Đồ án tốt nghiệp thiết kế chế tạo robot tay máy ba bậc tự do RRR

1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
b Hệ số ma sát nhớt
D-H Denavit-Hartenberg
J Mô men quán tính
L Điện cảm cuộn dây
Kd Hệ số vi phân
Ki Hệ số tích phân
Kp Hệ số tỉ lệ
M Mô men
P Trọng lượng
R Điện trở
RC Servo Radio Control Servo
ω Vận tốc góc
ε Gia tốc góc
2
MỤC LỤC
3
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, khoa học kỹ thuật phát triển như vũ bão. Nhiều thành tựu khoa
học kỹ thuật đã và đang được ứng dụng vào thực tiễn và đem lại những lợi ích to
lớn, tạo ra những bước ngoặt cho sự phát triển của xã hội. Từ khi ra đời, Robot
đã phát triển mạnh mẽ và đã góp phần đáng kể làm thay đổi bộ mặt của nền sản
xuất – xã hội.
Trong ứng dụng công nghiệp, từ những tay máy điều khiển từ xa cho
ngành hoá phóng xạ ban đầu, ngày nay robot đã được sử dụng rộng khắp trong
các lĩnh vực gia công, lắp ráp của nhiều ngành sản xuất như năng lượng, ô tô,
máy bay, sản phẩm điện - điện tử…
Trong nền sản xuất hiện đại, chúng ta không thể phủ nhận vai trò quan
trọng của các robot công nghiệp trong các hệ thống sản xuất tự động . Robot
công nghiệp giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, giải phóng con

người khỏi những công việc nguy hiểm hay những công việc nhàm chán trong
quá trình sản xuất. Trong hệ thống sản xuất tự động, một robot công nghiệp có
thể thực hiện các công việc như: vận chuyển sản phẩm, sơn, quét, lau chùi, …
Trong lĩnh vực giáo dục, nghiên cứu về robot đang được đẩy mạnh thực
hiện ở rất nhiều các trường đại học trên thế giới, ở nước ta hầu hết các trường kỹ
thuật cũng đều được trang bị môn học robot công nghiệp tuy nhiên việc nắm bắt
của sinh viên còn nhiều hạn chế do thiếu kỹ năng thực hành, vận dụng lý thuyết
vào thực tế nên lĩnh vực robot của nước ta chưa phát triển. Trong nước mới có
rất ít công ty phát triển về lĩnh vực này. Do đó robot là lĩnh vực rất cần được
nghiên cứu và phát triển hơn nữa để ứng dụng nhanh vào đời sống kinh tế - xã
hội của đất nước.
Trong phạm vi đồ án tốt nghiệp của học viên ngành cơ điện tử, được sự
hướng dẫn tận tình của thầy Hoàng Quang Chính và thầy Hoàng Văn Tiến bộ
môn Cơ điện tử và Robot đặc biệt – Học viện Kỹ thuật Quân sự. Tôi chọn đề tài
“Thiết kế chế tạo robot tay máy ba bậc tự do RRR” để ứng dụng làm mô
hình học cụ trong giảng dạy.
4
Đồ án được chia thành ba phần, bốn chương:
Phần I: Mở đầu
Phần II: Nội dung
Chương 1: Tổng quan về robot tay máy
Chương 2: Thiết kế cấu trúc động học của robot
Chương 3: Thiết kế phần cứng robot
Chương 4: Lập trình quỹ đạo và điều khiển robot
Phần III: Kết luận
Sau ba tháng thực hiện, đề tài đã hoàn thành, kết quả bước đầu khẳng định
hướng nghiên cứu phù hợp với khả năng thực tế. Tuy vậy do khối lượng công
việc nhiều, thời gian thực hiện ngắn nên đề tài có mặt còn hạn chế. Tôi rất mong
nhận được sự đóng góp quý báu của các thầy trong bộ môn và hội đồng bảo vệ
để đồ án của tôi hoàn thiện tốt hơn.

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy trong bộ môn Robot đặc biệt và Cơ
điện tử đặc biệt là hai thầy hướng dẫn là thầy TS. Hoàng Quang Chính và thầy
KS. Hoàng Văn Tiến đã tâm huyết hướng dẫn tôi hoàn thành đồ án của mình.
Học viên thực hiện đồ án
Đỗ Thành Nam
5
PHẦN I MỞ ĐẦU
I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Hiện nay, có nhiều loại robot được sử dụng trong sản xuất với nhiều bậc
tự do, trong đó có robot ba bậc tự do kiểu RRR. Việc trang bị kiến thức về robot
nói chung và Robot kiểu RRR nói riêng cho sinh viên kỹ thuật đặc biệt là sinh
viên chuyên ngành cơ điện tử là rất cần thiết. Sinh viên cần phải được học tập,
làm việc cùng với robot thật như trong sản xuất thực tế để nắm bắt vấn đề và đi
vào vận dụng nhanh chóng có hiệu quả hơn.
Các mô hình robot tay máy phục vụ giáo dục đào tạo đã được nhiều
trường đại học trong và ngoài nước thực hiện khá nhiều. Tại Học viện Kỹ thuật
Quân sự, đã được trang bị một số robot tay máy trong phòng thí nghiệm CIM,
tuy nhiên số thiết bị này còn khá ít và đắt tiền chưa thể đáp ứng hết được yêu
cầu và nội dung đào tạo vì tỉ lệ robot phục vụ dạy học so với tỉ lệ sinh viên, học
viên còn khá thấp.
II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Robot công nghiệp đã trở thành một môn học quan trọng trong chương
trình đào tạo của các trường đại học trên thế giới, xuất hiện ngày càng nhiều
công ty chuyên nghiên cứu sản xuất ra những robot dùng trong nền sản xuất
công nghiệp, trong y học và trong các lĩnh vực khác của cuộc sống như:
GENERAL MOTORS, HITACHI, MITSUBISHI, IBM,MOTOMAN, EPSON,
PANASONIC, SONY, …
Đặc biệt hơn hết là các robot được dùng trong giáo dục, chúng phải gần
với thực tế sản xuất nhưng cũng phải mang nhiều tính khoa học sư phạm như:
trực quan, dễ sử dụng, linh hoạt và phải được kết nối đa điều khiển để có thể đáp

ứng nhiều hơn nhu cầu học tập, thực tập của người học. Vì vậy, các robot được
ứng dụng trong học tập phải được kết nối với máy vi tính, phải có giao diện
được lập trình và điều khiển thông qua máy tính. Nhưng số lượng các loại robot
này không nhiều, chúng không được chú trọng trong các công ty sản xuất robot
6
công nghiệp trên thế giới. Mặt khác, chi phí cho một robot chuyên dùng trong
giáo dục không phải là thấp. Vì vậy đã hạn chế phần nào cơ hội tiếp cận với
robot cho sinh viên kỹ thuật.
Tại Việt Nam, tỷ lệ robot phục vụ dạy học so với tỷ lệ sinh viên còn thấp
hơn nhiều so với thế giới. Có nhiều trường đại học, cao đẳng kỹ thuật không thể
trang bị robot dùng trong học tập của sinh viên. Các đề tài nghiên cứu về loại
robot này trong các viện nghiên cứu, các trường đại học còn quá ít, chưa đạt
thành tựu nhiều. Số lượng robot từ các đề tài này được đưa vào dạy học còn ít.
III. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Mục đích chính của đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TAY MÁY
BA BẬC TỰ DO RRR” là:
- Tìm hiểu, làm quen với việc nghiên cứu khoa học và áp dụng những
kiến thức đã được trang bị vào thực tế.
- Mặt khác việc nghiên cứu, thực hiện đề tài góp phần nâng cao kiến thức,
tiếp cận được với những vấn đề của thực tế.
- Cuối cùng là mục đích tạo ra mô hình robot tay máy thực tế làm mô hình
thí nghiệm học tập và nghiên cứu cho sinh viên, học viên.
IV. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Khảo sát các mẫu Robot đã có từ đó lựa chọn cấu trúc hợp lý để có thể
triển khai chế tạo. Từ mô hình được lựa chọn, tính toán để giải các bài toán động
học, động lực học, từ kết quả tính toán xây dựng chương trình mô phỏng để
kiểm tra điều chỉnh cấu trúc tối ưu và cuối cùng là thiết kế chế tạo được mẫu
robot tay máy ba bậc tự do RRR.
V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Ngoài sự hướng dẫn của người hướng dẫn đồ án các phương pháp nghiên

cứu chủ yếu được sử dụng trong đề tài là:
7
Tham khảo tài liệu: Robot liên quan đến rất nhiều lĩnh vực như: cơ khí,
điện – điện tử, đồ học máy tính, lập trình giao tiếp, … Vì vậy cần phải tham
khảo nhiều loại tài liệu để có một nền tảng kiến thức hoàn chỉnh, có cái nhìn
tổng quan chính xác về toàn bộ vấn đề chế tạo, điều khiển robot tay máy.
Truy cập mạng Internet: Internet là một nguồn tài liệu phong phú và
hữu ích cho con người. Nó chứa đựng những nguồn thông tin mới nhất, những
tiến bộ nhất của khoa học kỹ thuật.
Tự nghiên cứu: Sau khi đã tham khảo giảng viên hướng dẫn, tham khảo
tài liệu và tìm thông tin trên Internet, tôi phải tự nghiên cứu để đưa ra và chọn
phương pháp thiết kế, chế tạo và điều khiển cho robot tay máy.
Phương pháp thử sai: Một trong những phương pháp để nghiên cứu cho
kết quả đúng đắn hơn là phải trải nghiệm thực tế kiểm tra độ chính xác và đưa ra
thông số điều khiển chính xác nhất.
Hệ thống điều khiển: Là bộ phận đảm bảo sự hoạt động của robot theo
các thông tin đặt trước.
Giao diện điều khiển trên máy tính: Robot được điều khiển theo
chương trình dựa trên phần mềm được lập trình và thực thi trên máy tính. Phần
mềm lập trình bằng các ngôn ngữ cấp cao như: Basic, C, C++, Delphi, ….Trong
đề tài này, phần mềm điều khiển được lập trình bằng ngôn ngữ C trên nền phiên
bản Visual Basic và điều khiển thông qua cổng RS232 của máy tính.
Phương pháp điều khiển: Điều khiển dạng vòng hở, đây là dạng điều
khiển mà tín hiệu chỉ đi theo một hướng từ bộ điều khiển đến động cơ. Không
có tín hiệu từ động cơ hoặc tải để cho bộ điều khiển biết rằng hành động hay
chuyển động đã xảy ra. Vì vậy cần yêu cầu đảm bảo chính xác cả về cơ khí và
kỹ thuật điều khiển.
8
PHẦN II NỘI DUNG
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ROBOT TAY MÁY

Trong chương này sẽ trình bày sơ lược về lịch sử quá trình hình thành
phát triển robot, các định nghĩa, phân loại về robot nói chung và robot tay máy
nói riêng, ứng dụng của robot tay máy trong đời sống và các lĩnh vực khoa học
kỹ thuật, sản xuất, quân sự… và xu hướng phát triển của robot công nghiệp.
1.1. Sơ lược quá trình phát triển của robot
Robot là một thuật ngữ chỉ người lao công trong hệ ngôn ngữ X-la-vơ.
Trong tiếng Nga, Robota có nghĩa là lao động, công việc. Thuật ngữ Robot được
sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng sản xuất. Những Robot
xuất hiện lần đầu tiên trên ở trên NewYork vào ngày 09/10/1922 trong vở
“Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek viết
năm 1921, trong đó Robot là tên của một loại máy tự động đã tiêu diệt ông chủ
và chiếm lĩnh thế giới. Loại máy này giống con người, có khả năng làm việc gấp
đôi người, có suy nghĩ và có cảm giác.
Năm 1926, thuật ngữ Robot lần đầu tiên lên phim ảnh tại Đức, bộ phim
mang tên Metropolis. Năm 1939, Robot đi bộ Elutoo và chú chó Sporko đã được
triển lãm tại một hội chợ ở New York - Mỹ, thu hút được nhiều sự quan tâm của
công chúng. Năm 1950, Isaac Asimov đã xuất bản cuốn sách “ I Robot ” bàn về
các nguyên tắc thiết kế Robot với tư cách là một loại máy do con người chế tạo
ra và có khả năng thay thế con người trong tương lai.
Những Robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào những ứng dụng
trong công nghiệp thực sự lại là những Robot tay máy. Bởi vì vào năm 1948,
trước nhu cầu tự động hóa ngày một lớn của các dây chuyền sản xuất và lắp ráp
công nghiệp, một số loại tay máy đã được nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm tại
các phòng thí nghiệm ở Mỹ, châu Âu và một số nước khác, nhà nghiên cứu
Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng
9
năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cơ cấu tác
động là những động cơ điện kết hợp với các cử hành trình.
Năm 1952 máy điều khiển chương trình số đầu tiên ra đời tại Học Viện
Công nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ). Trên cơ sở đó năm 1954, George Devol đã

thiết kế Robot lập trình với điều khiển chương trình số đầu tiên nhờ một thiết bị
do ông phát minh được gọi là thiết bị chuyển khớp được lập trình. Joseph
Engelberger, người mà ngày nay thường được gọi là cha đẻ của Robot công
nghiệp, đã thành lập hãng Unimation sau khi mua bản quyền thiết bị của Devol
và sau đó đã phát triển những thế hệ Robot điều khiển theo chương trình. Năm
1962, Robot Unmation đầu tiên được đưa vào sử dụng tại hãng General Motors;
và năm 1976 cánh tay Robot đầu tiên trong không gian đã được sử dụng trên tàu
thám hiểm Viking của cơ quan Không Gian NASA của Hoa Kỳ để lấy mẫu đất
trên sao Hoả (hình 1.1).
Hình 1.1 Tay Robot trên tàu thám hiểm Viking 1
Năm 1968 R.S. Mosher, thuộc hãng General Electric, sau nhiều năm
nghiên cứu phát triển đã chế tạo một thiết bị biết đi và cho ra mắt sản phẩm
robot bốn chân, có chiều dài hơn 3m, nặng 1.400kg, sử dụng động cơ đốt trong
có công suất gắn 100 mã lực (hình 1.2).
10
Hình 1.2 Robot 4 chân của hãng RS Mosher và hãng General Electric
Cũng trong lĩnh vực này, một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã
đạt được vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng
Lunokohod 1 được điều khiển từ trái đất (hình 1.3).
Hình 1.3 Xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunokohod 1
Viện nghiên cứu thuộc Trường Đại học Stanford vào năm 1969 đã thiết kế
Robot Shakey di động tinh vi hơn để thực hiện những thí nghiệm về điều khiển
sử dụng hệ thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tượng (hình 1.4). Robot
11
này được lập trình trước để nhận dạng đối tượng bằng camera, xác định đường
đi đến đối tượng và thực hiện một số tác động trên đối tượng.
Hình 1.4 Robot Shakey-Robot đầu tiên nhận dạng đối tượng bằng camera
Trong hoạt động sản xuất, đa số những Robot công nghiệp có hình
dạng của “cánh tay cơ khí”, cũng chính vì vậy mà đôi khi ta gặp thuật ngữ
người máy, tay máy trong những tài liệu tham khảo và giáo trình về Robot.

Robot tiếp tục phát triển ngày càng hoàn thiện và đi sâu vào nhiều lĩnh
vực trong đời sống, các hoạt động sản xuất, y tế, và cả lĩnh vực giải trí với kỹ
thuật công nghệ cao.
Trên hình 1.5 trình bày một Robot là một cánh tay cơ khí khác xa với
Robot R2D2, nhưng đối với sản xuất nó mang lại lợi ích to lớn.
Hình 1.5 Robot lập trình được đầu tiên do George Dovol thiết kế
12
Loại Robot công nghiệp cũng có quá trình phát triển rất mau lẹ. Kể từ khi
xuất hiện cho đến nay, theo chủng loại, mức độ điều khiển và khả năng nhận
biết thông tin của tay máy – người máy đã được sản xuất trên thế giới có thể
phân loại các Robot công nghiệp thành các thế hệ sau:
Thế hệ 1: Thế hệ có kiểu điều khiển theo chu trình dạng chương trình
cứng không có khả năng nhận biết thông tin.
Thế hệ 2: Thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình mềm
bước đầu có khả năng nhận biết thông tin.
Thế hệ 3: Thế hệ có kiểu điều khiển dạng tinh khôn, có khả năng nhận
biết thông tin và bước đầu đã có một số chức năng lý trí của con người.
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng mạnh nhanh chóng góp
phần nâng cao năng suất lao động. Đặc biệt sự ra đời và phát triển của công
nghệ chế tạo Robot nhằm tạo ra sự tự động hóa trong quá trình sản xuất giảm
đi sức lao động bằng chân tay của con người.
1.2. Các định nghĩa về robot
Có khá nhiều định nghĩa về Robot cho đến nay. Năm 1986, McKerrow
định nghĩa Robot là một loại máy móc cơ khí có thể lập trình để thực hiện một
số công việc nào đó.
Schulussel (1985) lại định nghĩa Robot là một tay máy đa chức năng, khả
trình được thiết kế để vận chuyển nguyên vật liệu, phôi, chi tiết gia công.
Ben Zion S. (1999) cũng Tay máy là một cơ cấu thường ở dạng chuỗi hở,
các khâu được nối tiếp nhau và di chuyển tương đối với nhau nhằm mục đích
gắp và di chuyển các đối tượng theo một số bậc tự do nhất định.

Robot là một đối tượng máy móc có thể lập trình điều khiển, có chức
năng nhiệm vụ, có thể tái lập trình, có thể được điều khiển tự động hoặc điều
khiển bằng tay,
Định nghĩa robot còn được Mikell P.Groover, một nhà nghiên cứu hàng
đầu trong lĩnh vực robot, mở rộng hơn như sau: “Robot công nghiệp là những
máy, thiết bị tổng hợp hoạt động theo chương trình có những đặc điểm nhất
13
định tương tự như ở con người”.
Định nghĩa của M.P.Groover về robot không dừng lại ở tay máy mà mở
rộng ra cho nhiều đối tượng khác có những đặc tính tương tự như con người
như là suy nghĩ, có khả năng đưa ra quy định và có thể nhìn thấy hoặc cảm nhận
được đặc điểm của vật hay đối tượng mà nó phải thao tác hoặc xử lý. Theo
Artobolevski I.I., Vorobiov M.V. và các nhà nghiên cứu thuộc trường phái khối
SEV trước đây thì phát biểu rằng:
“Robot công nghiệp là những máy hoạt động tự động được điều khiển
theo chương trình để thực hiện việc thay đổi vị trí của những đối tượng thao tác
khác nhau với mục đích tự động hoá các quá trình sản xuất”.
Kết cấu cơ bản của
r
obot:
Hình 1.6 Kết cấu Robot
1.3. Phân loại robot tay máy
Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản
nhất của robot để giúp cho việc nhận xét đánh giá được dễ dàng đối với từng
loại robot từ đó ứng dụng cho phù hợp với từng mục đích và nhiệm vụ của mỗi
loại công việc. Có nhiều phương pháp để phân loại robot tay máy, tùy theo kết
14
cấu, ứng dụng của mỗi loại robot, tuy nhiên thông thường thì có 4 yếu tố chính
để phân loại robot như sau: theo dạng hình học của không gian hoạt động, theo
thế hệ robot, theo bộ điều khiển, theo nguồn dẫn động.

1.3.1. Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động
(1) Robot toạ độ vuông góc (cartesian robot):
Robot loại này có ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba chuyển động tịnh
tiến dọc theo ba trục vuông góc.
Hình 1.7 Robot toạ độ vuông góc đề các
(2) Robot toạ độ trụ (cylindrical robot):
Tay máy kiểu tọa độ trụ: khớp đầu tiên: dùng khớp quay thay cho khớp
trượt. Vùng làm việc có dạng hình trụ rỗng. Độ cứng vững cơ học của tay máy
trụ tốt, thích hợp với tải nặng, nhưng độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng
nằm ngang giảm khi tầm với tăng.
Hình 1.8 Robot toạ độ trụ
15
(3) Robot toạ độ cầu (spherical robot)
:

Khớp thứ hai được thay bằng khớp quay. Vùng làm việc của nó là khối
cầu rỗng. Độ cứng vững của loại tay máy này thấp hơn 2 loại trên và độ chính
xác định vị phụ thuộc vào tầm với. Loại này có thể nhặt được cả các vật ở dưới
nền.
Hình 1.9 Robot toạ độ cầu
(4) Robot
SCARA
:

Hai khớp quay và 1 khớp trượt, có trục song song với nhau. Tay máy
cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững theo phương
được chọn. Dùng cho công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ, theo phương thẳng
đứng. SCARA - "Selective Compliance Assembly tay máy". Vùng làm việc là
một phần của hình trụ rỗng.
Hình 1.10 Robot SCARA

16
(5) Tay máy kiểu tay
ng
ư
ờ
i:
Ba khớp đều là các khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với 2
trục kia. Với kết cấu này, không có sự tương ứng giữa khả năng chuyển động
của các khâu và số bậc tự do. Tay máy làm việc rất khéo léo, nhưng độ chính
xác định vị phụ thuộc vị trí của phần công tác trong vùng làm việc. Vùng làm
việc của tay máy kiểu này gần giống một phần khối cầu.
Hình 1.11 Robot tay máy kiểu tay người
1.3.2. Phân loại theo hệ điều khiển
Có hai kiểu điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín.
- Điều khiển hở: Dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực,
khí nén, ) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển.
Kiểu điều khiển này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp.
- Điều khiển kín (hay điều khiển servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng
độ chính xác điều khiển. Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm và
điều khiển theo đường (contour).
+ Điều khiển điểm - điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm nμy đến điểm kia
theo đường thẳng với tốc độ cao (không làm việc). Nó chỉ làm việc tại các điểm
dừng. Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán
đinh, bắn đinh,
17
+ Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất
kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các
robot hàn hồ quang, phun sơn.
1.3.3. Phân loại theo ứng dụng
- Robot trong công nghiệp;

- Trong nông nghiệp;
- Robot quân sự;
- Robot thám hiểm;
- Robot y học;
- Robot giáo dục;
- Robot thí nghiệm;
- Robot trong sinh hoạt vui chơi giải trí v.v
1.4. Ứng dụng robot tay máy
Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Những ứng
dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn.
Một trong những công việc kém năng suất nhất của con người là rèn kim
loại ở nhiệt độ cao. Các công việc này đòi hỏi công nhân di chuyển phôi có khối
lượng lớn với nhiệt độ cao khắp nơi trong xưởng. Việc tuyển dụng công nhân
làm việc trong môi trường nhiệt độ cao như vậy là một vấn đề khó khăn đối với
ngành công nghiệp này, và Robot ban đầu đã được sử dụng để thay thế công
nhân làm việc trong điều kiện môi trường ngặt nghèo như trong lò đúc, xưởng
rèn, và xưởng hàn.
Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng
Robot nhiều nhất: khung xe được cố định vào một xe được điều khiển từ xa di
18
chuyển khắp nhà máy. Khi xe đến trạm hàn, kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào
vị trí cần hàn, trong khi đó Robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình
trước.
Robot còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nữa như phục vụ cho
máy công cụ, làm khuôn trong công nghiệp đồ nhựa, gắn kính xe hơi, gắp hàng
ra khỏi băng tải và đặt chúng vào các trạm chuyển trung gian.
1.4.1. Ứng dụng Robot trong hàn
Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng robot
nhiều nhất: khung xe được cố định vào một xe được điều khiển từ xa di chuyển
khắp nhà máy. Khi xe đến trạm hàn, kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào vị trí

cần hàn, sau đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước.
Hình 1.12 Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi
Hàn đường thường được thực hiện bằng tay. Tuy nhiên năng suất thấp do
yêu cầu chất lượng bề mặt mối hàng liên quan đến các thao tác của đầu mỏ hàn
với môi trường khắc nghiệt do khói và nhiệt độ phát ra trong quá trình hàn.
Không giống kỹ thuật hàn điểm, ở đó mối hàn có vị trí cố định, mối hàn
trong kỹ thuật hàn đường nằm dọc theo mối ghép giữa hai tấm kim loại. Những
19
hệ thống hàn đường thực tế (hình 1.13) phụ thuộc vào con người trong việc kẹp
chặt chính xác chi tiết được hàn, và sau đó Robot di chuyển dọc theo quĩ đạo
được lập trình trước.
Hình 1.13 Hệ thống Robot hàn đường của hãng FANUC
Ưu điểm duy nhất so với hàn bằng tay là chất lượng mối hàn được ổn
định. Người vận hành chỉ còn thực hiện một việc tẻ nhạt là kẹp chặt các chi tiết.
Có thể thực hiện tăng năng suất bằng cách trang bị hàn định vị quay nhờ đó
người vận hành có thể kẹp chặt một chi tiết trong khi thực hiện việc hàn chi tiết
khác. Tuy nhiên, luôn có vấn đề khó khăn trong việc lắp khít chi tiết do dung sai
trong chế tạo, chi tiết bị cong vênh, và các thiết kế cần lắp ghép theo đường cong
không đồng dạng. Các vấn đề đó làm cho việc kẹp chặt chi tiết khó khăn, đặc
biệt là đối với các chi tiết lớn và lắp tấm kim loại mỏng. Hơn nữa, đường hàn có
thể không xử lý được với mỏ hàn vì nó bị che khuất bởi chi tiết khác. Thợ hàn
tay phải xử lý khó khăn nhiều loại mối nối và vị trí các chi tiết khác nhau. Gần
đây các nghiên cứu tập trung vào phương pháp dò vết đường hàn với mục đích
giảm bớt yêu cầu định vị chính xác, và do đó giảm chi phí hàn trong khi chất
lượng mối hàn lại tăng.
Cảm biến trang bị trên các Robot hàn đường phải có khả năng xác định vị
trí đúng của đường hàn. Như vậy, để mối hàn được đặt chính xác, đúng yêu cầu
về hình dáng và kích thước thì Robot phải giữ điện cực theo hướng đúng của
20
đường hàn với khoảng cách đúng từ đường hàn đến đầu mỏ hàn và di chuyển với

tốc độ không đổi sao cho lượng vật liệu chảy vào mối nối không đổi. Xác định
đường hàn cho các vật thể ba chiều thì phức tạp hơn cho các tấm phẳng vi
thường cần phải mô hình hoá hình học để định ra đường di chuyển của Robot.
Hình 1.14 trình bày một Robot có trang bị cảm biến laser để dò đường đi của đầu
hàn.
Hình 1.14 Đầu hàn có trang bị cảm biến dò tìm đường đi bằng laser theo không
gian ba chiều
1.4.2. Ứng dụng Robot trong lắp ráp
Một kỹ thuật sản xuất có mục tiêu lâu dài là nhà máy tự động hoàn toàn, ở
đó một bản thiết kế được thể hiện tại một trạm thiết kế bằng máy tính, không có
sự can thiệp của con người vào quá trình sản xuất. Hãy thử hình dung một môi
trường sản xuất tự động hoàn toàn; từ ý tưởng sản phẩm, gồm các chỉ tiêu kỹ
thuật cấp cao, người ta thiết kế ra sản phẩm; sau đó đặt vật liệu, lập ra chương
trình gia công, lập ra chiến lược đường đi của chi tiết trong nhà máy; điều khiển
cung cấp chi tiết vào máy gia công, lắp ráp và kiểm tra tự động thông qua các
máy gia công CNC và các Robot tĩnh và Robot di động.
Những thành tựu của một môi trường sản xuất như thế đã và đang được
đầu tư nghiên cứu và phát triển trong nhiều năm qua. Hiện nay các nhà máy lớn
21
hiện đại đều áp dụng mô hình tự động hoá hoàn toàn, đặc biệt là phần thiết kế ở
cấp cao và phần xử lý chi tiết ở cấp thấp. Một trong những trở ngại chính là liên
kết các tầng với nhau. Một khó khăn khác là nhu cầu phương pháp xuất ra các
đặc tả thủ tục từ mô hình máy tính của sản phẩm. Ví dụ, việc lập ra một cách tự
động trình tự lắp ráp các chi tiết với nhau trong khâu lắp ráp.
Hình 1.15 Robot lắp ráp mạch in có hệ thống Camera quan sát được dùng để
xác định vị trí chân trên bản mạch in
1.4.3. Ứng dụng Robot trong nhà máy sản xuất
Trong sản xuất lớn, những Robot này là những hệ thống được tự động hoá
hoàn toàn: chúng đo đạc, cắt, khoan các thiết bị chính xác và còn có khả năng
hiệu chỉnh các công việc của mình, hầu như ở đây không cần sự giúp đỡ của con

người trừ chương trình điều khiển trong máy tính điện tử. Các Robot làm tất cả
các công việc như vận chuyển sản phẩm từ công đoạn sản xuất này tới công đoạn
sản xuất khác kể cả việc đưa và sắp xếp thành phẩm vào kho. Các nhà máy lớn
thì thường sản xuất một số mặt hàng nhất định trên các dây chuyền hiện đại. Các
nhà máy cỡ vừa và nhỏ, như nhà máy sản xuất phụ tùng xe đạp chẳng hạn, thì
thường sản xuất sản phẩm đa dạng với số lượng không lớn. Bằng cách trang bị
nhiều thiết bị đa dạng cho tay gắp của Robot cho phép Robot có khả năng điều
chỉnh nhanh chóng thiết bị công nghệ đáp ứng linh hoạt với nhiều dạng công việc
khác nhau.
22
Hình 1.16 Robot được sử dụng trên máy ép nhựa để lấy thành phẩm
1.5. Xu hướng phát triển của robot công nghiệp
Tối ưu cấu trúc cơ khí, chú ý tới việc sử dụng vật liệu nhẹ, độ bền cao; lựa
chọn bộ truyền có tỷ số truyền và hiệu suất lớn, tuổi thọ, độ chính xác cao để
tăng độ chính xác điều khiển, tăng ổn định và tuổi thọ của Robot.
Các bài toán cơ học: động học, động lực – điều khiển, cân bằng, dư dẫn
động, rung, tránh va chạm, cho các cấu trúc Robot công nghiệp truyền thống và
đặc biệt cho các cấu trúc động học song song, cấu trúc tích hợp trên Robot di
động. Các bài toán có kể đến yếu tố đàn hồi (chuyển vị, dao động) và khe hở
(giữa các mối ghép, tương tác, ) là các vấn đề cũng đang được đề cập rộng
khắp, nhằm nâng cao chất lượng điều khiển theo yêu cầu, tránh cộng hưởng,
nâng cao tuổi thọ, độ bền cơ cấu,
Các cơ cấu dẫn động và cảm biến tín hiệu: Đáp ứng yêu cầu về kết cấu và
điều khiển Robot, các cơ cấu dẫn động được nghiên cứu ứng dụng theo hướng
tiết kiệm năng lượng, bền lâu, đủ công suất, gọn nhẹ. Các sensor được nghiên
cứu phát triển sao cho đáp ứng được các yêu cầu về độ chính xác cảm nhận tín
hiệu, tốc độ lấy mẫu, chống nhiễu,
Điều khiển thông minh: Cùng với sự phát triển và thành tựu của các lĩnh
vực Trí tuệ nhân tạo, Thị giác máy và xử lý ảnh, xử lý âm thanh, tiếng nói, lĩnh
vực điều khiển thông minh trong kỹ thuật Robot đang trên đà phát triển vô cùng

mạnh mẽ và được nhiều người quan tâm.
23
1.6. Tóm tắt chương
Qua tìm hiểu sơ lược về robot ta có thể thấy lĩnh vực robot ngày càng phát
triển và ứng dụng vào hầu hết các lĩnh vực trong đời sống của con người. Robot
ngày càng thông minh hơn, xử lý các công việc đòi hỏi độ chính xác cao đã và
đang lần lượt thay thế cho con người trong nhiều công việc nặng nhọc, nguy
hiểm.
Trong tất cả các lĩnh vực đều có thể ứng dụng đến robot nói chung và
robot tay máy nói riêng. Trong công nghiệp hầu hết sử dụng các robot tay máy
để thực hiện các công việc như lắp ráp, phun sơn, hàn, cấp phôi…
Đề tài tôi chọn là thiết kế chế tạo robot tay máy ba bậc tự do RRR mục
đích để ứng dụng vào phục vụ thí nghiệm, giảng dạy các môn học về robot công
nghiệp.
24
CHƯƠNG II THIẾT KẾ SƠ ĐỒ CẤU TRÚC ĐỘNG HỌC TAY MÁY
Trong chương này tìm hiểu các vấn đề về đặc điểm thiết kế, phân tích tính
toán để chọn kết cấu robot tay máy, sơ đồ cấu trúc, cấu trúc động học tay máy
dựa trên các yêu cầu kỹ thuật, kiến thức đã được cung cấp qua các môn học, qua
tìm hiểu tổng quan về robot tay máy.
2.1. Yêu cầu kỹ thuật
Để thiết kế robot tay máy ba bậc tự do RRR ta cần đặt ra các chỉ tiêu về
yêu cầu kỹ thuật, chức năng nhiệm cụ của robot.
2.1.1. Yêu cầu về chức năng
- Gắp vật có trọng lượng nhỏ (khối lượng khoảng 100g) di chuyển từ vị trí
này sang vị trí khác trong phạm vi bán trụ bán kính 100mm, cao 15mm( không
gian công tác được cho trong phần 2.1.3) được dùng làm mô hình học cụ thí
nghiệm về robot công nghiệp;
- Chạy theo chương trình;
- Dễ lập trình điều khiển;

- Hoạt động theo các chế độ:
+ Tự động theo quỹ đạo cố định lập trình sẵn;
+ Chế độ điều khiển bằng tay.
2.1.2. Yêu cầu về kết cấu
- Trọng lượng nhỏ;
- Kích thước nhỏ gọn đặt được trên bàn học để có thể minh họa thí
nghiệm;
- Kết cấu vững chắc, gọn, có tính thẩm mỹ;
- Dễ dàng vận hành điều khiển, giao tiếp người – máy thân thiện;
- Giá thành rẻ.
2.1.3. Yêu cầu về các thông số kỹ thuật
- Ba bậc tự do, kiểu RRR;
25
- Không gian công tác như hình 2.1 với giới hạn các góc quay như sau:
; ; ;
Sai số cho phép của khâu công tác: 1mm
Hình 2.1 Không gian công tác của robot
Vận tốc góc và gia tốc góc tối đa ở các khớp:
Khớp 1: ; ;
Khớp 2: ; ;
Khớp 3: ; ;
Kích thước các khâu:
+ Khâu 1 < 200 mm;
+ Khâu 2 < 150 mm;
+ Khâu 3 < 100 mm.
- Khối lượng robot không quá 5 kg có trọng tâm thấp để đảm bảo robot
không bị lật trong quá trình hoạt động.
2.2. Thiết kế sơ đồ cấu trúc
Trong thiết kế robot, các giải pháp thiết kế đều được phát triển dựa trên
các đặc tả về chức năng – yêu cầu cơ bản đặt ra. Xây dựng các giải pháp thiết kế

đáp ứng các chỉ tiêu về chức năng, yêu cầu của các thông số kỹ thuật cho trước
là quá trình vừa trực quan vừa có tính hệ thống. Quá trình này nhằm từng bước
tiếp cận đến giải pháp thiết kế tối ưu.