1
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng
MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Thế giới đã trải qua nhiều cuộc cách mạng vĩ đại về khoa học công nghệ trong
quá khứ, những cuộc cách mạng này đã làm thay đổi cả thế giới chúng ta sống với
hàng loạt các phát minh mới ra đời. Robot là một phát minh vĩ đại của con ngƣời vì
mục đích giải phóng con ngƣời khỏi những công việc nặng nhọc, sự nhàm chán của
công việc (do sự lặp lại các thao tác của một công việc nào đó nhiều lần), nguy
hiểm của môi trƣờng lao động nhƣ môi trƣờng nóng bức trong các lò hơi, sự ô
nhiễm bụi bặm của các hầm mỏ, hay sự nguy hiểm ở dƣới đáy đại dƣơng, trên
không gian vũ trụ… cũng nhƣ tăng tính tự động hóa trong các dây truyền sản xuất.
Ngày nay, Robot đƣợc ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực nhƣ cơ khí, điện tử, y
học, giải trí…, chúng không còn đơn thuần là những máy móc tự động chỉ có thể
nâng, hạ, di chuyển mà ngƣời ta đã trang bị những cảm biến giúp cho Robot có khả

năng quan sát, cảm nhận đƣợc bản thân và môi trƣờng xung quanh.
Ở nhiều nƣớc trên thế giới, Robot đƣợc nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong
nhiều ngành công nghiệp khác nhau nhƣ vận chuyển, bốc dỡ vật liệu, gia công, lắp
ráp thăm dò. Đi đầu trong lĩnh vực chế tạo, và ứng dụng Robot công nghiệp hiện
nay đó là Nhật Bản, Mỹ, Đức, Ý, Pháp. Tuy nhiên ở nƣớc ta việc nghiên cứu, thiết
kế Robot chƣa thực sự phát triển, các Robot hầu hết đƣợc nhập từ nƣớc ngoài với
chi phí lớn do đó việc ứng dung Robot vào sản xuất còn hạn chế. Robot thƣờng chỉ
xuất hiện ở những cơ sở sản xuất lớn, yêu cầu công việc có tính tự động cao.
Xuất phát thực tế đó, nƣớc ta cần đẩy mạnh công việc nghiên cứu, thiết kế chế
tạo Robot nhất là ở trong các trƣờng đại học, cao đẳng. Công viêc thiết kế, chế taọ
Robot là một công việc phức tạp gồm nhiều công đoạn khác nhau nhƣ: tìm hiểu các
loại Robot, lựa chọn loại, kết cấu Robot tối ƣu nhất, tính toán động học, động lực
học, mô phỏng trên máy tính Trong đó công việc mô phỏng Robot đóng vai trò
quan trọng bởi vì sau quá trình thiết kế chúng ta rất cần một cách nào đó xem hệ
thống có hoạt động đúng nhƣ mong đợi không, tránh việc đi vào sản xuất luôn mà
chẳng may gặp lỗi thiết kế, tính toán nào đó gây lãng phí cả về vật chất lẫn thời
gian. Vì vậy mô phỏng quá trình hoạt động của robot trƣớc khi đi vào thiết kế thực
là rất cần thiết. Thông qua quá trình mô phỏng ta xem hệ thống hoạt động nhƣ thế
ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang 2
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng
nào… đã đúng nhƣ mong đợi chƣa. Qua đó có thể rút ngắn thời gian, giảm chi phí
nghiên cứu và phát triển sản phẩm một cách đáng kể. Điều này đặc biệt có ý nghĩa
khi sản phẩm là các hệ thống thiết bị kỹ thuật phức hợp, có giá trị kinh tế cao
Cùng với động lực học và điều khiển Robot, động học Robot là một trong
những nội dung chính khi nghiên cứu về Robot. Khi nghiên cứu động học ta xác
định đƣợc các thông số nhƣ vị trí, vận tốc, gia tốc tại điểm thao tác của Robot.
Nhằm đáp ứng phần nào những công việc để có thể thiết kế ra một Robot thực
hoàn chỉnh có thể ứng dụng vào thực tế em đã tập trung nghiên cứu vào đề tài:

“ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3
BẬC TỰ DO”
2. Đối tƣơng và nội dung nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn là Robot Scara và Robot hệ tọa độ góc loại
ba bậc tự do. Đây là hai loại Robot đƣợc ứng dụng nhiều trong sản xuất. Nội dung
nghiên cứu là khảo sát bài toán động học thuận và động học ngƣợc và ứng dụng thƣ
viện Simulink trong phần mềm Matlab để mô phỏng động học Robot. Ngoài ra
trong luận văn này em còn tập trung nghiên cứu về thiết kế quỹ đạo cho robot.
3. Cấu trúc luận án.
Đƣợc sự hƣớng dẫn của TS. Phạm Hoàng Vƣơng em đã tiến hành nghiên cứu
và trình bày luận văn trong năm chƣơng:
Chƣơng I. “Nghiên cứu tổng quan về Robot”. Trong chƣơng này em trình bày tóm
tắt cơ sở, lịch sử phát triển của robot, khái quát về về cấu trúc chung của robot, đặc
điểm về tay máy robot (bậc tự do, vùng làm việc…), các loại tay máy thƣờng dùng.
Phần cuối chƣơng là tình hình sử dụng và những ứng dụng phổ biến của robot hiện
nay. Đây là các kiến thức cơ sở cần thiết trƣớc khi nghiên cứu về động học robot
Chƣơng II. “Xây dựng mô hình và tính toán động học Robot”. Nội dung chủ yếu của
chƣơng này là xây dựng mô hình robot Scara và robot hệ tọa độ góc dựa trên phần
mềm Catia. Từ đó phân tích, giải các bài toán động học thuận, động học ngƣợc hai
loại robot trên theo phƣơng pháp.
Chƣơng III. “Mô phỏng động học Robot”. Để có cái nhìn khái quát nhất về quá trình
hoạt động của robot, trong chƣơng này em tập trung nghiên cứu vào vấn đề mô
phỏng động học robot dựa trên thƣ viện Simulink trong phần mềm Matlab. Thông
ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang 3
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng
qua quá trình mô phỏng này em đƣa ra các đồ thì về vị trí, vận tốc, gia tốc của các
biến khớp robot.
Chƣơng IV. “Thiết kế quỹ đạo Robot”. Trong quá trình mô phỏng động học robot

trên máy tính, hiện tƣợng sốc hay giật cục có thể xảy ra do sự thay đổi đột ngột về
vận tốc tại một vị trí nào đó. Để khắc phục đƣợc hiện tƣợng đó, cũng nhƣ tăng tính
linh hoạt cho robot, trong chƣơng này em nghiên cứu về vấn đề thiết kế quỹ đạo cho
robot.
Chƣơng V. “Kết luận chung”. Nội dung chính của chƣơng cuối này là em trình bày
tóm tắt lại một số kết quả chính mà luận văn đạt đƣợc cùng với đó là một số vấn đề
có thể tiếp tục mở rộng nghiên cứu trong luận văn.
Hoàn thành luận văn này em xin chân thành cảm ơn sự hƣớng dẫn, chỉ bảo của
thầy giáo TS. Phạm Hoàng Vƣơng, các thầy cô giáo bộ môn kỹ thuật máy cùng các
bạn trong nhóm đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã rất cố gắng nhƣng chắc chắn luận văn này của em không tránh khỏi
những sai sót. Kính mong nhận đƣợc sự chỉ bảo của thầy cô và sự góp ý của các
bạn.
Hà nội ngày 10 tháng 4 năm 2013
Sinh viên thực hiện

Phạm văn Hợp

ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang 4
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng
CHƢƠNG I. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ROBOT
1.1. Sơ lƣợc về sự hình thành và phát triển Robot công nghiệp
Để nâng cao năng suất và chất lƣợng sản phẩm cần phải ứng dụng rộng rãi các
trang thiết bị tự động hóa trong sản xuất. Xu hƣớng tạo ra các dây truyền về thiết bị
tự động có tính linh hoạt cao đƣợc hình thành. Các thiết bị này đang thay thế dần
các máy tự động cứng chỉ đáp ứng đƣợc một việc nhất định trong lúc thị trƣờng
luôn đòi hỏi thay đổi mặt hàng về chủng loại, kích cỡ và tính năng…Vì vậy nhu cầu
ứng dụng Robot để tạo ra các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt ngày càng tăng

nhanh.
Thuật ngữ “Robot” có nguồn gốc từ khoa học viễn tƣởng lần đầu tiên xuất
hiện năm 1922 trong tác phẩm “ Rossum’s Universal Robot” của Karel Capek theo
tiếng Séc là “Người tạm dịch”. Trong đó, ông mô tả một nhân vật có khả năng ứng
sử nhƣ con ngƣời, làm việc gấp đôi con ngƣời nhƣng không có cảm tính, cảm giác
nhƣ con ngƣời. Từ những gợi ý ban đầu đó đã thúc đẩy các nhà thiết kế tạo ra
những cơ cấu máy móc có thể bắt chƣớc hoạt động của con ngƣời.
Hơn 20 năm sau ƣớc mơ của Karel Capek đã bắt đầu trở thành hiện thực.
Ngay sau chiến tranh thế giới thứ hai, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những tay máy chép
hình điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ.
Năm 1954 George C.Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là “cơ cấu bản lề
dùng để chuyển hàng theo một chƣơng trình”. Năm 1956 Devol cùng với Joseph
F.Engerlber một kỹ sƣ trẻ của ngành công nghiệp hàng không đã tạo ra Robot đầu
tiên năm 1959 ở công ty Unimation. Các Robot đầu tiên này chỉ yếu đƣợc dùng để
vận chuyển các vật thể trong một phạm vi nhỏ.
Năm 1969, tại viện nghiên cứu thuộc trƣờng đại học Stanford đã thiết kế ra
Robot Shakey tinh vi hơn để thực hiện những thí nghiệm về điều khiển sử dụng hệ
thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tƣợng. Robot này đƣợc lập trình trƣớc để
nhận dạng đối tƣợng bằng camera, xác định đƣờng đi tới đối tƣợng và thực hiện
một số tác động trên đối tƣợng.
Từ những năm 80 nhất là những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ
thuật về vi sử lý và công nghệ thông tin, số lƣợng Robot công nghiệp đã tăng
ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang 5
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng
nhanh, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều bƣớc tiến vƣợt bậc. Nhờ vậy
Robot công nghiệp đã có một vị trí quan trọng trong các dây truyền sản xuất hiện
đại.
1.2. Khái niệm về Robot

Các nhà khoa học đã đƣa ra rất nhiều các định nghĩa khác nhau về Robot.
Theo các tài liệu [2, 3, 11, 12] về Robot các tác giả đã đề cập đến một số khái niệm
về Robot điển hình:
Viện nghiên cứu Mỹ “ Robot là một tay máy nhiều chức năng, thay đổi được
chương trình hoạt động, được dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ
hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau
đã được lập trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng”
Theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp)
“ Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp
lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các hệ tọa độ, có khả
năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất theo những hành trình
thay đổi đã được chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác
nhau”.
Theo RIA ” Robot là một tay máy vạn năng có khả năng lặp lại các chương
trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên
dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các
nhiệm vụ khác nhau”.
Theo tiêu chuẩn GHOST 1980
“Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển
chương trình hóa, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều
khiển có thể thay thế những chức năng tương tự của con người”
Robot công nghiệp là một máy tự động đƣợc đặt cố định hoặc di động đƣợc
liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chƣơng trình, có thể lập
trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản
xuất.
Với những định nghĩa trên Robot công nghiệp có hai đặc trƣng cơ bản là :
ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang 6
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng

 Là thiết bị vạn năng đƣợc tự động hóa theo chƣơng trình và có thể lặp lại để
đáp ứng một cách linh hoạt, khéo léo các nhiệm vụ khác nhau.
 Đƣợc ứng dụng trong trƣờng hợp mang tính công nghệ đặc trƣng nhƣ vận
chuyển và xếp dỡ nguyên liệu, lắp ráp, đo lƣờng…
Với đặc điểm có thể lập trình lặp lại Robot công nghiệp ngày càng trở thành
bộ phận không thể thiếu đƣợc trong các hệ thống sản xuất linh hoạt
1.3. Cấu trúc của một Robot công nghiệp
Theo [1, 2, 3, 4,10] cấu tạo của Robot gồm có 3 bộ phận chủ yếu, đó là
 Tay máy Robot
 Bộ phận dẫn động
 Bộ phận điều khiển

Hình 1. 1: Các thành phần chính của một Robot công nghiệp [15]
Trong đó tay máy Robot là bộ phận cơ khí quan trọng đóng vai trò là bộ phận
chấp hành của Robot. Tay máy Robot đƣợc cấu tạo bởi các khâu liên kết với nhau
thông qua các khớp nhằm mô phỏng theo nguyên tắc hoạt động của bàn tay con
ngƣời. Chúng hình thành cánh tay để tạo nên các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo sự
khéo léo, linh hoạt và bàn tay để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tƣợng
nhƣ cầm, nắm… Tùy theo sự kết hợp giữa các khâu, khớp với nhau tạo nên hình
dáng tay máy Robot.
Bộ phận dẫn động: Gồm các động cơ (động cơ điện, động cơ khí nén hoặc
động cơ thủy lực) để tạo lên chuyển động cho các khớp của tay máy.
ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang 7
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng
Bộ phận điều khiển đóng vai trò quan trọng chúng tiếp nhận, xử lý và truyền
đạt thông tin, đƣa ra các tín hiệu dùng để điều khiển các hoạt động của Robot. Bộ
phận điều khiển thƣờng đƣợc thực hiện thông qua một hệ thống chƣơng trình điều
khiển, mỗi chƣơng trình đảm nhận một nhiệm vụ cụ thể.

1.4. Tay máy Robot
1.4.1. Kết cấu tay máy Robot
Tay máy là phần cơ sở nó quyết định đến khả năng làm việc của Robot. Nó là
thành phần cơ khí đảm bảo cho Robot khả năng chuyển động trong không gian để
thực hiện các nhiệm của Robot nhƣ nâng, vận chuyển, lắp ráp…
Tay máy Robot thông thƣờng là cơ cấu hở gồm một chuỗi các khâu liên kết
với nhau bằng các khớp, khâu đầu tiên đƣợc nối với giá cố định. Khớp tạo sự linh
hoạt giữa các khâu với nhau nói riêng và toàn bộ tay máy Robot công nghiệp nói
chung. Thông qua khớp nối, các khâu trong cơ cấu tay máy đƣợc chuyển động
tƣơng đối với nhau. Tùy theo yêu cầu về kết cấu của Robot mà ta lựa chọn loại
khớp liên kết giữa các khâu liên khác nhau. Trong Robot công nghiệp hiện nay,
ngƣời ta thƣờng dùng chủ yếu hai loại khớp là khớp quay và khớp trƣợt.
Khớp quay: (thƣờng đƣợc kí hiệu là R) loại khớp này cho phép chuyển động
quay của khâu này đối với khâu khác quanh một trục quay. Loại khớp này hạn chế
năm khả năng chuyển động giữa hai thành phần khớp do đó khớp có một bậc tự do.
Khớp trƣợt: (thƣờng đƣợc kí hiệu là T) loại khớp này cho phép hai khâu
trƣợt tƣơng đối với nhau theo phƣơng của một trục nào đó. Khớp hạn chế năm khả
năng chuyển động, do đó có một bậc tự do.


Khớp quay Khớp trƣợt
Hình 1. 2: Các loại khớp thƣờng dùng trong tay máy Robot [8]
ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang 8
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng
Ngoài ra trong một số trƣờng hợp ngƣời ta còn dùng khớp cầu để tăng tính
linh hoạt cho Robot. Với loại khớp này cho phép các khâu thực hiện các chuyển
động quay theo tất cả các hƣớng quanh tâm khớp, và hạn chế các chuyển động tịnh
tiến giữa các khâu. Do đó số bậc tự do của khớp cầu là ba.

Trong quá trình thiết kế tay máy Robot, ngƣời ta quan tâm đến thông số ảnh
hƣởng lớn đến khả năng hoạt động của Robot nhƣ:
 Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay máy
 Tầm với hay vùng làm việc: phụ thuộc vào kích thƣớc các khâu và cấu trúc
của Robot
 Sự khéo léo của Robot. Thông số này liên quan đến bậc tự do của Robot.
1.4.2. Bậc tự do của Robot
Bậc tự do của Robot là số khả năng chuyển động độc lập (chuyển động quay
hoặc chuyển động tịnh tiến) trong không gian hoạt động. Để có thể di chuyển thực
hiện các thao tác dễ dàng trong vùng làm việc, Robot phải đạt đƣợc một số bậc tự
do nhất định. Thông thƣờng tay máy Robot thƣờng là một cơ cấu hở, do đó số bậc
tự do của Robot có thể đƣợc tính theo công thức:
= 6

5
=1

Với n: số khâu động


: số khớp loại i
Do khớp trong Robot thƣờng là khớp quay hoặc khớp tịnh tiến (khớp loại 5)
nên số bậc tự do của Robot thƣờng bằng số khâu động.
Số bậc tự do của Robot quyết định đến tính linh hoạt của Robot trong quá
trình làm việc. Số bậc tự do càng lớn Robot càng linh hoạt, càng nhiều phƣơng án
để điểm thao tác thực hiện đƣợc yêu cầu công việc, điều này rất ý nghĩa trong
trƣờng hợp Robot làm việc trong môi trƣờng có nhiều chƣớng ngại vật. Tuy nhiên
số bậc tự do chuyển động này không nên lớn hơn sáu, bởi với sáu bậc tự do nếu bố
trí một cách hợp lý, sẽ đủ để tạo ra khả năng chuyển động linh hoạt của khâu tác
động cuối nhằm có thể tiếp cận đối tƣợng theo mọi hƣớng. Mặt khác cũng phải thừa

nhận rằng số bậc tự do lớn kéo theo hệ quả là: tăng thêm sai số dịch chuyển, tăng
ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang 9
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng
chi phí, thời gian sản xuất và bảo dƣỡng Robot. Do đó tùy theo yêu cầu, chức năng
mà ngƣời ta lựa chọn số bậc tự do cho tay máy Robot thích hợp.
1.4.3. Vùng làm việc của Robot
Vùng làm việc của Robot là toàn bộ vùng thể tích mà điểm tác động cuối có
thể thao tác đƣợc khi Robot có thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Thể tích và
hình dáng của vùng làm việc phụ thuộc vào kết cấu của tay máy và miền giá trị của
các biến khớp.
Nghiên cứu vùng làm việc của Robot giúp cho nhà thiết kế biết đƣợc các giới
hạn, đƣờng biên của vùng không gian làm việc để bố trí một cách hợp lý vị trí của
tay máy hoặc Robot với các thiết bị phối hợp thao tác khác trong hệ thống.

Hình 1. 3: Vùng làm việc của Robot [12]
1.4.4. Một số loại tay máy Robot thông dụng
Tùy thuộc vào số khâu của Robot và sự tổ hợp các chuyển động tịnh tiến hoặc
quay mà tay máy có các kết cấu khác nhau, do đó Robot sẽ hoạt động trong các
trƣờng công tác với các hình khối khác nhau. Dựa vào đặc điểm này ngƣời ta phân
ra thành các loại Robot là Robot kiểu tọa độ Đecac, Robot kiểu tọa độ trụ, Robot
kiểu tọa độ cầu, Robot kiểu tọa độ góc, Robot kiểu SCARA.
1.4.4.1.Tay máy Robot kiểu tọa độ Đecac
Tay máy Robot dạng này thƣờng đƣợc kí hiệu là (TTT), gồm ba khớp tịnh
tiến chuyển động theo phƣơng của các trục hệ tọa độ Đecac. Không gian làm việc
của Robot là một hình hộp chữ nhật (Hình 1.4)
ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang 10

Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng

Hình 1. 4: Tay máy tọa độ vuông góc [19]
Ƣu điểm
 Kết cấu đơn giản, tay máy có độ cứng vững cao.
 Độ chính xác đƣợc đảm bảo đồng đều trên toàn bộ vùng làm việc.
 Việc thiết kế, lập trình và điều khiển tƣơng đối dễ.
Khuyết điểm
 Do kết cấu gồm các khớp trƣợt, di chuyển dọc theo phƣơng các trục hệ tọa
độ nên tính linh hoạt không cao, khả năng phối hợp với các Robot khác bị hạn chế.
 Diện tích bề mặt Robot chiếm dụng lớn.
 Cần phải bảo vệ bề mặt của đƣờng dẫn, đòi hỏi phải bảo dƣỡng các khớp
trƣợt thƣờng xuyên.
Phạm vi ứng dụng: Nhờ những ƣu điểm của Robot nhƣ độ cứng vững cao, lập trình
và điều khiển dễ…, nên các tay máy kiểu này thƣờng dùng để vận chuyển hàng hóa,
phôi nhiên liệu trong các nhà máy sản xuất, lắp ráp các sản phầm, hàn hồ quang,
kiểm tra sản phẩm trong các dây truyền sản xuất tự động. Ngoài ta các tay máy kiểu
hệ tọa độ đề các này còn đƣợc dùng phổ biến trong các máy công cụ điều khiển số
để điều chỉnh vị trí của phôi trong và khi gia công.
1.4.4.2.Tay máy kiểu tọa độ trụ
Một loại tay máy đƣợc sử dụng khá phổ biến trong thời gian gần đây trên các
Robot công nghiệp là tay máy kiểu tọa độ trụ. Kết cấu chung của các tay máy hệ tọa
độ này gồm có một khớp quay và hai khớp trƣợt. Hai khớp trƣợt giúp cho Robot có
khả năng chuyển động tịnh tiến dọc theo thân và co duỗi cánh tay, kết hợp với khớp
quay tạo cho Robot các chuyển động quay quanh thân. Do đó vùng làm việc của
Robot có dạng hình trụ rỗng (Hình 1.5).
ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang 11
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng

Hình 1. 5: Tay máy hệ tọa độ trụ [12]
Ƣu điểm
 Có khả năng lặp lại tốt với tốc độ cao
 Có khả năng lấy đƣợc các vậy xung quanh dễ dàng
 Nhờ khả năng co duỗi cánh tay do đó chúng có khả năng chuyển động ngang
vào sâu trong các máy móc.
Ngoài ra trong nhiều trƣờng hơp khi tay máy cần dịch chuyển nhanh tới vị trí
thao tác, tay máy có thể co cánh tay lại trong quá trình dịch chuyển nhờ thế giảm
đáng kế lực ly tâm, dễ dàng dịch chuyển. Điều này thật thích hợp trong điều kiện
làm việc có nhiều chƣớng ngại vật, không gian chật hẹp.
Nhƣợc điểm lớn nhất đối với những tay máy sử dụng hệ tọa độ này là bàn tay
nắm bắt không thể với đƣợc xuống sàn. Do đó giảm đáng kể diện tích vùng làm
việc của Robot.
Một số Robot sử dụng tay máy kiểu hệ tọa độ trụ : Robot Versatran của hãng
AMF (Hoa Kỳ), Robot Funuc M (Nhật Bản)
1.4.4.3.Tay máy kiểu hệ tọa độ cầu
Khác với tay máy hệ tọa độ Decac và tay máy hệ tọa độ trụ, tay máy hệ tọa độ
cầu có kết cấu chính gồm hai khớp quay và một khớp trƣợt. Hai khớp quay giúp cho
tay máy có khả năng quay theo hai hƣớng khác nhau, kết hợp với khớp trƣợt tạo nên
vùng làm việc của Robot có dạng hình bán cầu khuyết. Trong đó bán kính của bán
cầu phụ thuộc vào mức độ co duỗi của cánh tay trên khớp trƣợt (Hình 1.6).

ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang 12
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng

Hình 1. 6: Tay máy hệ tọa độ cầu [19]
Ƣu điểm

 Diện tích Robot chiếm dụng nhỏ, do đó có thể làm việc đƣợc ở những nơi
chật hẹp, không cần không gian lớn.
 Nhờ có hai khớp quay nên tính linh hoạt của tay đƣợc tăng lên rõ rệt (tay
máy có thể thao tác đƣợc với những vật ở phía trên thân hay những vật ở dƣới
sàn…)
 Có khả năng làm việc nhóm với các Robot khác, do đó thích hợp trong các
dây truyền sản xuất tự động.
Nhƣợc điểm
 Độ cứng vững của tay máy thấp hơn so với các tay máy hệ tọa độ Decac và
tay máy hệ tọa độ trụ.
 Độ chính xác, sai số vị trí phụ thuộc nhiều vào tầm với của cánh tay Robot:
“Khi tầm với lớn độ chính xác giảm dần và ngƣợc lại khi tầm với càng nhỏ độ chính
xác càng cao”.
Các Robot sử dụng tay máy hệ tọa độ này rất đa dạng điển hình là Robot
Unimation (Hoa Kỳ), Kawasaki, Misubishi (Nhật Bản, Hoa Kỳ), Stanford (Hoa
Kỳ)…
1.4.4.4.Tay máy kiểu hệ tọa độ góc.
Đây là một trong những loại tay máy Robot đƣợc dùng phổ biến trong các nhà
máy sản xuất. Chúng có kết cấu chính gồm các thanh liết kết với nhau thông qua ba
khớp quay. Trong đó trục của khớp quay thứ nhất vuông góc với trục của hai khớp
quay còn lại. Do đặc điểm cấu trúc này của tay máy rất giống với cấu trúc cánh tay
ngƣời nên ngƣời ta còn gọi tay máy này là “Tay máy kiểu tay người”
ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang 13
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng
Ƣu điểm chính của tay máy loại này là:
 Kích thƣớc nhỏ gọn (so với kích thƣớc của tay máy thì vùng làm việc của
chúng tƣơng đối rộng).
 Nhờ đặc điểm tay máy gồm các khâu liên kết với nhau thông qua các khớp

quay do đó độ linh hoạt của Robot cao.
 Yêu cầu bảo dƣỡng, bôi trơn các khớp quay đơn giản, các khớp ít bị mài
mòn.

Hình 1. 7: Tay máy hệ tọa độ góc [12]
Tuy nhiên bên cạnh đó tay máy còn tồn tại những nhƣợc điểm là:
 Độ cứng vững của tay máy thấp, không thích hợp với việc vận chuyển các
vật có khối lƣợng lớn.
 Độ chính xác vị trí thấp.
 Viêc giải các bài toán động học, động lực học các tay máy Robot tƣơng đối
phức tạp, nhất là đối với những bài toán động học ngƣợc. Do đó việc thiết kế, điều
khiển tay máy tƣơng đối khó.
Với những đặc điểm trên, hiện nay có rất nhiều Robot đƣợc thiết kế theo hệ
tọa độ này, điển hình phải kể đến các Robot : Robot PUMA của hãng Unimation-
Nokia (Hoa Kỳ-Phần Lan), IRb6-IRb60 ASEA (Thụy điển), KuKa (Nhật Bản)…
1.4.4.5.Tay máy Robot SCARA
Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, sự đa dạng của sản xuất
đã thúc đẩy các nhà thiết kế cho ra đời nhiều loại Robot khác nhau phù hợp với đặc
điểm, yêu cầu của công việc. Không hoàn toàn giống với các tay máy Robot hệ tọa
ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang 14
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng
độ trên. Tay máy Robot Scara ra đời vào khoảng những năm 80 tại trƣờng đại học
Yamanashi (Nhật Bản) để phục vụ các công việc lắp ráp. Đặc điểm của tay máy loại
này là các trục khớp của tay máy song song với nhau theo phƣơng thẳng đứng
Ƣu điểm
 Mặc dù chiếm diện tích làm việc ít nhƣng tầm vƣơn xa tƣơng đối lớn.
 Cấu hình Robot SCARA với ba trục khớp đƣợc bố trí theo phƣơng thẳng đứng,
do đó thích hợp cho bài toán yêu cầu gắp và đặt chi tiết theo phƣơng thẳng

đứng.
 Việc giải các bài toán về động học, động lực học cũng nhƣ điều khiển tƣơng đối
dễ
Các tay máy Robot này thƣờng dùng trong công việc lắp ráp nhờ các ƣu điểm
nổi bật nhƣ cứng vững theo phƣơng thẳng đứng, có thể thực hiện với tốc độ nhanh,
độ chính xác lớn.

Hình 1. 8: Tay máy Robot SCARA[19]
1.5. Ứng dụng Robot công nghiệp trong sản xuất
1.5.1. Các ƣu điểm của Robot.
Các loại Robot tham gia vào quy trình sản xuât cũng nhƣ trong đời sống sinh
hoạt của con ngƣời nhằm nâng cao năng suất lao động của dây truyền công nghệ,
giảm giá thành sản phẩm, nâng cao chất lƣợng cũng nhƣ khả năng cạnh tranh của
sản phẩm tạo ra.
Robot có thể thay thế con ngƣời làm việc ổn định bằng các thao tác đơn giản
hợp lý, đồng thời có khả năng thay đổi công việc để thích nghi với sự thay đổi của
quy trình công nghệ, góp phần vào giảm giá thành sản phẩm, chi tiết nhân công nhất
ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang 15
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng
là ở những nƣớc mà nguồn nhân công rất ít hoặc chi phí cao. Ngoài ra các Robot
còn có khả năng nghe đƣợc siêu âm, cảm nhận đƣợc từ trƣờng.
Bên cạnh đó, một ƣu điểm nổi bật của Robot là môi trƣờng làm việc. Chúng
có thể thay thế con ngƣời làm việc ở những môi trƣờng độc hại, ẩm ƣớt, bụi bặm
hay nguy hiểm nhƣ ở các nhà máy hóa chất, các nhà máy phóng xạ, trong đại
dƣơng, dƣới lòng đất hay các hành tinh khác…
1.5.2. Tình hình phát triển Robot và ứng dụng Robot hiện nay
Với những ƣu điểm trên, ngày nay Robot đƣợc ứng dụng rộng rãi trong sản
xuất ở các nƣớc trên thế giới nhất là các nƣớc có nền công nghiệp phát triển. Theo

ƣớc tính của tổ chức UNECE thuộc liên đoàn Robot quốc tế IRF (Năm 2003) thì
hiện nay trên toàn thế giới có khoảng 770.000 Robot đang đƣợc sử dụng trong các
lĩnh vực sản xuất công nghiệp. Trong số đó, Nhật Bản là nƣớc có số lƣợng Robot
dùng trong sản xuất công nghiệp nhiều nhất trên thế giới với khoảng 350.000
(chiếm 45,5%), 233.000 (chiếm 30,3%) ở các nƣớc EU và khoảng 104.000 (chiếm
13,5%) ở Bắc Mỹ. Ở châu âu, Đức dẫn đầu với 105.000 Robot, tiếp theo là Italia
với 47.000, Pháp 24.000, Tây Ban Nha 18.000 Robot và 14.000 Robot.

Hình 1. 9: Hệ thống Robot hàn vỏ ôtô [8]
ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang 16
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng

Hình 1. 10: Robot phục vụ máy phay CNC [8]
Những lĩnh vực công nghiệp sử dụng Robot nhiều nhất là công nghiệp ô tô,
công nghiệp điện và điện tử, công nghiệp chế tạo máy và công nghiệp chế biến thực
phẩm. Những công việc thƣờng đƣợc áp dụng Robot là hàn, lắp ráp, vận chuyển sản
phẩm, cấp phôi trong các dây truyền tự động. tính linh hoạt trong vận hành khai
thác, khả năng hoạt động tinh vi, nhanh và chuẩn xác, khả năng thay thế con ngƣời
trong môi trƣờng làm việc độc hại và không an toàn là những yếu tố quyết định của
việc áp dụng Robot trong các lĩnh vực công nghiệp nói trên.

ỨNG DỤNG MATLAB SIMULINK MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO

Trang 17
Sinh viên: Phạm Văn Hợp Giáo viên hƣớng dẫn. TS.Phạm Hoàng Vƣơng
CHƢƠNG II. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ TÍNH TOÁN
ĐỘNG HỌC ROBOT
2.1. Xây dựng mô hình
Xây dựng mô hình là một nhiệm vụ quan trọng trƣớc khi đi vào tính toán động
học và mô phỏng Robot. Thông qua việc xây dựng mô hình giúp cho nhà thiết kế có
cái nhìn toàn diện, trực quan hơn về robot nhƣ đặc điểm, kết cấu của từng khâu trên
Robot cũng nhƣ toàn thể Robot. Tùy theo từng trƣờng hợp nhất định, mà ta xây
dựng mô hình robot với những hình dáng, kích thƣớc khác nhau sao cho hợp lý
nhất, đảm bảo đƣợc các yêu cầu làm việc nhƣ: độ cứng vững, linh hoạt, thao tác dễ
dàng trong quá trình làm việc
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là máy tính điện tử.
Hiện nay có rất nhiều phần mềm hỗ trợ cho phép ngƣời sử dụng xây dựng mô hình
3D cho robot một cách dễ dàng, điển hình trong số đó phải kể đến các phần mềm
mạnh nhƣ: Soliworks, CATIA, Topsolid,… Với mỗi phần mềm có những ƣu điểm
nhất định phù hợp với những yêu cầu thiết kế khác nhau và không ngừng cải tiến,
bổ sung những tính năng mới nhằm phục vụ cho công việc thiết kế đƣợc nhanh,
chính xác và trực quan nhất.
Trong luận văn này em sử dụng phần mềm Catia để xây dựng mô hình Robot.
Phần mềm Catia là hệ thống CAD/CAM/CAE 3D hoàn chỉnh và mạnh mẽ nhất hiện
nay do hãng Dassault System phát triển. Hiện nay phần mềm này đƣợc ứng dụng
trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật nhƣ cơ khí, tự động hóa công nghiệp ôtô, tàu
thủy, hàng không Ƣu điểm của phần mềm là khả năng đồ họa mạnh, thƣ viện
phần tử lớn thuận lợi trong thiết kế, thực hiện quá trình vẽ và đƣa ra mô hình cấu
trúc nhanh, chính xác…Ngoài ra với phần mềm Catia, ta có thể xuất ra kết quả dƣới
nhiều định dạng dạng thuận lợi cho việc liên kết với những phần mềm khác, phần

mềm còn có khả năng giải và mô phỏng đƣợc nhiều bài toán trong kỹ thuật.
Do đặc điểm của tay máy Robot gồm là gồm các khâu liên kết với nhau thông
qua các khớp động. Do đó ta sử dụng phần mềm Catia để xây dựng mô hình từng
khâu của Robot, sau đó sử dụng các công cụ hỗ trợ để lắp ghép chúng thành một tay
Robot hoàn chỉnh.