Đồ án cơ điện tử Robot

Chơng 1:
TổNG QUAN Về Cơ ĐIệN Tử

Trong nền kinh tế to n cầu hiện nay, quốc gia n o đ a ra đợc các sản
phẩm có sức cạnh tranh cao sẽ có đợc thị phần v cơ hội phát triển. Cơ điện tử
l một lĩnh vực chuyên môn kết nối đa ng nh kỹ thuật cho phép tạo ra các sản
phẩm trí tuệ với giá th nh ng y c ng rẻ nh thế. Sự phát triển của máy tính v
công nghệ phần mềm l m cho cơ điện tử trở thành một đòi hỏi cấp thiết của
những thập niên cuối thế kỷ 20. Sang thế kỷ 21, với những tiến bộ trong các hệ
thống cơ-điện-sinh học máy tính lợng tử, hệ thống pico và nano, t ơng lai của
cơ điện tử sẽ đầy ắp triển vọng sáng sủa và tiềm năng.
Thuật ngữ cơ điện tử (mechatronic) ra đời ở Nhật Bản v o những năm
cuối thập niên 1960. Khi đó ngời ta coi cơ điện tử l một lĩnh vực công nghệ
liên ng nh giữa cơ khí, điện/điện tử. Công nghệ n y đã tạo ra nhiều sản phẩm
mới cũng nh cung cấp một giải pháp tăng hiệu quả v tính năng của các máy
móc thông dụng trong đời sống con ngời. Từ đó đến nay cơ điện tử có sự phát
triển không ngừng v đóng vai trò quan trọng trong khoa học công nghệ, nhất
l khi kỹ thuật vi xử lý ra đời v o những năm 1970. Mặc dù vậy khái niệm cơ
điện tử không đợc thể hiện một cách rõ r ng v nhất quán trong các t i liệu
cũng nh trong cách hiểu của mọi ngời. Nhiều ngời hiểu cơ điện tử l một hệ
thống gồm các phần cơ khí, điện, điện tử, máy tính, sensor, actuator, Một số
lại hiểu sản phẩm cơ điện tử l một thiết bị có thêm phần điều khiển điện tử v
phần mềm thay thế một phần chức năng của phần cơ khí trớc đây. Cách hiểu
n y dẫn đến suy nghĩ rằng cơ điện tử không có gì mới m chỉ đơn thuần l sự
tập hợp các lĩnh vực khoa học công nghệ có sẵn. Trong khi đó, nhiều sách về
cơ điện tử có cấu trúc nhiều chơng, mỗi chơng lại nói về một công nghệ riêng
rẽ, c ng l m ng ời đọc hiểu cơ điện tử không phải l một công nghệ thống
nhất.
Hiểu cơ điện tử nh thế l ch a đủ v ch a thấy hết bản chất của nó. Trớc
hết phải hiểu cơ điện tử l một công nghệ thống nhất chứ không phải l sự tập
hợp đơn thuần của nhiều công nghệ khác nhau. L một thể thống nhất nên

thiết kế các sản phẩm cơ điện tử phải l một thiết kế tối u, cộng năng của các
1
công nghệ khác nhau tạo nên một thiết bị, một hệ thống có sự kết hợp hữu cơ
nh một cơ thể sống. Có nghĩa l phần cơ khí, phần điện tử, phần điều khiển,
phần mềm, sensor, actuator, v.v của một sản phẩm cơ điện tử l các phần x -
ơng thịt của nhau, ảnh hởng lẫn nhau. Do vậy cấu trúc của các công nghệ khác
nhau phải thay đổi để tạo nên một cấu trúc thống nhất trong một sản phẩm.
Với quan niệm nh thế, các chuyên gia trên thế giới đã đa ra các định
nghĩa khác nhau về cơ điện tử. Bắt đầu từ định nghĩa đầu tiên về cơ điện tử của
Yasakawa Electric Company: Từ mechatronics (cơ điện tử) đ ợc tạo th nh bởi
mecha trong mechanism (máy móc) v tronics trong electronics (điện tử).
Nói cách khác, các công nghệ v sản phẩm phát triển sẽ hợp nhất điện tử một
cách mật thiết v hữu cơ ng y c ng nhiều v o trong máy móc, v l m nó
không thể nói nơi một cái kết thúc v cái khác bắt đầu . Sự tiến bộ của công
nghệ theo thời gian, nhất l sự phát triển của máy tính, khiến cho định nghĩa
cơ điện tử thay đổi. Năm 1996, Harashima, Tomizuka v Fukada quan niệm cơ
điện tử l sự tích hợp của kỹ thuật cơ khí, cùng với điện tử v điều khiển máy
tính thông minh trong thiết kế v sản xuất các sản phẩm và quá trình công
nghiệp. Theo Auslander v Kempf (1996): cơ điện tử l một ứng dụng của
việc tạo quyết định liên hợp để điều h nh các hệ thống vật lý . V gần đây,
W.Bolton đề xuất định nghĩa: Một hệ thống cơ điện tử không chỉ l sự kết hợp
chặt chẽ các hệ thống cơ khí - điện v còn hơn cả một hệ thống điều khiển; nó
l sự tích hợp ho n to n của tất cả những thứ đó . Tất cả các định nghĩa v
phát biểu trên đều chính xác v có giá trị nh ng chúng không định nghĩa đợc
ho n to n cơ điện tử. Hiện nay, thế giới tiếp tục có những cố gắng để định
nghĩa cơ điện tử, để phân loại các sản phẩm cơ điện tử v để phát triển một ch -
ơng trình giảng dạy cơ điện tử chuẩn. Tuy nhiên khó có thể miêu tả ho n thiện
cơ điện tử l gì. Sự thiếu nhất trí đó l một tín hiệu l nh mạnh. Nó cho thấy
lĩnh vực n y đang tồn tại, có nghĩa đấy l một vấn đề mới mẻ. Thậm chí khi
không có định nghĩa thống nhất về cơ điện tử, các kỹ s cũng hiểu đợc nó từ

những định nghĩa trên v từ việc bản thân họ chiêm nghiệm đ ợc bản chất triết
học của cơ điện tử qua thực tiễn. Các sản phẩm cơ điện tử vẫn liên tục đợc ra
đời trong vòng 30 năm qua bằng những xử lý tự nhiên nh thế. Mặc dù vậy cần
thiết phải nghiên cứu cơ điện tử để cung cấp một kỹ năng giúp mọi ngời hiểu
v giải thích đ ợc quá trình thiết kế kỹ thuật cũng nh định nghĩa, phân loại,
2
thiết lập v tích hợp nhiều khía cạnh kỹ thuật trong sản phẩm cơ điện tử thống
nhất.

Việc cố gắng để xây dựng một hệ thống cơ khí tự động đã có từ rất lâu.
Các ứng dụng của điều khiển tự động xuất hiện ở Hy Lạp từ những năm 300
đến năm thứ nhất trớc CN, với sự phát triển của cơ cấu điều chỉnh bằng phao.
Ví dụ nh đồng hồ nớc của Ktesibios v đèn dầu của Philon. Đến giữa thế kỷ 17
v 19, ở Châu Âu, nhiều máy móc quan trọng đ ợc tạo ra m sau n y tham gia
v o cơ điện tử. Cornelis Drebbel (H Lan, 1572-1633) nghĩ ra máy điều chỉnh
nhiệt độ đợc xem l hệ thống có phản hồi đầu tiên. Sau đó, Dennis Papin
(1647-1712) sáng chế ra cơ cấu điều chỉnh an to n áp suất nồi hơi v o năm
1681. Máy tính cơ khí đầu tiên đợc tạo ra bởi Pascal v o năm 1642.
Sự phát triển xa hơn trong tự động hóa đợc thúc đẩy bởi lý thuyết điều
khiển tự động với khởi nguồn l máy điều tốc ly tâm của Watt v o năm 1769
(hình 1.1). Máy điều tốc ly tâm dùng để điều chỉnh tốc độ của động cơ hơi nớc.
Nó dùng phép đo tốc độ của trục đầu ra v sử dụng sự chuyển động của quả
văng để điều chỉnh van, do đó lợng hơi nớc v o động cơ đ ợc điều chỉnh. Đây
l một thí dụ về hệ thống điều khiển có phản hồi m tín hiệu phản hồi v cơ
cấu chấp h nh điều khiển đ ợc ghép ho n to n trong phần cứng cơ khí.
Đến thế kỷ 19, h ng loạt các phát minh ra đời. Tiền thân của máy điều
khiển số (NC) xuất hiện đầu thế kỷ 19 với điều khiển feed-forward khung dệt
của Joseph Jacquard (Pháp). V o thập niên 1830, Michael Faraday miêu tả
định luật cảm ứng l nền tảng của động cơ điện v máy phát điện. Sau đó, v o
3

!"# $%&
những năm cuối thập niên 1880, Nikola Tesla phát minh ra động cơ điện xoay
chiều. ý tởng cơ bản của việc điều khiển hệ thống cơ khí một cách tự động đợc
thiết lập vững chắc v o cuối thế kỷ 19. Sự phát triển của tự động tăng lên
nhanh chóng trong thế kỷ 20.
Sự tiến triển của phần tử điều khiển khí nén v o những năm 1930 đã tìm
đợc ứng dụng trong công nghiệp. Suốt thập niên 1940, sự tiến bộ trong phơng
pháp giải tích v toán học củng cố khái niệm kỹ thuật điều khiển nh l môn
học kỹ thuật độc lập. Thế chiến thứ 2 đem đến những bớc tiến trong lý thuyết
v thực tiễn của điều khiển tự động nhằm thiết kế và xây dựng hệ thống dẫn đ -
ờng máy bay tự động, hệ thống súng vị trí, hệ thống điều khiển anten rađa,
và các hệ thống quân sự khác. Sự phức tạp của các hệ thống quân sự này mở ra
các công nghệ điều khiển và cổ vũ sự quan tâm điều khiển hệ thống. Thập niên
1950, sự phát minh ra cam, các liên kết, và xích xe trở thành những công nghệ
chính cho việc tìm ra các sản phẩm mới cũng nh sản xuất, lắp ráp với độ chính
xác tốc độ cao. Sự phát minh ra bộ vi xử lý trong những năm cuối thập niên
1960 mang lại hình thái của điều khiển bằng máy tính trong xử lý và thiết kế
sản phẩm.
Những th nh tựu trong sản xuất bán dẫn và mạch tích hợp (IC) đem đến
sự tiến bộ của một lớp các sản phẩm mới kết hợp chặt chẽ cơ khí và điện tử
trong hệ thống đồng thời yêu cầu cả hai gắn chặt chức năng của chúng. Thuật
ngữ cơ điện tử đợc đa ra bởi Yasakawa Electric Company v o năm 1969 để
giới thiệu các hệ thống nh thế . Yasakawa đăng ký độc quyền thuật ngữ này
vào năm 1972, nhng sau đó để dùng rộng rãi trên thế giới, thuật ngữ đó đợc
phổ biến vào năm 1982. Ban đầu, cơ điện tử dùng để chỉ các hệ thống chỉ có
các thành phần cơ khí và điện tử không yêu cầu sự tính toán. Ví dụ nh của
trợt tự động, máy bán hàng tự động, hệ thống mở của nhà để ô tô.
V o cuối thập niên 1970, Hội xúc tiến công nghiệp máy của Nhật (the
Japan Society for the Promotion of Machine Industry JSPMI) phân chia sản
phẩm cơ điện tử thành 4 loại:

1. Loại I: Các sản phẩm cơ khí là chính với sự kết hợp của điện tử để
nâng cao chức năng. Ví dụ nh các công cụ máy đợc điều khiển số
hoá và điều chỉnh tốc độ biến thiên trong máy sản xuất.
4
2. Loại II: Các hệ thống cơ khí truyền thống với sự hiện đại hoá đặc
biệt các thiết bị bên trong bằng việc kết hợp điện tử. Giao diện ng-
ời dùng bên ngo i không đổi. Ví dụ nh máy khâu hiện đại v các
hệ thống sản xuất đợc tự động.
3. Loại III: Các hệ thống giữ lại chức năng của hệ thống cơ khí
truyền thống nhng máy móc bên trong đợc thay thế bằng điện tử.
Ví dụ nh đồng hồ số hóa.
4. Loại IV: Các sản phẩm đợc thiết kế với các công nghệ cơ khí v
điện tử tích hợp hỗ trợ nhau. Ví dụ nh máy photocopy, máy l m
khô v rửa thông minh, nồi cơm điện, v lò tự động.
Các công nghệ cho mỗi loại sản phẩm cơ điện tử minh họa sự tiến bộ
của các sản phẩm cơ - điện với bớc d i của những sự phát triển lý thuyết điều
khiển, các công nghệ tính toán, v các bộ vi xử lý. Các sản phẩm loại I dùng
công nghệ servo, điện tử công suất, lý thuyết điều khiển. Các sản phẩm loại II
dùng khả năng của các thiết bị nhớ v o tính toán, khả năng thiết kế mạch theo
đơn đặt h ng. Các sản phẩm loại III dựa v o bộ vi xử lý v các mạch tích hợp
thay thế các hệ thống cơ khí. Cuối cùng, các sản phẩm loại IV đánh dấu sự bắt
đầu của hệ thống cơ điện tử thực sự, thông qua sự tích hợp các hệ thống cơ khí
v điện tử. Đến tận những năm 1970 với sự phát triển bộ vi xử lý của Intel thì
việc kết hợp hệ thống máy tính với hệ thống cơ khí mới trở nên thực tế.
Sang thập niên 1980, công nghệ thông tin đợc hình th nh thì các bộ vi
xử lý đợc nhúng v o trong các hệ thống cơ khí để nâng cao tính năng của hệ
thống. Máy công cụ điều khiển số v robot trở nên ho n hảo hơn, trong khi đó
các ứng dụng trong ôtô nh hệ thống điều khiển động cơ điện tử v hệ thống
phanh chống bó cứng đợc dùng rộng rãi.
Trong thập niên 1990, công nghệ truyền thông đợc đa v o các sản phẩm

cơ điện tử l m chúng có khả năng kết nối trong mạng rộng. Sự phát triển n y
mang đến những chức năng mới nh điều khiển cánh tay robot từ xa. Trong thời
gian n y, các công nghệ sensor v actuator mới, nhỏ hơn thậm chí cấp độ
micro đợc dùng ng y c ng nhiều trong các sản phẩm mới. Hệ thống vi cơ-
điện nh vi gia tốc kế silicon dùng để khởi động túi khí ôtô l một ví dụ mới
nhất.
5
Sự phát triển của cơ điện tử đến giai đoạn n y tạo nên một hệ nhất quán
v l một giai đoạn phát triển về chất chứ không đơn thuần chỉ l sự phát triển
rầm rộ về số lợng. Máy tính v các chíp vi xử lý đó mạnh v rẻ để có thể
nhúng v o các sản phẩm cùng với các công nghệ cao khác nh sensor, actuator,
công nghệ phần mềm, công nghệ điều khiển số hiện đại cho ra những sản
phẩm thông minh. Các chức năng của máy móc v hệ thống kỹ thuật hiện nay
phụ thuộc chủ yếu v o phần mềm có thể l một thuật toán, mạng nơron, hệ mờ
trong máy tính của sản phẩm. Nh vậy cơ điện tử l một công nghệ tổng hợp
ng y c ng nhiều các công nghệ khác trong nó để có thể có đ ợc các sản phẩm
ng y c ng ho n hảo hơn.
'(")
Xu thế phát triển của cơ điện tử l tích hợp trong đó ng y c ng nhiều
công nghệ cao, trí tuệ của sản phẩm ng y c ng thông minh hơn v kích th ớc
ng y c ng nhỏ hơn.
Một số công nghệ mới đóng vai trò quan trọng trong các sản phẩm v hệ
thống cơ điện tử trong thời gian tới l công nghệ mạng máy tính nhúng v
công nghệ vật liệu mới. Với công nghệ mạng máy tính nhúng, các sản phẩm cơ
điện tử sẽ có chức năng hội thoại v hợp tác phối hợp thực hiện đ ợc nhiều
nhiệm vụ có độ phức tạp cao hoặc đồng thời ở nhiều địa điểm trên diện rộng.
Công nghệ vật liệu mới cho ta nhiều vật liệu có đặc tính nh điều khiển đợc
hoặc có khả năng biến dạng để chế tạo các cơ cấu chấp h nh hoặc cấu trúc cơ
khí không gian 3 chiều phong phú cho các sản phẩm cơ điện tử.
Công nghệ micro/nano nhằm thu nhỏ các thiết bị máy móc xuống kích

thớc của phân tử cho các sản phẩm công nghệ trong tơng lai. Với việc điều
khiển chính xác các nguyên tử v phân tử, con ng ời có thể chế tạo ra các cảm
biến mới, các vật liệu nhân tạo thông minh, bộ nhớ có dung lợng terabyte (10
12
byte), các robot/máy kích thớc micro, các hệ thống thông minh cực nhỏ v.v
Tuy nhiên công nghệ nano còn nhiều thách thức m hiện nay con ng ời cha giải
quyết đợc. Sự hiểu biết cơ chế hoạt động, điều khiển ở kích thớc nano còn cha
ho n hảo, công nghệ điều khiển nano còn ch a phát triển. Các nghiên cứu về
micro/nano mechatronics mới đang ở giai đoạn đầu.
6
#*+","-
#*+.)" !
/
#*+.)!"
*0/
mô tơ một chiều (1870)
mô tơ xoay chiều (1889)
1233
động cơ hơi nớc 1860
máy phát điện 1870
bơm tuần ho n 1880
động cơ đốt 1880
máy chữ cơ khí
máy công cụ
bơm
23
rơle, sôlênôit
khuếch đại điện, thuỷ lực, khí
nộn
bộ điều chỉnh PI (1930)

2'4
máy chữ điện
#*+.)
5!"*6708
5!"*9:
244
transistor (1948)
thyristor (1955)
tua bin hơi nớc
máy bay
thang máy điều khiển
bằng điện tử
#*+.)
5!"*#;<
5!"*9: #
2=4
máy tính số hóa (1955)
máy tính xử lý (1959)
phần mềm thời gian thực (1966)
máy vi tính (1971)
tự động hóa phân quyền số (1975)
#
5+>,?*+@

5,%!%A?B
5C<D*D%)E*F"G
HI
5*JB!"#
2K4
bộ vi điều chỉnh (1978)

máy tính cá nhân (1980)
hệ thống process/fieldbus
các cơ cấu điều khiển, cảm biến mới
sự tích hợp các th nh phần
công cụ máy
robot công nghiệp
dây truyền công nghiệp
truyền động đĩa
robot di động
CIM
phơng vị từ
điều khiển ôtô (ABS, ESP)
Chiều
tăng
truyền
động điện
Chiều
tăng điều
khiển tự
động
Chiều
tăng tự
động hóa
với máy
tính quá
trình v
sự thu
nhỏ
Chiều
tăng sự

tích hợp
của xử lý
v máy
vi tính
#*+LL
#*+L.
Xu thế nhỏ hóa các thiết bị máy móc đang l xu h ớng tiến hóa các sản
phẩm ở hầu hết các sản phẩm công nghiệp nh các thiết bị điện tử gia dụng
(máy điều ho , lò vi sóng, máy giặt, ), các thiết bị truyền thông, các thiết bị
y tế, các phơng tiện giao thông, các hệ thống điều khiển, các dây chuyền công
nghệ Sự phát triển của công nghệ vi điện tử ng y c ng nhỏ với chức năng
ng y c ng mạnh v giá th nh ng y c ng rẻ cho thấy khả năng phát triển của
các sản phẩm nhỏ gọn v có nhiều tính năng phong phú, v ợt trội.
Xu thế thông minh hóa các sản phẩm cơ điện tử đợc thể hiện ở việc phát
triển trí thông minh cho các sản phẩm. Các nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo,
mạng nơron, hệ chuyên gia, giải thuật gen, các phơng pháp xử lý song song
đang l h ớng nghiên cứu thời sự cho các hệ điều khiển thông minh áp dụng
cho các sản phẩm cơ điện tử tơng lai. V với việc xử lý trong thời gian thực
các tín hiệu của cảm biến âm thanh, hình ảnh, tiếng nói, các cảm biến tiếp xúc
nh lực, mômen v.v sẽ tạo ra các sản phẩm cơ điện tử có khả năng đối thoại
v tự suy diễn, ra quyết định, tự thích nghi với môi tr ờng nh những sinh vật
sống.
MNJO*F"G#
Mặc dù không thống nhất trong việc tìm ra định nghĩa chính thức về cơ
điện tử nhng tất cả các định nghĩa trên đều đồng ý rằng cơ điện tử l một lĩnh
vực liên ng nh, với các chuyên ng nh nh sau (Hình 1.3):
7
Công nghệ
thông tin
Cơ khí

Điện tử
Cơ điện tử
'E%#P".)L
*+.CC
Các hệ thống cơ khí (các phần tử cơ khí, máy móc, cơ học chính
xác);
Các hệ thống điện tử (vi điện tử ,điện tử công suất, công nghệ cảm
biến v điều khiển).
Công nghệ thông tin (lý thuyết hệ thống, kỹ thuật tự động, công
nghệ phần mềm, trí tuệ nhân tạo).
Nếu nhìn trên mô hình 1.3, ngời ta dễ lầm tởng hệ thống cơ điện tử chỉ
l sự tích hợp của 3 chuyên ng nh l cơ khí, điện tử v công nghệ thông tin.
Đó cũng l quan niệm thủa ban đầu về cơ điện tử. Giờ đây các ng nh công
nghệ đó xích lại gần nhau, giao nhau v tạo ra các liên ng nh mới. Cơ khí v
điện tử đó gắn kết với nhau tạo nên các chuyên ng nh đo l ờng, điều khiển,
điều chỉnh, cảm biến. Điện tử v công nghệ thông tin liên kết tạo th nh
chuyên ng nh kỹ thuật tính toán quá trình. Công nghệ thông tin v cơ khí giao
nhau tạo nên chuyên ng nh mô hình hóa. Khi đó cần phải hiểu lĩnh vực cơ
điện tử nh trên Hình 1.4.
Có thể thấy nếu hiểu cơ điện tử chỉ l sự kết hợp đơn thuần của 3 ng nh
cơ khí, điện điện tử, công nghệ thông tin thì biên dạng của lĩnh vực cơ điện
tử chỉ l 3 điểm rời rạc. V nh thế lĩnh vực cơ điện tử không thể tách riêng ra
th nh một chuyên ng nh độc lập. Ng ời ta cũng không thể thấy sự thống nhất
trong cơ điện tử m trong sự thống nhất đó các yếu tố cơ khí, điện điện tử
v công nghệ thông tin phải gắn kết với nhau, tác động qua lại hữu cơ với nhau
tạo th nh cơ thể sống cơ điện tử. Nh vậy cơ điện tử đầy đủ phải nh trên mô
hình 1.4. ở đó, với sự tham gia của đo lờng, điều khiển, điều chỉnh, cảm biến,
kỹ thuật tính toán quá trình, mô hình hóa; cơ điện tử mới có một biên dạng
khép kín. V khi đó cơ điện tử mới tách ra khỏi các chuyên ng nh, công nghệ
trên trở th nh một chuyên ng nh, công nghệ độc lập. Việc các chuyên ng nh

cơ khí, điện điện tử, công nghệ thông tin biến đổi v kết hợp với nhau tạo
nên phần xơng thịt hu cơ trong cơ điện tử. ở trong cơ thể sống đó tồn tại 3
dòng máu lu thông: dòng lu thông vật chất, dòng lu thông năng lợng, dòng lu
thông thông tin.
8

MQD"G
Tóm lại, trong chơng đầu tiên n y, chúng ta đã có đ ợc cái nhìn đầu tiên
về cơ điện tử. Quan niệm, lịch sử phát triển cũng nh xu hớng tơng lai của nó.
Cơ điện tử l một lĩnh vực tự nhiên trong quá trình tiến hóa của kỹ thuật
hiện đại. Mặc dù cha có một định nghĩa ho n thiện về cơ điện tử nh ng trong
thực tế nó không cần thiết. Có thể hiểu cơ điện tử l sự tích hợp đa ng nh kỹ
thuật trong đó có 3 ng nh chính l cơ khí, điện - điện tử v công nghệ thông
tin.
Nh đã thấy cơ điện tử đã đi v o cuộc sống v sản xuất với ng y c ng
nhiều công nghệ đợc tích hợp trong nó. Có thể nói tơng lai của cơ điện tử đang
mở rộng v nó đang v sẽ chiếm vị trí quan trọng trong công nghệ mai sau.
9
R %/S.0" ;%C*D# *F"G
Chơng 2:
Giới thiệu về robot
TEU#EUE
Định nghĩa: Robot là cơ cấu chấp hành đa chức năng tái lập trình, đợc
thiết kế để chuyển tải vật t, công cụ hoặc các thiết bị chuyên biệt, thông qua
các chuyển động đợc lập trình để thực hiện các tác vụ khác nhau. Định nghĩa
này bao gồm các cơ cấu chấp hành, các tay máy điều khiển số, các máy di
chuyển, và ngời máy của khoa học viễn tởng.
Lịch sử phát triển: Thuật ngữ robot xuất hiện vào năm 1923, nhng sự
phát triển của robot công nghiệp chỉ bắt đầu vào cuối những năm 1940. Robot
công nghiệp ban đầu đợc dùng để chuyển tải các vật liệu nguy hiểm, đợc dùng

trong thám hiểm không gian, và sau đó đợc dùng trong tự động hoá linh hoạt.
Cuối năm 1940, cơ cấu chấp hành chính phụ xuất hiện đợc dùng để chuyển tải
các vật liệu phóng xạ. Cơ cấu chính đợc ngời hớng dẫn thao tác cơ cấu phụ sao
chép chuyển động của cơ cấu chính tại vị trí xa. Sự hồi tiếp lực có thể phối hợp
để công nhân có thể nhận biết các tín hiệu tải của cơ cấu phụ.
Vào cuối năm 1950, cơ cấu lập trình bắt đầu xuất hiện và đợc cải tiến
liên tục. Đặc tính quan trọng của robot công nghiệp là phối hợp bộ điều khiển
dựa trên máy tính hoặc bộ vi xử lý với các cảm biến hồi tiếp để đạt đợc khả
năng lập trình đa chức năng. Vào cuối năm 1960, cơ cấu chấp hành robot đợc
trang bị hệ thống thị giác và các bộ cảm biến đặc biệt có tính năng mô phỏng
thị giác của con ngời, chúng có khả năng thực hiện các công đoạn lắp ráp của
con ngời.
Trong những năm 80 robot công nghiệp đã có bớc phát triển mạnh mẽ,
do các yêu cầu cao về tự động linh hoạt và kinh tế trong thám hiểm không gian
và công nghiệp ôtô. Vào đầu những năm 90, nhiều công ty ở Bắc Mỹ, Châu Âu
Nhật đã sử dụng rộng rãi robot trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.
Trong những năm gần đây robot công nghiệp chủ yếu đợc dùng cho các
thao tác lặp lại nhiều lần và trong các môi trờng nguy hiểm. Các thao tác lặp lại
nhiều lần bao gồm chuyển tải vật t, xếp dỡ các chi tiêt máy lắp ráp các bộ phận
thành cụm máy. Các ứng dụng trong môi trơng nguy hiểm bao gồm chuyển tải
vật liêu phóng xạ, thám hiểm không gian và đáy biển, hàn điểm phun sơn
10
Ngoài ra robot còn đựơc dùng trong xây dựng các thiết bị bay và di chuyển
không ngời lái tại những địa hình phức tạp các máy khai thác mỏ, các cụm gia
công thông minh. Trong những năm gần đây xu hớng là chế tạo các robot
thông minh và thân thiện với con ngời, kể cả robot giải phẫu y khoa, giúp việc
nhà Mặc dù có nhiều nỗ lực để phát triển robot thông minh, nh ng các loại
robot có thể mô phỏng nhiều chức năng của con ngời vẫn còn những hạn chế
nhất định, do đòi hỏi sự phát triển của công nghiệp về trí tuệ nhân tạo.
2.1.1 Robot chuỗi

Các Robot chuỗi hiện là các Robot công nghiệp phổ biến nhất. Thông
th ờng chúng có cấu trúc t ơng tựng cánh tay ng ời tức là một chuỗi liên tục
các liên kết đ ợc nối với nhau bằng các khớp (chủ yếu là các khớp xoay và
th ờng đ ợc gọi là các khớp bả vai, khớp khuỷu tay và khớp cổ tay). Ưu điểm
chính của loại Robot này là khoảng không gian làm việc lớn sơ với kích th ớc
của bản thân chúng. Nh ợc điểm chính của chúng là: độ cứng vững thấp do có
cấu trúc động học hở, các sai số đ ợc tích luỹ, ảnh h ởng và bị khuyếch đại
từ liên kết này sang liên kết khác, chúng phải đỡ và di chuyển các cơ cấu chấp
hành có khối l ợng lớn và do vậy chúng có hiệu suất tải t ơng ứng thấp.
O"V;"U"%/TEUE"W
11
TEUEXYZ 'TEUE[ZTZ MTEUE\'
Một số Robot chuỗi đ ợc giới thiệu trong các Hình 2.2, Hình 2.3 và
Hình 2.4.
Thông th ờng cần có 6 bậc tự do để đặt một vật vào vị trí và h ớng
đúng theo yêu cầu vào trong khoảng không gian phục vụ của Robot nên rất
nhiều Robot chuỗi có 6 khớp nối (Hình 2.1). Tuy nhiên, các Robot th ờng
đ ợc thiết kế cho các mục tiêu và ứng dụng nhất định, ví dụ, trong công
nghiệp lắp ráp: Robot cầm một sản phẩm từ một bộ cấp sản phẩm và đ a sản
phẩm vào vị trí lắp đặt của nó trong dây chuyền lắp ráp. Công việc này th ờng
chỉ yêu cầu 4 bậc tự do. Với mục đích này, các Robot chuyên dụng đ ợc thiết
kế và chế tạo và đ ợc gọi là dạng SCARA (Selective Compliance Assembly
Robot Arm).
2.1.2 Robot song song
Một Robot song song bao gồm một đế cố định (Fixed Base Platform)
đ ợc nối với bệ di động cuối (End Effector Platform) bằng một số chân. Các
chân này th ờng bao gồm một cơ cấu chấp hành khớp tr ợt tịnh tiến, nối với
đế cố định và bệ di động bằng các khớp cầu hoặc khớp các đăng là các khớp bị
động (khớp không có cơ cấu chấp hành, dùng để tạo kết cấu Robot và giữ vai
trò là các ràng buộc). Do đó, các chân chỉ chịu các lực kéo hoặc nén, không có

tác động của moment xoắn nên làm tăng độ chính xác và cho phép kết cấu
Robot đ ợc nhẹ hơn. Các cơ cấu chấp hành tại các khớp tr ợt có thể đ ợc lắp
đặt trên đế cố định hoặc các vị trí có độ di chuyển, vận tốc và gia tốc nhỏ do
vậy khối l ợng của chúng không phải di chuyển hoặc di chuyển rất ít và làm
cho các lực tác dụng vào Robot và các cơ cấu chấp hành giảm cũng nh cấu
trúc của Robot song song càng nhẹ hơn. Nhìn chung, các tay máy song song có
12
độ cứng vững kết cấu cao do bệ di động cuối đ ợc đỡ đồng thời tại một số
điểm. Tất cả các tính năng này làm cho các Robot song song có khả năng cơ
động cao. Nh ợc điểm chủ yếu của loại Robot song song là khoảng không
gian làm việc của chúng do các chân có thể chạm nhau và các khớp liên kết
của chúng cũng có các giới hạn động học.
4N"HG% U ;U]AE9R
=/#9^]AE9
Tr ớc đây, ứng dụng chủ yếu của loại Robot này là đ ợc sử dụng trong
thiết bị mô phỏng buồng tập lái máy bay hoặc lái xe (Hình 2.5). Chúng cũng
rất hữu dụng trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ và độ chính xác cao trong khi
yêu cầu về khoảng không gian làm việc có thể giới hạn (lắp đặt các bảng mạch
in), trong các máy phay tốc độ và độ chính xác cao. Các ví dụ trên đ ợc gọi là
các tay máy song song hoàn toàn do mỗi chân chỉ có một khớp chủ động (khớp
đ ợc cơ cấu chấp hành dẫn động). Các Robot song song hoàn toàn có hai
khớp tr ợt chéo nhau th ờng đ ợc gọi là các mô hình Stewart, tên của ng ời
13
đầu tiên đ a ra một ứng dụng của Robot song song để mô phỏng buồng tập lái
máy bay. Các thiết kế Robot song song hoàn toàn cũng đ đ ợc sử dụng vài
năm tr ớc trong các máy thử tải lốp xe đ ợc Gough ghi nhận. Do vậy, ng ời
ta th ờng gọi tên mô hình Stewart-Gough để chỉ cả hai dạng trên, và chúng
thông th ờng có ít nhất là 6 chân (có 6 bậc tự do - Hình 2.6) nếu không thì
chúng không ổn định (có thể chuyển động ngay cả khi chiều dài chân không
thay đổi)

K/#%C]AE9 >9<EC
2.1.3 Robot lai ghép (Hybrid Robot)
Ngoài hai dạng Robot chính là Robot chuỗi và Robot song song, ng ời
ta cong phát triển loại Robot kết hợp cả hai dạng trên trong một hệ thống
Robot chung và tạ thành Robot lai ghép. Đặc điểm nổi bật của dạng Robot này
bao gồm khoảng không làm việc lớn và độ linh hoạt cao hơn so với loại Robot
song song hoàn toàn và cũng cứng vững hơn so với loại Robot chuỗi. Hình 2.9
giới thiệu một loại Robot lai ghép 24-DOF đ ợc phát triển để làm việc trong
các nhà máy nguyên tử có tên là Logabex.
2CTEUE_M5`ab6EU]A8
Các dạng Robot lai ghép đ ợc cấu hình trực tiếp từ các chuỗi động học
song song và chuỗi, chúng bao gồm:
14
- Cơ cấu song song ghép với cơ cấu song song: Hai hệ thống song song
nối với nhau theo chuỗi. Cấu trúc này cứng vững hơn Robot chuỗi song
động học thuận và ng ợc của chúng rất phức tạp.
- Cơ cấu chuỗi ghép với cơ cấu song song: Một hệ thống song song gắn
trên một cơ cấu chuỗi. Loại Robot này tổng hợp đ ợc u điểm về
khoảng không làm việc lớn và độ linh hoạt cao của cơ cấu chuỗi thứ
nhất lần độ cứng vững cao và độ chính xác vị trí của cơ cấu song song
thứ hai.
- Cơ cấu song song ghép với cơ cấu chuỗi: Một tay máy cơ cấu chuỗi
gắn trên một hệ thống cơ cấu song song. Một Robot 6-DOF có thể
đ ợc cấu tạo từ một cơ cấu chuỗi 3-DOF gắn trên bệ di động của một
cơ cấu song song 3-DOF khác. Bằng cách tính toán và điều khiển riêng
biệt sau đó tổng hợp với nhau, động học của hệ thống này đ ợc xác
định và tính toán rất đơn giản.
2.1.4 Robot di động
3TEUE9/UcUA] TEUE9/Uc$
Có thể nói rằng, các Robot di động thực chất là các ôtô hay xe tự động,

tức là các bánh xe có hai bậc tự do: hai bánh xe chấp hành hoạt động độc lập
(Bánh xe chủ động quay tiến/lùi để di chuyển và bánh xe lái để chuyển h ớng)
hoặc hai chuyển động đ ợc ghép trong cùng một bánh. Các Robot di động
th ờng đ ợc dùng để vận chuyển vật t , vật liệu trên nền nhà do vậy có thể
mô phỏng và thiết lập số bậc tự do cho dạng này theo mô hình phẳng. Các xe
thám hiểm ngoài trời di chuyển trên các địa hình phức tạp sẽ cần các khả năng
chuyển động cảm biến không gian, địa hình 3 chiều (Hình 2.10). Các Robot di
động bằng chân (Legged Locomotion) cho phép rời rạc hoá việc tiếp xúc với
mặt đất theo các điểm (Robot di động bằng bánh xe tiếp xúc mặt đất theo các
15
đ ờng liên tục) làm cho loại Robot này có u thế trên các địa hình phức tạp,
gồ ghề và không liên tục (Hình 2.11).
2.1.5 Robot dạng ng ời
Một Robot đ ợc gọi là dạng ng ời nếu nó có hình dạng bề ngoài nhìn
giống nh con ng ời. Từ khi Karel Capek đ a ra từ Robot để chỉ ng ời/máy
phục vụ có nguồn gốc từ ng ời thực (là sản phẩm của công nghệ gen chứ
không phải là sản phẩm của các kỹ s cơ điện tử: đ ợc chế tạo từ các gen đ
bị loại bỏ tất cả các yếu tố cảm xúc của con ng ời) nên từ Robot ban đầu
đ ợc sử dụng chung để chỉ các thiết bị, máy móc có hình dạng giống ng ời,
có trí thông minh và rất khéo léo. Tuy nhiên hiện nay, ngành Robot học đ trở
thành một chuyên ngành kỹ thuật thực sự, bắt đầu từ sau Chiến tranh Thế Giới
II và trong suốt một thời gian dài nó chủ yếu giới hạn trong các dạng tay máy
đơn giản sử dụng trong ngành công nghiệp chế tạo và nguyên tử.
Chỉ trong khoảng một thập kỷ trở lại đây, trình độ phát triển của kỹ thật
công nghệ đ giúp cho việc chế tạo Robot dạng ng ời trở thành hiện thực. Một
Robot đ ợc gọi là dạng ng ời nếu nó có 2 chân, hai tay và một đầu (Hình
2.12) và sử dụng các thành phần đó theo cách của con ng ời: chân để đi, tay
để cầm, đầu để "nhìn" và "nghe".
TEUE9^IZ[da:ae`Z6eGNJ8
Trên quan điểm cơ học, Robot dạng ng ời khác với các cấu trúc Robot

chuỗi hay song song do cấu trúc chuỗi động học hình cây (từ một liên kếp này
16
đến một liên kết khác chỉ có thể di theo một chuỗi duy nhất) do vậy dây có thể
coi là sự mở rộng đơn giản của cấu trúc chuỗi và mức độ phức tạp trong thuật
toán mô hình hoá và điều khiển chỉ tăng lên một chút.
2.1.6 Robot tái cấu trúc
Một hệ thống chế tạo công nghiệp tự động th ờng gồm nhiều thiết bị
gia công và vận chuyển vật liệu nh máy CNC, Robot, cấp phôi, giá đỡ. Các
thiết bị này th ờng đ ợc chế tạo chuyên dùng với mục đích phục vụ một công
việc nhất định khi sản phẩm chế tạo trong dây chuyền không thay đổi. Các
thay đổi nhất định đ ợc thực hiện bằng cách thay đổi các ch ơng trình điều
khiển và mất nhiều thời gian và cũng ít có hiệu quả kinh tế khi sửa đổi chúng
về mặt két cấu cơ khí để thực hiện một công việc khác hay khi dây chyền cần
gia công chế tạo một sản phẩm khác. Khi đó, việc không có khả năng thay đổi
nhanh nh sự thay đổi của thị tr ờng sẽ là một nh ợc điểm của các thiết bị
gia công này. Các thiết bị có khả năng tái cấu trúc (có thể tạo ra một thiết bị có
cấu hình mới từ các thành phần của một thiết bị đ có) là một trong những lời
giải của bài toán trên.
'%E9"*)U/M%E9";*D
4E9"U9/"#R%E9"O"O
17
Một tay máy Robot tái cấu trúc (Hình 2.17, Hình 2.18) bao gồm một số
các module tiêu chuẩn (cơ cấu chấp hành - Hình 2.16, khớp nối - Hình 2.13,
liên kết - Hình 2.14, bệ di động - Hình 2.15) mà có thể đ ợc sử dụng lại để
ghép lại thành một Robot mới có các chức năng mới theo một cấu hình khác.
Với một số l ợng nhỏ các loại module, một Robot tái cấu trúc có thể đ ợc
nhanh chóng thiết kế, chế tạo với cấu hình đơn giản, khả năng chịu tải lớn và
tiêu hao ít năng l ợng do vậy có thể thực hiện các công việc có hiệu quả hơn.
=CTEUEXYZ.[ZTZ.)%E9"O"V
Để điều khiển các Robot tái cấu trúc cho một ứng dụng cụ thể, cần xác

định lại các mô hình động học, động lực học để kiểm tra các ràng buộc của các
khớp và cơ cấu chấp hành cuối đạt đ ợc các vị trí và góc xoay theo yêu cầu.
Tuy nhiên, việc xác định các mô hình trên cho một hệ thống Robot dạng cấu
hình lại là rất khó khăn do Robot không có một cấu hình đ đ ợc xác định
tr ớc nên sẽ có rất nhiều ph ơng án về hình học và số bậc tự do của hệ.
K/#9^TEUEO"V
2.1.7 Một số u nh ợc điểm của Robot song song
Nhìn chung, tất cả các loại Robot cơ cấu song song đều có nhiều u
điểm và có thể đ ợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, có thể kể đến những thế
mạnh của Rôbốt cơ cấu song song nh :
18
- Khả năng chịu tải cao, vận tốc và gia tốc lớn: các thành phần cấu tạo
nhỏ hơn nên khối l ợng của các thành phần cũng nhỏ hơn.
- Độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng:
+ Tất cả các lực tác động đồng thời đ ợc chia sẻ cho tất cả các chân.
+ Cấu trúc động học một cách đặc biệt của các khớp liên kết cho phép
chuyển tất cả các lực tác dụng thành các lực kéo/nén của các chân.
- Có thể thực hiện đ ợc các thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính
xác cao: với cấu trúc song song, sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc
trục của các cụm cơ cấu chân riêng lẻ và các sai số không bị tích luỹ.
- Có thể thiết kế ở các kích th ớc khác nhau.
- Đơn giản hoá các cơ cấu máy và giảm số l ợng phần tử do các chân và
khớp nối đ ợc thiết kế sẵn thành các cụm chi tiết tiêu chuẩn.
- Cung cấp khả năng di động cao trong quá trình làm việc do có khối
l ợng và kích th ớc nhỏ gọn.
- Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền.
- Tầm hoạt động của Rôbốt cơ cấu song song rất rộng từ việc lắp ráp các
chi tiết cực nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp
đòi hỏi độ chính xác cao nh : phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp
- Các Rôbốt cơ cấu song song làm việc không cần bệ đỡ và có thể di

chuyển tới mọi nơi trong môi tr ờng sản xuất. Chúng có thể làm việc
ngay cả khi trên thuyền và treo trên trần, t ờng
Tuy nhiên các Robot song song cũng có những nh ợc điểm nhất định
khi so sánh với các Robot chuỗi nh :
- Khoảng không gian làm việc nhỏ.
- Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp.
- Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian làm việc.
Nhìn chung, ta có thể so sánh Robot song song và Robot chuỗi theo một
số chỉ tiêu qua bảng dới đây:
Tính năng Robot chuỗi Robot song song
Độ chính xác thấp hơn cao hơn
Không gian làm việc lớn hơn nhỏ hơn
Độ cứng vững thấp hơn cao hơn
Tỷ số tải/khối l ợng thấp hơn cao hơn
Tải trọng quán tính lớn hơn nhỏ hơn
Tốc độ làm việc
thấp hơn
cao hơn
Độ phức tạp thiết kế/điều khiển
đơn giản
phức tạp
Mật độ điểm suy biến (kỳ dị) ít hơn lớn hơn
19
O"O
2.2.1 Bậc tự do của cơ cấu.
Vấn đề đầu tiên trong nghiên cứu động học của các cơ cấu là số bậc tự
do. Số bậc tự do của cơ cấu là số các thông số độc lập hoặc các thông số ngõ
vào cần thiết để chuyên biệt cấu hình của cơ cấu hoàn chỉnh. Trừ một số trờng
hợp đặc biệt, nói chung có thể xác định biểu thức tổng quát về số bậc tự do của
cơ cấu theo số khâu, số khớp, và kiểu khớp trong cơ cấu. Các ký hiệu sau đây

đợc dùng trong các phơng trình về cơ cấu:
C
i
: số ràng buộc của khớp i.
F : số bậc tự do của cơ cấu.
f
i
: số chuyển động tơng đối đợc phép của khớp i.
j : số khớp trong cơ cấu, giả sử mọi khớp đều là hai chiều.
j
i
: số khớp với i bậc tự do.
L : số vòng độc lập trong cơ cấu.
N : số khâu trong cơ cấu, kể cả khâu cố định.
: số bậc tự do trong không gian làm việc của cơ cấu
Do giả thiết tất cả các khớp đều là hai chiều, khớp ba chiều đợc coi là hai
khớp hai chiều, khớp 4 chiều đợc coi là 3 khớp 2 chiều Ngoài ra còn giả thiết
một giá trị đợc dùng cho các chuyển động của tất cả các khâu chuyển động,
chúng đều vận hành trong cùng không gian việc, do đó = 6 đối với cơ cấu
không gian, và = 3 đối với cơ cấu phẳng và cơ cấu cầu.
Giá trị bậc tự do của cơ cấu bằng bậc tự do liên quan với tất cả các khâu
chuyển động trừ đi số ràng buộc của các khớp. Do đó, nếu tất cả các khâu đều
không ràng buộc, số bậc tự do của cơ cấu n khớp, với một khớp cố định, sẽ
băng (n-1). Tuy nhiên, tổng các ràng buộc của các khớp là bằng
i
j
i
c
1=

, do đó
giá trị bậc tự do của cơ cấu đợc tính theo phơng trình:
F = (n-1)-

=
j
i 1
c
i
(2.1)
Số ràng buộc của một khâu và số bậc tự do của khâu đó bằng thông số
chuyển động do đó:
20
= c
i
+f
i
(2.2)
Do tổng ràng buộc của các khâu là:

= ==
==
j
i
j
i
i
j
i
ii

fjfc
1 11
)(


(2.3)
Thay pt (2.3) vào (2.1):
F = (n-j-1)+

=
j
i
i
f
1
(2.4)
Pt 2.4 đợc gọi là tiêu chuẩn Grubler hoặc Kutbach.
Tiêu chuẩn Grubler có giá trị khi các ràng buộc từ các khớp là độc lập
với nhau và không d. Ví dụ, chuỗi hai chiều kiểu quay cầu với trục khớp
quay đi qua tâm khớp cầu làm tăng bậc tự do d. Kiểu bậc tự do này đợc gọi là
bậc tự do thụ động, cho phép khâu trung gian quay tự do quanh trục đợc xác
định từ hai khớp đó. Mặc dù khâu trung gian có khả năng truyền lực hoặc
moment và chuyển động cho các trục khác, nhng không có khả năng truyền
moment cho trục thụ động. Nói chung, các khâu hai chiều với các cặp S-S, S-E,
E-E đều có bậc tự do thụ động (Bảng 2.1). Do đó các khâu hai chiều với các
cặp S-S, S-E, E-E và các khớp ba chiều tơng ứng của chúng cũng có bậc tự do
thụ động.
Bậc tự do thụ động không thể truyền moment và chuyển động cho trục
thụ động. Khi có cặp khớp này trong cơ cấu, cần phải trừ bớt một bậc tự do ở
phơng trình bậc tự do. Giả sử, f

p
là số bậc tự do thụ động trong cơ cấu, số bậc
tự do chủ động sẽ là:

+=
i
pi
ffjnF )1(

(2.5)
Bảng 2.1 Các khâu hai chiều với bậc tự do thụ động
Q" NG09E</
S S Quay quanh trục đi qua các tâm khớp cầu.
S E
Quay quanh trục đi qua tâm khớp cầu và vuông góc với mặt
phẳng của cặp phẳng
E - E
Trợt dọc trục song song với giao tuyến các mặt phẳng của cặp
mặt phẳng. Nếu hai mặt phẳng này song song, sẽ có ba bậc tự
do thụ động
f+9<. Cơ cấu không gian Stewart Gough . Hình 2.19 minh họa cơ
cấu không gian, trong đó nền chuyển động đợc nối vào đế cố định với sáu
nhánh mở rộng bằng các khớp cầu. Mỗi nhánh gồm hai khâu hai chiều nối
21
bằng khớp lăng trụ. Cấu trúc này đợc gọi là nhánh SPS. Do sự phối hợp SPS, có
một bậc tự do thụ động ở từng nhánh. Do = 6, j
1
= 6, j
3
= 12, và f

p
= 6, số bậc
tự do của cơ cấu đợc tính từ phơng trình (2.4) có:
F = 6(14 - 18 - 1) + (12 ì 3 + 6) - 6 = 6.
Do phơng trình (2.5) đợc tính bằng cách dùng một giá trị cho tất cả
các khâu chuyển động, số bậc tự do của cơ cấu không gian với các khớp nối
phẳng hoặc cầu theo kiểu hệ thống con phải đợc tính đến. Đặc biệt, = 3 đợc
dùng cho hệ thống cầu hoặc phẳng, và = 6 đợc dùng cho phần không gian
của cơ cấu.
Nói chung, nếu tiêu chuẩn Grubler có F > 0, cơ cấu có F bậc tự do. Nếu
F = 0, cơ cấu không có bậc tự do. Mặt khác, nếu F < 0, cơ cấu sẽ có số ràng
buộc d. Tuy nhiên, cần chú ý có các cơ cấu không tuân theo tiêu chuẩn
Grubler. Các cơ cấu này đòi hỏi chiều dài khâu đặc biệt để đạt đợc tính linh
động cao gọi là cơ cấu thắng ràng buộc.
2.2.2 Tiêu chuẩn chuyển động theo vòng.
Nh đã đề cập, chuyển động học là một bộ các khâu đựơc nối với nhau
bằng các khớp. Nếu mỗi khâu đợc nối với ít nhất 2 khâu khác, chuyển tạo
thành một hoặc nhiều vòng kín. Có thể thiết lập pt liên hệ số vòng độc lập với
số khâu và khớp trong chuỗi động học. Số vòng độc lập đợc hiểu là tổng các
vòng, trừ vòng bên ngoài. Đối với chuỗi động học một vòng (phẳng, cầu, hoặc
không gian) số các khâu bằng số các khớp, nghĩa là n =j.
Từ chuỗi một vòng có thể mở rộng sang chuỗi hai vòng. Điều này có thể
đợc thực hiện bằng cách lấy chuyển vòng hở và có hai đầu đợc nối với hai
thành phần bất kỳ của chuỗi một vòng bằng hai khớp (hình 2.20), trong đó A
22
[
[
[ [
[[
[

[ [
[
[,"
X
XB<
[,"
2O"*C
[]g5hE"
iD#
và B là các điểm nối. Chú ý bằng cách mở rộng một vòng thành hai vòng, số
các khớp sẽ lớn hơn số các khâu là một. Tơng tự chuỗi vòng hở có thể đợc kết
hợp chuỗi hai vòng để tạo thành chuỗi ba vòng Nói chung việc mở rộng
chuỗi động học từ một vòng thành L vòng, hiệu giữa số khớp và số khâu sẽ
tăng theo giá trị L-1, do đó có thể viết:
j = n + L-1 (2.6)
hoặc
L = j n +1
(2.7)
Pt 2.7 đợc gọi là pt Euler, số vòng độc lập lớn hơn hiệu giữa số khớp và
số khâu là một. Kết hợp pt 2.7 và 2.4 :


f
i
=F+

L (2.8)
Pt 2.8 đợc gọi là tiêu chuẩn chuyển động vòng. Pt (2.7) hoặc (2.8) rất
hữu dụng để tính số vòng độc lập trong chuỗi động học. Nói chung số lợng pt
vòng kín có thể đợc thiết lập cho cơ cấu bằng số vòng độc lập trong cơ cấu đó.

f+9<. Cơ cấu Stewart Gough. Đối với cơ cấu này (Hình 2.19), có
= 6, n = 14, và j = 18, do đó số vòng độc lập L = 18 14 +1 = 5. Vế phải
của pt (2.8) có F + L = 6 + 6 x 5 = 36, còn vế trái là f
i
= 3 x 12 + 6 = 42.
Hiệu của hai số này là số bậc tự do độc lập.
'X$E^EUE
Robot có thể đợc phân loại theo nhiều tiêu chuẩn, số bậc tự do, cấu trúc
động học, hệ thống truyền động, dạng hình học của chi tiết gia công, các đặc
tính truyền động
2.3.1 Phân loại theo số bậc tự do.
23
N
fj
fj
Z Z
N
3[0
"W!"
.j
Sơ đồ phân loại robot thờng dùng là theo số bậc tự do. Một cách lý tởng
cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để xử lý đối tợng một cách tự do trong
không gian 3 chiều. Theo quan điểm này Robot đa năng có 6 bậc tự do và
Robot thiếu có ít hơn 6 bậc tự do. Robot d có thêm 1 bậc tự do để di chuyển
qua các chớng ngại hoặc vận hành trong các không gian hẹp. Mặt khác đối với
24
2
3
b
1

\ % E
Z
N
0
b
N
\ % 9
1
Z
0
2
3
b
N
\ % ].E"]
0
1
2
3
Z
1
2
A
N
\ % ]
0
\ %
1
2 3
0

b
Z
N
X$E^ %
]EO"VA.+
một số ứng dụng đặc biệt, chẳng hạn lắp ráp các chi tiết lên mặt phẳng Robot 4
bậc tự do là đủ. Robot loại Fanuc (Hình 2.21) có cơ cấu chấp hành đa năng với
6 bậc tự do.
2.3.2 Phân loại theo cấu trúc động học.
Robot đợc gọi là robot nối tiếp với cơ cấu chấp hành vòng hở nếu cấu
trúc động học có dạng chuỗi vòng hở, robot song song nếu có chuỗi vòng kín
và robot lai nếu có cả chuỗi vòng kín và hở. Hầu hết các kỹ s đều coi Fanuc
(Hình 2.21) là robot nối tiếp, nhng trong thực tế đây là cơ cấu chấp hành lai do
phối hợp 4 khâu bản lề (thanh đẩy) để truyền động khớp thứ ba. Nhiều robot
công nghiệp sử dụng kiểu cấu trúc này do có thể lắp động cơ thứ ba để giảm
quán tính của cơ cấu chấp hành. Nói chung, robot song song có u điểm độ
cứng vững cao hơn, khả năng tải lớn hơn và quán tính thấp hơn so với cơ cấu
nối tiếp, nhng không gian làm việc nhỏ hơn và cơ cấu phức tạp hơn.
.3.3 Phân loại theo hệ thống truyền động.
Có ba hệ thống truyền động phổ biến là điện, thuỷ lực, khí nén đợc dùng
cho robot. Hầu hết các cơ cấu chấp hành đều sử dụng động cơ bớc hoặc động
cơ trợ động dc, do chúng sạch và tơng đối dễ điều khiển. Tuy nhiên khi cần tốc
độ cao và khả năng mang tải cao thờng dùng truyền động thuỷ lực hoặc khí
nén. Nhợc điểm chính của truyền động thuỷ lực chính là khả năng rò rỉ dầu.
Ngoài ra truyền động khí nén có tính linh hoạt khá cao. Mặc dù truyền động
khí nén sạch và nhanh nhng khó điều khiển do không khí là lu chất nén đợc.
Trong cơ cấu nối tiếp, nói chung một bộ tác động đợc dùng để điều
khiển chuyển động từng khớp. Nếu từng khâu chuyển động đợc truyền động
bằng một bộ tác động lắp trên khâu trớc đó thông qua hộp giảm tốc, sự dịch
chuyển của khâu này về mặt động học là độc lập với khâu khác, đây là cơ cấu

chấp hành nối tiếp quy ớc. Mặt khác, nếu mỗi khớp đợc truyền động trực tiếp
bằng một bộ tác động không có hộp giảm tốc, cơ cấu đó đợc gọi là cơ cấu
chấp hành truyền động trực tiếp.
Việc dùng hộp giảm tốc cho phép sử dụng động cơ nhỏ hơn, do đó làm
giảm quán tính của cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên, độ lệch hoặc lắc của các cơ
cấu bánh răng trong hộp giảm tốc có thể gây ra sai số vị trí ở bộ phận tác động.
Kỹ thuật truyền động trực tiếp khắc phục đợc vấn đề về bánh răng và có thể
25