GIÁO TRÌNH RÔ BỐT CÔNG NGHIỆP

Robot Công nghiệp
1


Chơng I

Giới thiệu chung về robot công nghiệp


1.1. Sơ lợt quá trình phát triển của robot công nghiệp (IR : Industrial Robot) :

Thuật ngữ Robot xuất phát từ tiếng Sec (Czech) Robota có nghĩa là công việc tạp
dịch trong vở kịch Rossums Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921. Trong vở kịch
nầy, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con ngời để
phục vụ con ngời. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ
cấu, máy móc bắt chớc các hoạt động cơ bắp của con ngời.
Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng
cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là Ngời máy công nghiệp (Industrial Robot).
Ngày nay ngời ta đặt tên ngời máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những loại thiết
bị có dáng dấp và một vài chức năng nh tay ngời đợc điều khiển tự động để thực hiện một số
thao tác sản xuất.
Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ
thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều
khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool).
Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trong chiến
tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ. Ngời thao tác đợc tách biệt
khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tờng có một hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy
đợc công việc bên trong. Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của ngời thao tác;
nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ). Cả hai, tay cầm và bộ
kẹp, đợc nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hớng tuỳ ý của tay
cầm và bộ kẹp. Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm.

Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầu
gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay. Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết
giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều
khiển số.
Dới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của ngời máy công
nghiệp. Một trong những robot công nghiệp đầu tiên đợc chế tạo là robot Versatran của công
ty AMF, Mỹ. Cũng vào khoảng thời gian nầy ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate -1900 đ
ợc
dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô.
Tiếp theo Mỹ, các nớc khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp : Anh -1967, Thuỵ
Điển và Nhật -1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức -1971; Pháp - 1972; ở ý - 1973. . .
Tính năng làm việc của robot ngày càng đợc nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và
xử lý. Năm 1967 ở trờng Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động
theo mô hình mắt-tay, có khả năng nhận biết và định hớng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ
các cảm biến. Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đa ra loại robot đợc điều khiển bằng máy vi
tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool : Công cụ của tơng lai). Robot nầy có thể nâng đợc
vật có khối lợng đến 40 KG.
Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ
xa với mức độ tri thức ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chơng trình số
cũng nh kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khôn
nhân tạo, hệ chuyên gia
Trong những năm sau nầy, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng
phát triển. Các robot đợc trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trờng
TS. Phạm Đăng Phớc
Robot Công nghiệp
2
chung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện tử đã tạo ra các
thế hệ robot với nhiều tính năng đăc biệt, Số lợng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày
càng giảm. Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất
hiện đại.

Một vài số liệu về số lợng robot đợc sản xuất ở một vài nớc công nghiệp phát triển
nh sau :
(Bảng I.1)
Nớc SX Năm 1990 Năm 1994 Năm 1998
(Dự tính)
Nhật 60.118 29.756 67.000
Mỹ 4.327 7.634 11.100
Đức 5.845 5.125 8.600
ý
2.500 2.408 4.000
Pháp
1.488 1.197 2.000
Anh 510 1.086 1.500
Hàn quốc 1.000 1.200

Mỹ là nớc đầu tiên phát minh ra robot, nhng nớc phát triển cao nhất trong lĩnh vực
nghiên cứu chế tạo và sử dụng robot lại là Nhật.
1.2. ứng dụng robot công nghiệp trong sản xuất :

Từ khi mới ra đời robot công nghiệp đợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực dới góc độ
thay thế sức ngời. Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất đợc tổ chức lại, năng suất và hiệu quả
sản xuất tăng lên rõ rệt.

Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyền
công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lợng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng
thời cải thiện điều kiện lao động. Đạt đợc các mục tiêu trên là nhờ vào những khả năng to lớn
của robot nh : làm việc không biết mệt mỏi, rất dễ dàng chuyển nghề một cách thành thạo,
chịu đợc phóng xạ và các môi trờng làm việc độc hại, nhiệt độ cao, cảm thấy đợc cả từ
trờng và nghe đợc cả siêu âm Robot đợc dùng thay thế con ngời trong các trờng hợp
trên hoặc thực hiện các công việc tuy không nặng nhọc nhng đơn điệu, dễ gây mệt mõi, nhầm

lẫn.

Trong ngành cơ khí, robot đợc sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ hàn, cắt
kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm . . .

Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC với
Robot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức tự động hoá cao, mức độ linh hoạt cao . . . ở
đây các máy và robot đợc điều khiển bằng cùng một hệ thống chơng trình.

Ngoài các phân xởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng đợc sử dụng trong việc khai thác
thềm lục địa và đại dơng, trong y học, sử dụng trong quốc phòng, trong chinh phục vũ trụ,
trong công nghiệp nguyên tử, trong các lĩnh vực xã hội . . .
Rõ ràng là khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện vợt hơn khả năng của
con ngời; do đó nó là phơng tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng cao năng suất lao động,
giảm nhẹ cho con ngời những công việc nặng nhọc và độc hại. Nhợc điểm lớn nhất của
robot là cha linh hoạt nh
con ngời, trong dây chuyền tự động, nếu có một robot bị hỏng có
thể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền, cho nên robot vẫn luôn hoạt động dới sự giám
sát của con ngời.

TS. Phạm Đăng Phớc
Robot Công nghiệp
3
1.3. Các khái niệm và định nghĩa về robot công nghiệp :
1.3.1. Định nghĩa robot công nghiệp :
Hiện nay có nhiều định nghĩa về Robot, có thể điểm qua một số định nghĩa nh sau :
Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp) :
Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các
chơng trình, tổng hợp các chơng trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị, định
hớng, di chuyển các đối tợng vật chất : chi tiết, dao cụ, gá lắp . . . theo những hành trình

thay đổi đã chơng trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.
Định nghĩa theo RIA (Robot institute of America) :
Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chơng trình đợc thiết kế để di
chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chơng trình
chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau.
Định nghĩa theo

OCT 25686-85 (Nga) :
Robot công nghiệp là một máy tự động, đợc đặt cố định hoặc di động đợc, liên kết
giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chơng trình, có thể lập trình lại để hoàn
thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.

Có thể nói Robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc
toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con ngời trong nhiều khả năng thích
nghi khác nhau.
Robot công nghiệp có khả năng chơng trình hoá linh hoạt trên nhiều trục chuyển
động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng. Robot công nghiệp đợc trang bị những bàn tay
máy hoặc các cơ cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định trong các quá trình công
nghệ : hoặc trực tiếp tham gia thực hiện các nguyên công (sơn, hàn, phun phủ, rót kim loại
vào khuôn đúc, lắp ráp máy . . .) hoặc phục vụ các quá trình công nghệ (tháo lắp chi tiết gia
công, dao cụ, đồ gá . . .) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối tợng
với các trạm công nghệ, trong một hệ thống máy tự động linh hoạt, đợc gọi là Hệ thống tự
động linh hoạt robot hoá cho phép thích ứng nhanh và thao tác đơn giản khi nhiệm vụ sản
xuất thay đổi.

1.3.2. Bậc tự do của robot (DOF : Degrees Of Freedom) :
Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh
tiến). Để dịch chuyển đợc một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt
đợc một số bậc tự do. Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do đó bậc tự do của nó có
thể tính theo công thức :

w = 6n -
(1.1) ip
i
i =

1
5
ở đây : n - Số khâu động;
p
i
- Số khớp loại i (i = 1,2,. . .,5 : Số bậc tự do bị hạn chế).
Đối với các cơ cấu có các khâu đợc nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến (khớp
động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động . Đối với cơ cấu hở, số bậc tự do bằng tổng
số bậc tự do của các khớp động.
Để định vị và định hớng khâu chấp hành cuối một cách tuỳ ý trong không gian 3
chiều robot cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để định hớng.
Một số công việc đơn giản nâng hạ, sắp xếp có thể yêu cầu số bậc tự do ít hơn. Các robot
hàn, sơn thờng yêu cầu 6 bậc tự do. Trong một số trờng hợp cần sự khéo léo, linh hoạt
hoặc khi cần phải tối u hoá quỹ đạo, ngời ta dùng robot với số bậc tự do lớn hơn 6.

1.3.3. Hệ toạ độ (Coordinate frames) :
Mỗi robot thờng bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các khớp (joints),
tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên. Hệ toạ độ gắn với
TS. Phạm Đăng Phớc
Robot Công nghiệp
4
khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn). Các hệ toạ độ trung gian khác gắn
với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng. Trong từng thời điểm hoạt động, các toạ độ suy
rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc cuả các
khớp tịnh tiến hoặc khớp quay (hình 1.1). Các toạ độ suy rộng còn đợc gọi là biến khớp.

d
2

1

3

4

5
n
a
o
z
y
O
0
O
n
x

Hình 1.1 : Các toạ độ suy rộng của robot.

Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot phải
tuân theo qui tắc bàn tay phải : Dùng tay phải, nắm hai
ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xoè 3 ngón : cái,
trỏ và giữa theo 3 phơng vuông góc nhau, nếu chọn
ngón cái là phơng và chiều của trục z, thì ngón trỏ chỉ
phơng, chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị
phơng, chiều của trục y (hình 1.2).
x
y
O
z
Trong robot ta thờng dùng chữ O và chỉ số n
để chỉ hệ toạ độ gắn trên khâu thứ n. Nh vậy hệ toạ độ
cơ bản (Hệ toạ độ gắn với khâu cố định) sẽ đợc ký
hiệu là O
0
; hệ toạ độ gắn trên các khâu trung gian
tơng ứng sẽ là O
1
, O
2
, , O
n-1
, Hệ toạ độ gắn trên khâu
chấp hành cuối ký hiệu là O
n
.

H
ình 1.2 : Qui tắc bàn tay phải

1.3.4. Trờng công tác của robot (Workspace or Range of motion):
Trờng công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của robot là toàn bộ thể tích
đợc quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Trờng
công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng nh các ràng buộc cơ học của
các khớp; ví dụ, một khớp quay có chuyển động nhỏ hơn một góc 360
0
. Ngời ta thờng dùng
hai hình chiếu để mô tả trờng công tác của một robot (hình 1.3).

R

H












Hình chiếu đứn
g
Hình chiếu bằn

g

Hình 1.3 : Biểu diễn trờng công tác của robot.
TS. Phạm Đăng Phớc
Robot Công nghiệp
5
1.4. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp :

1.4.1. Các thành phần chính của robot công nghiệp :
Một robot công nghiệp thờng bao gồm các thành phần chính nh : cánh tay robot,
nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điều khiển , thiết bị
dạy học, máy tính các phần mềm lập trình cũng nên đợc coi là một thành phần của hệ
thống robot. Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot nh hình 1.4.


Các cảm
biến
Cánh tay
robot
Dụng cụ
thao tác
Bộ điều
khiển và
máy tính
Nguồn
động lực
Thiết bị
dạy học
Các chơn
g

trình















Hình 1.4 : Các thành phần chính của hệ thống robot.

Cánh tay robot (tay máy) là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bằng các
khớp động để có thể tạo nên những chuyển động cơ bản của robot.
Nguồn động lực là các động cơ điện (một chiều hoặc động cơ bớc), các hệ thống xy
lanh khí nén, thuỷ lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động.
Dụng cụ thao tác đợc gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ của robot có thể có nhiều
kiểu khác nhau nh : dạng bàn tay để nắm bắt đối tợng hoặc các công cụ làm việc nh mỏ
hàn, đá mài, đầu phun sơn
Thiết bị dạy-hoc (Teach-Pendant) dùng để dạy cho robot các thao tác cần thiết theo
yêu cầu của quá trình làm việc, sau đó robot tự lặp lại các động tác đã đợc dạy để làm việc
(phơng pháp lập trình kiểu dạy học).
Các phần mềm để lập trình và các chơng trình điều khiển robot đợc cài đặt trên máy

tính, dùng điều khiển robot thông qua bộ điều khiển (Controller). Bộ điều khiển còn đợc gọi
là Mođun điều khiển (hay Unit, Driver), nó thờng đợc kết nối với máy tính. Một mođun
điều khiển có thể còn có các cổng Vào - Ra (I/O port) để làm việc với nhiều thiết bị khác nhau
nh các cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái của bản thân, xác định vị trí của đối tợng
làm việc hoặc các dò tìm khác; điều khiển các băng tải hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt động phối
hợp với robot

1.4.2. Kết cấu của tay máy :
Nh đã nói trên, tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc
của robot. Các kết cấu của nhiều tay máy đợc phỏng theo cấu tạo và chức năng của tay
ngời; tuy nhiên ngày nay, tay máy đợc thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay robot có hình
dáng rất khác xa cánh tay ngời. Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta cần quan tâm
đến các thông số hình - động học, là những thông số liên quan đến khả năng làm việc của
robot nh
: tầm với (hay trờng công tác), số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt của
robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp . . .
TS. Phạm Đăng Phớc
Robot Công nghiệp
6
Các khâu của robot thờng thực hiện hai chuyển động cơ bản :
Chuyển động tịnh tiến theo hớng x,y,z trong không gian Descarde, thông thờng
tạo nên các hình khối, các chuyển động nầy thờng ký hiệu là T (Translation) hoặc
P (Prismatic).
Chuyển động quay quanh các trục x,y,z ký hiệu là R (Roatation).
Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có các kết
cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thờng gặp của là Robot là robot
kiểu toạ độ Đề các, toạ độ trụ, toạ độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ toạ độ góc (phỏng sinh)

Robot kiểu toạ độ Đề các : là tay
máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến

theo phơng của các trục hệ toạ độ gốc
(cấu hình T.T.T). Trờng công tác có dạng
khối chữ nhật. Do kết cấu đơn giản, loại
tay máy nầy có độ cứng vững cao, độ
chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó
thuờng dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp
ráp, hàn trong mặt phẳng
T.T.T

H
ình 1.5 : Robot kiểu toạ độ Đề các


R.T.T
H
ình 1.6 : Robot kiểu toạ độ trụ

Robot kiểu toạ độ trụ : Vùng làm
việc của robot có dạng hình trụ rỗng.
Thờng khớp thứ nhất chuyển động quay.
Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.T.T
nh hình vẽ 1.6. Có nhiều robot kiểu toạ
độ trụ nh : robot Versatran của hãng
AMF (Hoa Kỳ).



Robot kiểu toạ độ cầu : Vùng làm việc của robot có dạng hình cầu. thờng độ cứng
vững của loại robot nầy thấp hơn so với hai loại trên. Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.R.R
hoặc R.R.T làm việc theo kiểu toạ độ cầu (hình 1.7).

R
.
R
.R
R
.
R
.
T









H
ình 1.7 : Robot kiểu toạ độ cầu


Robot kiểu toạ độ góc (Hệ toạ độ phỏng sinh) : Đây là kiểu robot đợc dùng nhiều
hơn cả. Ba chuyển động đầu tiên là các chuyển động quay, trục quay thứ nhất vuông góc với
hai trục kia. Các chuyển động định hớng khác cũng là các chuyển động quay. Vùng làm việc
của tay máy nầy gần giống một phần khối cầu. Tất cả các khâu đều nằm trong mặt phẳng
thẳng đứng nên các tính toán cơ bản là bài toán phẳng. u điểm nổi bật của các loại robot hoạt
TS. Phạm Đăng Phớc
Robot Công nghiệp

7
động theo hệ toạ độ góc là gọn nhẹ, tức là có vùng làm việc tơng đối lớn so với kích cở của
bản thân robot, độ linh hoạt cao.
Các robot hoạt động theo hệ toạ độ góc nh : Robot PUMA của hãng Unimation -
Nokia (Hoa Kỳ - Phần Lan), IRb-6, IRb-60 (Thuỵ Điển), Toshiba, Mitsubishi, Mazak (Nhật
Bản) .V.V
Ví dụ một robot hoạt động theo hệ toạ độ góc (Hệ toạ độ phỏng sinh), có cấu hình
RRR.RRR :









Hình 1.8 : Robot hoạt động theo hệ toạ độ góc.

Robot kiểu SCARA : Robot SCARA ra
đời vào năm 1979 tại trờng đại học
Yamanashi (Nhật Bản) là một kiểu robot mới
nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá trình sản
xuất. Tên gọi SCARA là viết tắt của "Selective
Compliant Articulated Robot Arm" : Tay máy
mềm dẽo tuỳ ý. Loại robot nầy thờng dùng
trong công việc lắp ráp nên SCARA đôi khi
đợc giải thích là từ viết tắt của "Selective
Compliance Assembly Robot Arm". Ba khớp
đầu tiên của kiểu Robot nầy có cấu hình R.R.T,

các trục khớp đều theo phơng thẳng đứng. Sơ
đồ của robot SCARA nh hình 1.9.
H
ình 1.9 : Robot kiểu SCARA

1.5. Phân loại Robot công nghiệp :

Robot công nghiệp rất phong phú đa dạng, có thể đợc phân loại theo các cách sau :

1.4.1. Phân loại theo kết cấu :
Theo kết cấu của tay máy ngời ta phân thành robot kiểu toạ độ Đề các, Kiểu toạ độ
trụ, kiểu toạ độ cầu, kiểu toạ độ góc, robot kiểu SCARA nh đã trình bày ở trên.

1.4.2. Phân loại theo hệ thống truyền động :
Có các dạng truyền động phổ biến là :
Hệ truyền động điện : Thờng dùng các động cơ điện 1 chiều (DC : Direct Current)
hoặc các động cơ bớc (step motor). Loại truyền động nầy dễ điều khiển, kết cấu gọn.
Hệ truyền động thuỷ lực : có thể đạt đợc công suất cao, đáp ứng những điều kiện làm
việc nặng. Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thờng có kết cấu cồng kềnh, tồn tại độ phi tuyến lớn
khó xử lý khi điều khiển.
Hệ truyền động khí nén : có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngợc nhng lại
phải gắn liền với trung tâm taọ ra khí nén. Hệ nầy làm việc với công suất trung bình và nhỏ,
kém chính xác, thờng chỉ thích hợp với các robot hoạt động theo chơng trình định sẳn với
các thao tác đơn giản nhấc lên - đặt xuống (Pick and Place or PTP : Point To Point).

TS. Phạm Đăng Phớc
Robot Công nghiệp
8
1.4.3. Phân loại theo ứng dụng :
Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có Robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp,

robot chuyển phôi .v.v
1.4.4. Phân loại theo cách thức và đặc trng của phơng pháp điều khiển :
Có robot điều khiển hở (mạch điều khiển không có các quan hệ phản hồi), Robot điều
khiển kín (hay điều khiển servo) : sử dụng cảm biến, mạch phản hồi để tăng độ chính xác và
mức độ linh hoạt khi điều khiển.
Ngoài ra còn có thể có các cách phân loại khác tuỳ theo quan điểm và mục đích nghiên
cứu





TS. Phạm Đăng Phớc
Chơng hai
Cơ sở hóa sinh và di truyền học
của công nghệ sinh học vi sinh vật
I. Phân loại các sản phẩm
Các chất đợc sản xuất bằng con đờng lên men nhờ vi sinh vật rất đa dạng. Để tiện cho
nghiên cứu và ứng dụng thì phải tiến hành phân loại sản phẩm lên men công nghiệp dựa vào tiêu
chuẩn sinh lý sinh hóa trao đổi chất của vi sinh vật. Chính vì vậy công tác phân loại sản phẩm là
việc làm cần thiết của công nghệ vi sinh.
1. Sinh khối (vật chất tế bào)
Việc tổng hợp sinh khối tế bào là quá trình thực hiện để sản xuất protein vi sinh vật. Quá
trình này thực chất là quá trình sinh trởng của vi sinh vật.
Quá trình này đã phát triển những cơ chế điều hòa trao đổi chất đảm bảo một phần lớn đến
mức cho phép các chất dinh dỡng cung cấp sẽ đợc sử dụng vào quá trình tổng hợp các thành
phần của tế bào.
2. Sản phẩm trao đổi chất
+ Sản phẩm của quá trình lên men: Lên men là một trong những con đờng của quá trình
trao đổi năng lợng. Ngoài việc cung cấp năng lợng cho tế bào vi sinh vật, còn cung cấp các sản

phẩm có giá trị cho con ngời nh: ethanol, acid acetic, acid lactic, acid propionic, khí methane,
các cơ chất giàu hữu cơ khác
+ Các chất trao đổi bậc 1: Là nhng viên gạch cấu trúc nên vật chất của tế bào, trong số các
cao phân tử sinh học thì đây là những chất có phân tử lợng thấp: các amino acid, nucleozide,
nucleotide, đờng. Ngoài ra, các chất trao đổi bậc 1 còn là sản phẩm của quá trình trao đổi chất
trung gian nh acid hữu cơ của chu trình Tricarboxylic.
+ Các chất trao đổi bậc 2: Là những chất trao đổi có phân tử lợng thấp, không gặp trong cơ
thể vi sinh vật. Những chất này không có chức năng chung trong trao đổi chất của tế bào nh: các
chất kháng sinh, các độc tố, các chất có hoạt chất kích thích sinh trởng nh gibberellin.
+ Enzyme: Là những protein xúc tác có sự biến đổi các chất của tế bào. Mỗi tế bào vi sinh
vật có khoảng 1000 loại enzyme khác nhau với số phân tử lên đến 10
6
, gồm enzyme nội và
enzyme ngoại bào nh: amylase, proteaea, cellulase trong đó enzyme nội bào chiếm đa số.
3. Các sản phẩm của sự chuyển hóa chất
Tiền sản phẩm
Sản phẩm
tế bào vi sinh vật

Tế bào vi sinh vật thông qua hệ enzyme của mình đóng vai trò xúc tác cho các phản ứng
chuyển hóa các chất. Về mặt lý thuyết những phản ứng này có thể xảy ra nhờ những xúc tác hóa
học nào đó. Tuy nhiên các quá trình này đôi khi không thực hiện đợc ở điều kiện bình thờng,
mà chỉ thực hiện ở điều kiện đặc biệt (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm) thích hợp cho quá trình chuyển
hóa, trong trờng hợp này ngời ta chuyển sang sản xuất bằng công nghệ vi sinh vật. Ví dụ từ
ethanol chuyển đến acetic acid phải dùng chủng Acetobacter, Acetomonas để chuyển hóa.
II. Mối quan hệ giữa sinh trởng của vi sinh vật và sự tạo thành
sản phẩm
Trong điều kiện nuôi cấy tĩnh, quá trình sinh trởng của vi sinh vật trải qua 3 pha, đợc
biểu diễn bằng đồ thị (hình 1).

Giai đoạn đặc thù
Sinh trởng và tạo sản phẩm
Giai đoạn dinh dỡng
Thời gian Thời gian
Hình 1: Mối quan hệ giữa sinh trởng và tạo thành sản phẩm của vi sinh vật
Trong điều kiện nuôi cấy toàn bộ quá trình sinh trởng của vi sinh vật gắn liền với sự thay
đổi theo thời gian. Trong môi trờng, các chất dinh dỡng theo thời gian sẽ giảm, và tơng ứng
số lợng tế bào vi sinh vật sẽ tăng lên, đồng thời hoạt tính trao đổi chất của tế bào cũng thay đổi.
Lúc này các sản phẩm trao đổi chất có thể có vai trò khác nhau đối với tế bào.
Có thể tạm chia sản phẩm ra thành 2 loại sau:
+ Loại sản phẩm mà sự hình thành của nó gắn liền với sinh trởng của vi sinh vật, nh các
chất trao đổi bậc 1: Các enzyme, các sản phẩm của quá trình lên men. Sự tổng hợp loại sản phẩm
này xảy ra trong thời gian sinh trởng và còn có thể tiếp diễn sau khi sinh trởng đã kết thúc.
+ Loại sản phẩm mà sự hình thành của chúng không cần thiết cho sinh trởng của vi sinh vật,
nh các chất trao đổi bậc 2. Sự tổng hợp các chất này xảy ra sau khi sinh trởng đã kết thúc (ở
vào pha tĩnh. Giáo trình vi sinh vật đại cơng). Sự tạo thành sản phẩm trong giai đoạn này đợc
gọi là sản xuất hay giai đoạn đặc thù, hoặc giai đoạn dinh dỡng.
Tuy vậy cũng có nhiều sản phẩm mà sự hình thành của nó không nằm trong hai giai đoạn
trên, tạm gọi là dạng trung gian, ví dụ sự hình thành amino acid, mặc dù sản phẩm này đợc hình
thành ở giai đoạn dinh dỡng, nhng nó vẫn còn tiếp diễn sau khi sinh trởng đã kết thúc, vì quá

trình tổng hợp các amino acid tiếp diễn trên cơ sở của một sai hỏng về điều hòa trao đổi chất tổng
hợp. Từ đó cho thấy, trong công nghệ lên men đòi hỏi nhà sản xuất phải biết sản phẩm của mình
cần thu đợc sinh ra ở giai đoạn nào của quá trình nuôi cấy, đồng thời phải biết tìm mọi biện
pháp tối u hóa quá trình nuôi cấy để cho hiệu suất tạo sản phẩm cao nhất. Nghĩa là tìm ra điều
kiện nuôi cấy đảm bảo cho vi sinh vật đạt trạng thái sinh trởng, phát triển tối u.
Trong công nghệ lên men, đích cuối cùng cần phải đạt là: từ cơ chất ban đầu với một dung
tích nồi lên men nhỏ nhất, trong thời gian ngắn, có thể thu hoạch sản phẩm mong muốn với năng
suất cao nhất. Nh vậy mới giảm đợc giá thành. Một quy trình công nghệ nh vậy mới là hoàn
thiện.

III. Những nguyên tắc điều hòa trao đổi chất
Trong hoạt động sống của mình, vi sinh vật tạo các sản phẩm trao đổi chất và các thành phần
cấu tạo nên tế bào chỉ ở mức cần thiết cho sinh trởng, phát triển, sinh sản duy trì loài. Có nghĩa
là trong tự nhiên không có sự sinh sản d thừa các sản phẩm trao đổi chất bậc 1, 2.
1. Điều hòa hoạt tính enzyme nhờ sự kìm hãm do liên kết ngợc
Ngời ta đã nhận thấy: sản phẩm cuối cùng của quá trình sinh tổng hợp một chất có khả năng
gây ra sự ức chế quá trình tổng hợp của chính nó.
Sản phẩm cuối cùng dù đợc vi sinh vật tổng hợp nên hay thu nhận từ môi trờng ngoài, khi
ở nồng độ d thừa so với nhu cầu của cơ thể vi sinh vật sẽ ảnh hởng đến enzyme đầu tiên trong
chuỗi sinh tổng hợp.
Sơ đồ chuỗi các phản ứng sinh hóa xảy ra để tổng hợp chất (X):

A
B C X
(a)

(b)

(c)

Enzyme đầu tiên (a) là một enzyme dị lập thể, nó có đặc điểm cấu trúc hình không gian khi
có mặt sản phẩm cuối cùng nhằm giảm bớt hoạt tính xúc tác của mình. ở enzyme này, ngoài vị
trí gắn với cơ chất A (trung tâm xúc tác), nó còn có một hay nhiều vị trí gắn với sản phẩm cuối
cùng X gọi là trung tâm dị lập thể. Trung tâm xúc tác và trung tâm dị lập thể tách biệt nhau về
không gian và cấu trúc. Trạng thái hoạt động của enzyme này đợc đặc trng ở chỗ nó có khả
năng gắn với cơ chất A và nếu bên cạnh cơ chất A còn có sự hiện diện của X ở mức độ d thừa so
với nhu cầu của cơ thể vi sinh vật, thì sẽ xảy ra sự bao vây của trung tâm dị lập thể, làm cho trung
tâm xúc tác bị biến đổi cấu hình không gian đến mức khiến cho enzyme (a) không thể gắn đợc
với cơ chất A, mà chỉ gắn với X. Nh vậy enzyme (a) sẽ không có hiệu lực trong việc chuyển hóa
A thành B. Chuỗi sinh tổng hợp X sẽ bị gián đoạn. Khi đó X sẽ bị giảm số lợng. Sự điều hòa này
ở mức độ enzyme.
2. Sự cảm ứng và ức chế quá trình tổng hợp enzyme
Trong khi nuôi cấy vi sinh vật có một chất khó đồng hóa, vi sinh vật phải tiết vào môi trờng
một hoặc vài enzyme tơng ứng để phân huỷ cơ chất đó thành cơ chất có thể đồng hóa đợc.
Enzyme đợc hình thành này đợc gọi là enzyme cảm ứng. Cơ chất kích thích quá trình này đợc
gọi là chất cảm ứng.
Sự cảm ứng và ức chế quá trình tổng hợp enzyme ở vi sinh vật đã đợc Học thuyết operon
của F. Jacob và J. Monod tìm ra năm 1966.
Học thuyết operon giúp làm sáng tỏ cơ chế điều hòa chơng trình làm việc của bộ gen đối
với quá trình tổng hợp protein - enzyme.
+ Nhóm gen cấu trúc: Nhóm gen này đảm bảo việc mã hóa cấu trúc của các phân tử protein
- enzyme. Các gen này thờng xếp liền nhau. Trong trờng hợp Lac. coli, các gen cấu trúc gồm
ba gen ký hiệu là A, B và C.
- Gen A mã hóa thứ tự amino acid của -galactosidase.
- Gen B mã hóa cấu trúc của enzyme thẩm thấu galactosidepermease cần thiết cho quá trình
vận chuyển lactose vào tế bào.
- Gen C mã hóa cấu trúc của enzyme thiogalactoseacetyltransferase.
Cả ba gen cấu trúc nói trên tạo thành một đơn vị phiên mã.
+ Gen điều khiển (Operator): Là đoạn DNA nằm kề bên nhóm gen cấu trúc, ký hiệu là O.
Nhờ tác dụng gắn với chất ức chế, operator làm việc nh một công tắc phụ trách việc đóng

mở hoạt động của nhóm gen cấu trúc.
+ Gen khởi động (Promoter): Là DNA nằm kề phía trớc operator là nơi gắn enzyme RNA
polymerase, enzyme này xúc tác cho quá trình tổng hợp RNA thông tin của nhóm gen cấu trúc.
Khi chất ức chế gắn vào operator thì phân tử RNA polymerase bị cản trở, không di chuyển dọc
theo mạch khuôn DNA, dẫn đến các gen cấu trúc bị kìm chế và không tạo đợc protein cũng nh
enzyme tơng ứng. Do vị trí và chức năng nh vậy nên đợc gọi là gen Promoter (gen khởi
động).
+ Gen điều hòa (Regulator): Gen này chịu trách nhiệm mã hóa việc tổng hợp nên một
protein đặc biệt đóng vai trò chất ức chế. Thờng nó chỉ đợc tổng hợp với một lợng không
đáng kể trong tế bào (khoảng 10 - 20 phân tử/tế bào). Đặc điểm của chất ức chế là một protein
biến cấu oligomer có hai tâm đặc thù. Hai tâm này làm cho chất ức chế có khả năng hoặc gắn với
chất cảm ứng hoặc gắn với operator. Nếu chất ức chế có ái lực lớn với operator, thì thờng gắn
vào operator.
* Có thể khái quát hóa điều kiện cảm ứng nh sau:
- Trên nhiễm sắc thể của tế bào phải có những gen tơng ứng với các enzyme sẽ đợc hình
thành.
- Các nguyên liệu xây dựng phân tử enzyme: các amino acid và các hợp phần của nhóm
ngoại.
- Năng lợng cần thiết cho việc hình thành các liên kết.
- Chất cảm ứng.
Theo F. Jocob và Monod, thì dù có ba điều kiện trên mà không có chất cảm ứng thì enzyme
cảm ứng cũng không đợc tạo thành. Nh vậy để hình thành một enzyme cảm ứng phải hội tụ đủ
bốn điều kiện: gen, nguyên liệu xây dựng, năng lợng và chất cảm ứng.
3. Điều hòa tổng hợp enzyme nhờ sự kiềm chế bằng sản phẩm cuối cùng và sự phân giải
kiềm chế
Nếu chúng ta ký hiệu X là sản phẩm cuối cùng của một chuỗi sinh tổng hợp, thì thấy rằng X
có tác dụng đặc hiệu với chất ức chế (chất do gen điều hòa tổng hợp nên).
Khi môi trờng có hiện tợng d thừa X so với nhu cầu của tế bào, X sẽ gắn với chất ức chế,
làm thay đổi cấu hình không gian của chất ức chế, làm cho chất ức chế có khả năng gắn với
operator (còn gọi là hoạt hóa chất ức chế). Do vậy gọi chất X là chất đồng kìm hãm. Khi chất ức

chế gắn với operator sẽ làm ngừng trệ quá trình phiên mã, ức chế operon, dẫn đến enzyme
không tổng hợp đ
ợc, khi đó việc sản xuất X bị gián đoạn. Trong khi đó tế bào vẫn tiếp tục sử
dụng chất X, khiến cho chất này bị giảm tới mức không đủ để đáp ứng nhu cầu của tế bào. Lúc
ấy sẽ xảy ra quá trình giải phóng sự kiềm chế operon nói trên, vì do thiếu chất X, chất ức chế
lúc này sẽ thiếu mất yếu tố hoạt động hóa học, do đó không có khả năng gắn với operator, điều
này dẫn đến giải phóng operon, dẫn tới các enzyme đợc tổng hợp và việc sản xuất X sẽ đợc
tiến hành trở lại. Đó là hiện tợng giải kiềm chế.
4. Điều hòa tổng hợp enzyme nhờ sự kiềm chế dị hóa
Trong nuôi cấy vi sinh vật có nhiều nguồn cơ chất, trớc hết xảy ra việc tổng hợp các enzyme
xúc tác cho sự phân giải cơ chất dễ sử dụng nhất. Sự tổng hợp các enzyme xúc tác phân huỷ các
cơ chất khác bị ức chế bởi sự kiềm chế dị hóa. Ví dụ: Trong môi trờng nuôi cấy có hai nguồn
carbohydrate là: glucose và lactose. Trớc tiên vi sinh vật sẽ hình thành các enzyme phân giải
glucose. Sự cảm ứng để tổng hợp enzyme phân giải lactose - galactosidase bị ức chế bởi sự kiềm
chế dị hóa.
Cơ chế kiềm chế dị hóa đã đợc nghiên cứu khá chi tiết ở vi khuẩn E. coli với việc điều hòa
tổng hợp enzyme - galactosidase. Nếu trong trờng hợp carbohydrate, glucose là nguồn cơ chất
đợc sử dụng thích hợp nhất, vì vậy khi có mặt glucose thì nhiều enzyme khác của quá trình dị
hóa cũng nh trao đổi chất trung gian không đợc tổng hợp. Ngời ta gọi hiện tợng này là hiệu
ứng glucose.
+ Khi môi trờng không có glucose, có lactose:
Môi trờng không có glucose, sẽ dẫn đến tích luỹ một lợng lớn AMP
v
(adenosine
monophosphate vòng). Lúc đó AMP
v
sẽ

phản ứng với một protein nhận ký hiệu là CAP - (catabolite
activato rprotein). Ngời ta còn gọi hiện tợng này là vùng Promoter bị chất đầy. Chính sự chất

đầy này là tiền đề cho sự hoạt động của enzyme RNA polymerase, có nghĩa là sẽ thúc đẩy sự đợc hoạt
hóa nhờ sự chất đầy.
Đồng thời trong môi trờng còn có mặt lactose, lactose sẽ đóng vai trò là một cơ chất cảm
ứng, nó sẽ phản ứng với chất ức chế, làm thay đổi cấu hình không gian của chất ức chế để tạo
phức hệ ức chế - chất cảm ứng. Điều này khiến cho chất ức chế không gắn đợc với operator.
Nh vậy Lac-operon sẽ đợc giải phóng.
+ Khi môi trờng có glucose, có lactose:
Trong môi trờng nếu ngoài lactose còn đợc bổ sung glucose, thì lúc ấy hàm lợng AMP
v
sẽ bị giảm đi, hậu quả là CAP không tạo đợc phức hệ với AMP
v
, do đó không có sự chất đầy
ở Promoter. Liên đới RNA polymerase sẽ không đợc mở đầu hoạt động hoặc nếu đợc mở cũng
rất yếu. Vì vậy ngay cả khi có mặt cơ chất cảm ứng (lactose) cũng không có sự tổng hợp RNA
thông tin- có nghĩa không có sự tạo thành enzyme.
+ Khi môi trờng không có glucose và không có lactose:
Nếu trong môi trờng không có cả hai glucose và lactose, thì chất ức chế sẽ gắn vào operator
nên operon vẫn bị phong tỏa. Do đó RNA thông tin không đợc tổng hợp. Không có sự tổng hợp
protein- enzyme.
IV. Những sai hỏng di truyền của điều hòa trao đổi chất và hiện
tợng siêu tổng hợp
Những cơ chế điều hòa nói trên đã giúp cho cơ thể vi sinh vật đảm bảo đợc hoạt động sống
của mình tiến hành một cách nhịp nhàng trên cơ sở tiết kiệm nguyên liệu, năng lợng một cách
hợp lý.
Tuy nhiên, nếu mọi vi sinh vật đều có hoạt động sống bình thờng thì không có lý do gì để
quan tâm đặc biệt đến chúng. Trong hoạt động sống của vi sinh vật chúng luôn tiết ra các sản
phẩm nào đó, mà những sản phẩm này lại rất cần thiết cho con ngời. So với nhu cầu cho hoạt
động sống của vi sinh vật, những sản phẩm chúng tổng hợp đợc chắc chắn là d thừa lợng lớn.
Ngời ta nói: Những cơ thể vi sinh vật này có khả năng siêu tổng hợp một chất nào đó.
Với sự phát triển của khoa học, hiện nay con ngời đã tạo đợc rất nhiều chủng giống vi sinh

vật có khả năng siêu tổng hợp các chất. Đây là kết quả của quá trình chọn lọc nhân tạo với các
phơng pháp gây đột biến. Những chủng đột biến này có những sai hỏng di truyền rất đáng đợc
quan tâm.
1. Các chủng đột biến mất đi cơ chế điều hòa hoạt tính enzyme bằng sản phẩm cuối
cùng
Lợi dụng cơ chế điều hòa hoạt tính enzyme bằng sản phẩm cuối cùng, ngời ta dùng đột biến
làm hỏng trung tâm dị lập thể của enzyme (a), làm cho nó mất khả năng gắn với chất X nhng
bản thân enzyme (a) vẫn còn hoạt tính xúc tác đối với cơ chất A (xem sơ đồ chuỗi các phản ứng
sinh hoá trang 14). Do vậy khi có mặt chất X sản phẩm cuối cùng với số lợng d thừa so với nhu
cầu của vi sinh vật, enzyme (a) vẫn xúc tác chuyển A thành B, dẫn đến chất X - vẫn đợc tiếp tục
tổng hợp.
2. Các chủng đột biến có sự sai hỏng cơ chế điều hòa tổng hợp enzyme
Ngời ta dùng các chất gây đột biến để làm sai hỏng cơ chế điều hòa tổng hợp enzyme. Cụ
thể là đụng chạm đến gen điều hòa (Regulator) - gen chi phối tạo nên chất ức chế, dẫn đến sự sai
hỏng của chất ức chế hoặc thậm chí có thể phá huỷ quá trình tổng hợp chất ức chế. Hay có khi
đột biến đụng chạm đến gen điều khiển (Operator) làm cho gen này mất khả năng gắn với chất ức
chế. Kết quả của tác động trên là ngay cả khi một chất nào đó có nồng độ d thừa so với nhu cầu
của vi sinh vật, các enzyme cần thiết cho sự tổng hợp của chúng vẫn đợc hình thành và các chất
này vẫn đợc tiếp tục tổng hợp trong tế bào.
V. ý nghĩa của kỹ thuật di truyền
Để tìm đợc chủng vi sinh vật theo sự mong muốn, con ngời đã tìm cách tác động vào các
quy luật điều khiển quá trình trao đổi chất của vi sinh vật.
Việc tạo nên những chủng đột biến này dựa trên cơ sở của những hiểu biết về quy luật di
truyền và biến dị của vi sinh vật, dựa trên những kinh nhiệm của công tác lai tạo giống.
Những thành công của công nghệ vi sinh cho phép chúng ta chủ động tạo đợc các DNA tái
tổ hợp trong điều kiện in vitro. Càng hiểu thêm về sinh học phân tử, di truyền học và công nghệ
gen.
Có thể nói rằng ngày nay con ngời đã có thể chuyển những đoạn gen từ sinh vật này sang
sinh vật khác có sự khác biệt rất lớn về di truyền, hay nói cách khác là có thể cất bỏ hàng rào
giữa các loài do tạo hóa gây dựng nên để cản trở sự giao phối khác loài, nhằm bảo tồn tính đặc

trng của loài. Tuy nhiên đây mới chỉ là bớc đầu về công nghệ gen.
VI. Những hiểu biết về chuyển tải gen
Đây là vấn đề mới và rất phức tạp, chúng ta tìm hiểu khái quát hai vấn đề sau:
+ Những cấu trúc tham gia chuyển tải gen.
+ Quá trình thuần hóa và chuyển tải gen nhờ vi sinh vật.
1. Những cấu trúc tham gia chuyển tải gen gọi là thể mang (vector)
Các vector chuyển hóa gen phải thoả mãn những yêu cầu tối thiểu sau:
- Là các đoạn phân tử DNA có khả năng tự sao chép tích cực trong tế bào chủ, tồn tại độc
lập trong tế bào không phụ thuộc sự sao chép của bộ gen tế bào chủ.
- Có kích thớc nhỏ. Càng nhỏ càng tốt, vì vector có kích thớc càng nhỏ thì càng dễ xâm
nhập vào tế bào vi khuẩn khác và càng đợc sao chép nhanh, có hiệu quả.
- Có trình tự nhận biết duy nhất của các enzyme giới hạn (RE).
- Có khả năng chứa mẫu DNA ngoại lai.
- Có gen đánh dấu, tức là có khả năng biểu hiện ra bên ngoài để dễ nhận biết. Gen đánh dấu
đợc gọi là Marker, ngời nghiên cứu nhận biết và dễ dàng tách tế bào có chứa gen cần chuyển
tải ra khỏi quần thể vi khuẩn.
Ví dụ: Ngời ta thờng dùng gen chi phối tính trạng đề kháng với chất kháng sinh làm gen
đánh dấu. Trong môi trờng có chứa kháng sinh, thì chỉ những vi khuẩn có mang gen kháng
kháng sinh mới sống sót.
Trong số các cấu trúc đợc sử dụng tham gia chuyển tải gen có thể kể đến plasmid, phage,
cosmid, YAC , mà phổ biến nhất là plasmid và phage.
+ Plasmid: ở tế bào Prokaryote, cụ thể là vi khuẩn, qua kính hiển vi điện tử có thể quan sát
đợc chất nhân là phân tử DNA nguyên vẹn có dạng vòng tròn hình chiếc nhẫn. Đó là nhiễm sắc
thể - nơi chứa nguyên liệu di truyền của tế bào. Cùng với nhiễm sắc thể còn có cấu trúc hình nhẫn
nhỏ hơn ngời ta gọi là plasmid. Đem tách plasmid dới dạng tinh khiết để tìm hiểu cấu trúc và
tính chất của nó, thì thấy plasmid có cấu tạo từ DNA có khả năng tự nhân đôi một cách độc lập
và tồn tại một cách độc lập với bộ gen của vi khuẩn. Vì vậy ngời ta coi plasmid là phần tử di
truyền nằm ngoài bộ máy di truyền của vi khuẩn.
ở nhóm Eukaryote, ngời ta mới phát hiện ra đợc plasmid ở nấm men.
Ngời ta thấy plasmid có hàng loạt đặc điểm riêng là:

- Plasmid tham gia vào cơ chế tái tổ hợp gen nội bào.
- Plasmid có khả năng di chuyển từ một vi khuẩn này sang vi khuẩn khác.
- Plasmid có khả năng vận chuyển gen.
- Plasmid có khả năng sinh sản cực nhanh và có hoạt tính mạnh.
+ Bacteriophage (Phage hay thực khuẩn thể):
- Phage có kích thớc cực kỳ nhỏ qua đợc màng lọc vi khuẩn.
- Phage thể hiện tính độc đối với vi khuẩn qua chu trình sinh sản gây độc của phage, có khả
năng xâm nhập vào tế bào vi khuẩn, đình chỉ quá trình trao đổi chất của vi khuẩn và lấy nguyên
liệu từ vi khuẩn để xây dựng nên các thành phần của nó kể cả nguyên liệu di truyền. Do vậy hình
thành những đoạn DNA tái tổ hợp, bao gồm các đoạn gen của phage và của vi khuẩn.
Qua thực nghiệm cho thấy, việc sử dụng phage làm thể mang có nhiều u điểm hơn so với
plasmid, vì phage có những đặc điểm giúp sự xâm nhập vào tế bào vi khuẩn hiệu quả hơn nhiều
so với sự chuyển plasmid vào vi khuẩn.
Hơn nữa ở phage, kích thớc của đoạn DNA nó có thể tiếp nhận lớn hơn nhiều so với sự tiếp
nhận của plasmid.
2. Quá trình thuần hóa và chuyển tải gen nhờ vi sinh vật
Thuần hóa gen là quá trình bắt gen phải làm việc theo ý muốn của con ngời. Quá trình này
rất phức tạp, đòi hỏi có những hiểu biết sâu sắc về đặc tính của gen và kỹ thuật phân tử.
Trong kỹ thuật phân tử, thì vai trò của enzyme là quan trọng nhất. Enzyme ở đây gồm nhiều
loại: nuclease, ligase, polymerase (DNA polymerase và RNA polymerase).
2.1. Các enzyme phân cắt DNA (RNA) đợc gọi là nuclease. Các nuclease gồm hai nhóm:
endonuclease và exonuclease.
- Endonuclease là những enzyme cắt DNA ở giữa phân tử, còn exonuclease cắt từ hai đầu
mút của phân tử DNA. Trong nhóm endonuclease có các enzyme giới hạn (RE - restriction
enzyme), những enzyme này đợc các nhà khoa học đặc biệt quan tâm vì nó có đặc tính rất quý,
có tính đặc hiệu rất cao, nó chỉ cắt DNA mạch kép ở những chỗ nhất định chứ không linh động.
Những điểm nhận biết của enzyme này thờng có trình tự 4 - 6 cặp nucleotide đối xứng đảo
ngợc nhau đợc gọi là palindrome. Mỗi RE có trình tự nhận biết đặc trng.
- Hiện nay ngời ta đã phát hiện đợc 500 loại RE, trong số đó có hơn 100 loại RE đã đợc
bán trên thị trờng. Mới chỉ phát hiện RE ở các nhóm sinh vật nhân sơ Prokaryote, còn ở nhóm

nhân thật cha phát hiện thấy.
Do đặc tính cơ bản của các RE là có khả năng nhận biết và cắt ở một trình tự xác định trên
phân tử DNA, mà ngời ta chia RE ra thành các loại sau:
Loại I: Khi enzyme nhận biết đợc trình tự, nó sẽ di chuyển trên phân tử DNA đến cách đó
khoảng 1000 - 5000 nucleotide và cắt.
Loại II: Enzyme nhận biết đợc trình tự và cắt ngay tại vị trí đó.
Loại III: Enzyme nhận biết một trình tự và cắt DNA ở vị trí cách đó khoảng 20 nucleotide.
Trong số 3 loại RE trên, thì loại II đợc quan tâm và sử dụng nhiều trong lĩnh vực phân tử.
2.2. Các enzyme gắn
Trong nhóm này ngời ta sử dụng phổ biến các enzyme xúc tác sự hình thành liên kết nối 2
đoạn DNA (DNA ligase) hay RNA (RNA ligase).
+ Trong các ligase thờng sử dụng phải kể đến:
- E. coli DNA ligase: Enzyme đợc trích ly từ trực khuẩn E. coli và xúc tác phản ứng nối hai
trình tự DNA có đầu so le.
- T
4
DNA ligase: Có nguồn gốc từ phage T
4
xâm nhiễm E. coli, enzyme này có cùng chức
năng với ligase trích từ E. coli nói trên, nhng đặc biệt còn có khả năng nối hai trình tự DNA đầu
bằng, nên ligase đợc chuộng nhất trong kỹ thuật tạo chủng.
- T
4
RNA ligase: Enzyme đợc trích ly từ phage T
4
xâm nhiễm E. coli, xúc tác quá trình nối
hai trình tự RNA bằng liên kết phosphodiester.
+ Quá trình thuần hóa và chuyển gen có thể chia thành 3 bớc sau:
- Thu nhận gen cần chuyển: Có thể thu nhận gen trực tiếp từ bộ gen bằng cách lắc cơ học hay
cắt bằng RE, hoặc tổng hợp hóa học theo trình tự nucleotide đã biết của gen hoặc sinh tổng hợp

gen từ RNA
m
của nó nhờ enzyme phiên mã ngợc reverse.
- Tạo vector tái tổ hợp: Sau khi đã có ở dạng thuần khiết ngời ta gắn nó vào các vector tái tổ
hợp. Trớc tiên ngời ta cắt vector và gen bằng cùng một loại RE tại những trình tự nhận biết của
nó. Nh vậy ở hai đầu đoạn gen cần chuyển và hai đầu vector bị cắt có những đầu dính (trình tự
DNA mạch đơn bổ sung nhau), trộn lẫn DNA cần chuyển và vector các đầu dính sẽ bắt cặp với
nhau. Dùng ligase để hàn dính lại, ngời ta có vector tái tổ hợp.
- Chuyển vector vào tế bào nhận, làm clone hóa các gen (tức là nhân bản gen) vừa tạo nên
trong tế bào nhận, chọn ra dòng tế bào chứa gen mong muốn. Bớc tiếp theo của quá trình
chuyển tải gen là chuyển các vector tái tổ hợp đã tạo thành trong điều kiện in vitro vào tế bào
nhận thích hợp. Đối với vector là plasmid, đây là quá trình biến nạp, đợc hỗ trợ bằng nhiều cách
khác nhau. Đối với vector là phage, nó có khả năng tự động thực hiện tải nạp với hiệu suất cao
hơn nhiều. Tuỳ đối tợng nhận gen và yêu cầu cụ thể mà ngời ta lựa chọn áp dụng phơng pháp
nào hiệu quả nhất:
ở vi khuẩn E. coli, xử lý tế bào bằng CaCl
2
ở nhiệt độ thấp để làm cho màng tế bào trở nên
dễ tiếp nhận plasmid. ở một số vi khuẩn khác và nấm men phải xử lý để tạo dạng tế bào trần
(protoplast) biến nạp mới thực hiện đợc.
Robot công nghiệp
27

Chơng III

phơng trình động học của robot
(Kinematic Equations)


3.1. Dẫn nhập :

Bất kỳ một robot nào cũng có thể coi là một tập hợp các khâu (links) gắn liền với các
khớp (joints). Ta hãy đặt trên mỗi khâu của robot một hệ toạ độ. Sử dụng các phép biến đổi
thuần nhất có thể mô tả vị trí tơng đối và hớng giữa các hệ toạ độ nầy. Denavit. J. đã gọi
biến đổi thuần nhất mô tả quan hệ giữa một khâu và một khâu kế tiếp là một ma trận A. Nói
đơn giản hơn, một ma trận A là một mô tả biến đổi thuần nhất bởi phép quay và phép tịnh tiến
tơng đối giữa hệ toạ độ của hai khâu liền nhau. A
1
mô tả vị trí và hớng của khâu đầu tiên; A
2

mô tả vị trí và hớng của khâu thứ hai so với khâu thứ nhất. Nh vậy vị trí và hớng của khâu
thứ hai so với hệ toạ độ gốc đợc biểu diễn bởi ma trận :

T
2
= A
1
.A
2


Cũng nh vậy, A
3
mô tả khâu thứ ba so với khâu thứ hai và :

T
3
= A
1

.A
2
.A
3
; v.v

Cũng theo Denavit, tích của các ma trận A đợc gọi là ma trận T, thờng có hai chỉ số:
trên và dới. Chỉ số trên chỉ hệ toạ độ tham chiếu tới, bỏ qua chỉ số trên nếu chỉ số đó bằng 0.
Chỉ số dới thờng dùng để chỉ khâu chấp hành cuối. Nếu một robot có 6 khâu ta có :

T
6
= A
1
.A
2
.A
3
.A
4
.A
5
.A
6
(3.1)

T
6
mô tả mối quan hệ về hớng và vị trí của khâu chấp hành cuối đối với hệ toạ độ gốc.
Một robot 6 khâu có thể có 6 bậc tự do và có thể đợc định vị trí và định hớng trong trờng

vận động của nó (range of motion). Ba bậc tự do xác định vị trí thuần tuý và ba bậc tự do khác
xác định hớng mong muốn. T
6
sẽ là ma trận trình bày cả hớng và vị trí của robot. Hình 3.1
mô tả quan hệ đó với bàn tay máy. Ta đặt gốc toạ độ của hệ mô tả tại điểm giữa của các ngón
tay. Gốc toạ độ nầy đợc mô tả bởi vectơ p (xác định vị trí của bàn tay). Ba vectơ đơn vị mô tả
hớng của bàn tay đợc xác định nh sau :

n
p
a
o











Hình 3.1 : Các vectơ định vị trí và định hớng của bàn tay máy
TS. Phạm Đăng Phớc
Robot công nghiệp
28
Vectơ có hớng mà theo đó bàn tay sẽ tiếp cận đến đối tợng, gọi là vectơ a
(approach).
Vectơ có hớng mà theo đó các ngón tay của bàn tay nắm vào nhau khi cầm nắm

đối tợng, gọi là vectơ o (Occupation).
Vectơ cuối cùng là vectơ pháp tuyến n (normal), do vậy ta có :


a
x o= n
r
r
r


Chuyển vị T
6
nh vậy sẽ bao gồm các phần tử :

n
x
O
x
a
x
p
x

T
6
= n
y
O
y

a
y
p
y
(3.2)
n
z
O
z
a
z
p
z

0 0 0 1

Tổng quát, ma trận T
6
có thể biểu diễn gọn hơn nh sau :

Ma trận định hớng R Vectơ vị trí p (3.3)
T
6
=
0 0 0 1

Ma trận R có kích thớc 3x3, là ma trận trực giao biểu diễn hớng của bàn kẹp (khâu
chấp hành cuối) đối với hệ toạ độ cơ bản. Việc xác định hớng của khâu chấp hành cuối còn
có thể thực hiện theo phép quay Euler hay phép quay Roll, Pitch, Yaw.

Vectơ điểm
p
r
có kích thớc 3x1, biểu diễn mối quan hệ tọa độ vị trí của của gốc hệ
tọa độ gắn trên khâu chấp hành cuối đối với hệ toạ độ cơ bản.

3.2. Bộ thông số Denavit-Hartenberg (DH) :

Một robot nhiều khâu cấu thành từ các khâu nối tiếp nhau thông qua các khớp động.
Gốc chuẩn (Base) của một robot là khâu số 0 và không tính vào số các khâu. Khâu 1 nối với
khâu chuẩn bởi khớp 1 và không có khớp ở đầu mút của khâu cuối cùng. Bất kỳ khâu nào
cũng đợc đặc trng bởi hai kích thớc :
Độ dài pháp tuyến chung : a
n
.
Góc giữa các trục trong mặt phẳng vuông góc với a
n
:
n
.

a
Khớp n
Khớp n+1

n
Khâu n
Hình 3.5 : Chiều dài và góc xoắn của 1 khâu.
Thông thờng, ngời ta gọi a
n
là chiều dài và
n
là góc xoắn của khâu (Hình 3.5). Phổ
biến là hai khâu liên kết với nhau ở chính trục của khớp (Hình 3.6).
TS. Phạm Đăng Phớc
Robot công nghiệp
29


n+1
Khâu n+1
Khớp n-1
Khớp n+1Khớp n
x
n
a
n
z
n

O
n
Khâu n
Khâu n-1
d
n
z
n-1
x
n-1

n

n

n

n-1








Khâu n-2

Hình 3.6 : Các thông số của khâu :

, d, a và

.

Mỗi trục sẽ có hai pháp tuyến với nó, mỗi pháp tuyến dùng cho mỗi khâu (trớc và sau
một khớp). Vị trí tơng đối của hai khâu liên kết nh thế đợc xác định bởi d
n
là khoảng cách
giữa các pháp tuyến đo dọc theo trục khớp n và
n
là góc giữa các pháp tuyến đo trong mặt
phẳng vuông góc với trục.
d
n
và
n
thờng đợc gọi là khoảng cách và góc giữa các khâu.
Để mô tả mối quan hệ giữa các khâu ta gắn vào mỗi khâu một hệ toạ độ. Nguyên
tắc chung để gắn hệ tọa độ lên các khâu nh sau :
+ Gốc của hệ toạ độ gắn lên khâu thứ n đặt tại giao điểm của pháp tuyến a
n
với trục

khớp thứ n+1. Trờng hợp hai trục khớp cắt nhau, gốc toạ độ sẽ đặt tại chính điểm cắt đó. Nếu
các trục khớp song song với nhau, gốc toạ độ đợc chọn trên trục khớp của khâu kế tiếp, tại
điểm thích hợp.
+ Trục z của hệ toạ độ gắn lên khâu thứ n đặt dọc theo trục khớp thứ n+1.
+ Trục x thờng đợc đặt dọc theo pháp tuyến chung và hớng từ khớp n đến n+1.
Trong trờng hợp các trục khớp cắt nhau thì trục x chọn theo tích vectơ
.
1-nn
zx z
rr
Trờng hợp khớp quay thì
n
là các biến khớp, trong trờng hợp khớp tịnh tiến thì d
n

là biến khớp và a
n
bằng 0.
Các thông số a
n
,
n
, d
n
và
n
đợc gọi là bộ thông số DH.

Ví dụ 1 : Xét một tay máy có hai khâu phẳng nh hình 3.7 :

1

2
a
1
a
2
O
0
z
1
z
2
x
1
y
1
y
2
O
1
O
2
z
0
x
0
y
0
x

2











Hình 3.7 : Tay máy có hai khâu phẳng (vị trí bất kỳ).
TS. Phạm Đăng Phớc
Robot công nghiệp
30
Ta gắn các hệ toạ độ lên các khâu nh hình vẽ : trục z
0
, z
1
và z
2
vuông góc với tờ giấy.
Hệ toạ độ cơ sở là O
0
x
0
y
0
z

0
, chiều của x
0
hớng từ O
0
đến O
1
. Sau khi thiết lập hệ toạ độ cơ sở,
Hệ toạ độ o
1
x
1
y
1
z
1
có hớng nh hình vẽ, O
1
đặt tại tâm trục khớp 2. Hệ toạ độ O
2
x
2
y
2
x
2
có gốc
O
2
đặt ở điểm cuối của khâu 2.

Bảng thông số Denavit-Hartenbert của tay máy nầy nh sau :

Khâu

i

i
a
i
d
i
1

1
*
0 a
1
0
2

2
*
0 a
2
0

Trong đó
i
là các biến khớp (dùng dấu * để ký hiệu các biến khớp).

Ví dụ 2 : Xem sơ đồ robot SCARA có 4 khâu nh hình 3.8 :
Đây là robot có cấu hình kiểu RRTR, bàn tay có chuyển động xoay xung quanh trục
đứng. Hệ toạ độ gắn lên các khâu nh hình vẽ.












Hình 3.8 : Robot SCARA và các hệ toạ độ (vị trí ban đầu).
O
0

1
x
0
x
1
d
3
x
2
x

3
x
z
3
, z
4

2

4
O
3
O
4
z
0 z
1
z
2
a
1
a
2
O
1
O
2
d
4
Đối với tay máy nầy các trục khớp đều song song nhau, để tiện lợi tất cả các gốc toạ độ

đặt tại tâm các trục khớp. Trục x
0
nằm trong mặt phẳng tờ giấy. Các hệ toạ độ khác nh hình
vẽ. Bảng thông số DH của robot SCARA nh sau :

Khâu

i

i
a
i
d
i
1

1
*
0 a
1
0
2

2
*
180
0
a
2
0

3 0 0 0 d
3
*
4

4
*
0 0 d
4

* : Các biến khớp.

3.3. Đặc trng của các ma trận A :

Trên cơ sở các hệ toạ độ đã ấn định cho tất cả các khâu liên kết của robot, ta có thể
thiết lập mối quan hệ giữa các hệ toạ độ nối tiếp nhau (n-1), (n) bởi các phép quay và tịnh tiến
sau đây :
Quay quanh z
n-1
một góc
n

Tịnh tiến dọc theo z
n-1
một khoảng d
n

Tịnh tiến dọc theo x
n-1
= x

n
một đoạn a
n

Quay quanh x
n
một góc xoắn
n

TS. Phạm Đăng Phớc
Robot công nghiệp
31

Bốn phép biến đổi thuần nhất nầy thể hiện quan hệ của hệ toạ độ thuộc khâu thứ n so
với hệ toạ độ thuộc khâu thứ n-1 và tích của chúng đợc gọi là ma trận A :

A
n
= Rot(z,) Trans(0,0,d) Trans(a,0,0) Rot(x,) (3.4)


cos -sin
0 0 1 0 0 a 1 0 0 0
A
n
=
sin cos
0 0 0 1 0 0 0
cos -sin
0

0 0 1 0 0 0 1 d 0
sin cos
0
0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1


cos -sin cos sin sin a cos

A
n
=
sin cos cos -cos sin a sin
(3.5)
0
sin cos
d
0 0 0 1

Đối với khớp tịnh tiến (a = 0 và
i
= 0) thì ma trận A có dạng :

1 0 0 0
A
n
= 0
cos - sin
0 (3.6)
0
sin cos

d
0 0 0 1

Đối với một khâu đi theo một khớp quay thì d, a và là hằng số. Nh vậy ma trận A
của khớp quay là một hàm số của biến khớp .
Đối với một khâu đi theo một khớp tịnh tiến thì , là hằng số. Ma trận A của khớp
tịnh tiến là một hàm số của biến số d.
Nếu các biến số đợc xác định thì giá trị của các ma trận A theo đó cũng đợc xác
định.

3.4. Xác định T
6
theo các ma trận A
n
:

Ta đã biết : T
6
= A
1
A
2
A
3
A
4
A
5
A
6

Trong đó T
6
đợc miêu tả trong hệ toạ độ gốc (hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản cố định
của robot). Nếu mô tả T
6
theo các hệ toạ độ trung gian thứ n-1 thì :

=
6
1

n
T

A
i
in=

6
X
Z
T
6
E
A
O
R
Trong trờng hợp tổng quát, khi
xét quan hệ của robot với các thiết bị

khác, nếu hệ toạ độ cơ bản của robot có
liên hệ với một hệ toạ độ nào đó bởi phép
biến đổi Z, Khâu chấp hành cuối lại có
gắn một công cụ, có quan hệ với vật thể
bởi phép biến đổi E (hình 3.9) thì vị trí và
hớng của điểm cuối của công cụ, khảo
sát ở hệ toạ độ tham chiếu mô tả bởi X sẽ
đợc xác định bởi :

Hình 3.9 : Vật thể và Robot

X= Z T
6
E
TS. Phạm Đăng Phớc
Robot công nghiệp
32

Quan hệ nầy đợc thể hiện trên toán đồ sau :


A
1
A
2
A
3
A
4
A

5

6
5
T
6
4
T
6
3
T
6
2
T
6
1
T
6
T
O
R
O
R
Z
EX
A
O
0

Hình 3.10 : Toán đồ chuyển vị của robot.

Từ toán đồ nầy ta có thể rút ra : T
6
= Z
-1
X E
-1
(Z
-1
và E
-1
là các ma trận nghịch đảo).

3.5. Trình tự thiết lập hệ phơng trình động học của robot :

Để thiết lập hệ phơng trình động học của robot, ta tiến hành theo các bớc sau :

1. Chọn hệ toạ độ cơ sở, gắn các hệ toạ độ mở rộng lên các khâu.

Việc gắn hệ toạ độ lên các khâu đóng vai trò rất quan trọng khi xác lập hệ phơng
trình động học của robot, thông thờng đây cũng là bớc khó nhất. Nguyên tắc gắn hệ toạ độ
lên các khâu đã đợc trình bày một cách tổng quát trong phần 3.5. Trong thực tế, các trục
khớp của robot thờng song song hoặc vuông góc với nhau, đồng thời thông qua các phép biến
đổi của ma trận A ta có thể xác định các hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot theo trình tự
sau :
+ Giả định một vị trí ban đầu
(

)
(Home Position) của robot.
+ Chọn gốc toạ độ O
0
, O
1
,
+ Các trục z
n
phải chọn cùng phơng với trục khớp thứ n+1.
+ Chọn trục x
n
là trục quay của z
n
thành z
n+1
và góc của z
n
với z
n+1
chính là

n+1
. Nếu z
n

và z
n+1
song song hoặc trùng nhau thì ta có thể căn cứ nguyên tắc chung hay chọn x
n
theo x
n+1
.
+ Các hệ toạ độ Oxyz phải tuân theo qui tắc bàn tay phải.
+ Khi gắn hệ toạ độ lên các khâu, phải tuân theo các phép biến đổi của ma trận A
n
. đó
là bốn phép biến đổi : A
n
= Rot(z,) Trans(0,0,d) Trans(a,0,0) Rot(x,). Nghĩa là ta coi hệ toạ
độ thứ n+1 là biến đổi của hệ toạ độ thứ n; các phép quay và tịnh tiến của biến đổi nầy phải là
một trong các phép biến đổi của A
n
, các thông số DH cũng đợc xác định dựa vào các phép
biến đổi nầy. Trong quá trình gắn hệ tọa độ lên các khâu, nếu xuất hiện phép quay của trục z
n

đối với z
n-1
quanh trục y
n-1
thì vị trí ban đầu của robot đã giả định là không đúng, ta cần chọn

lại vị trí ban đầu khác cho robot.

2. Lập bảng thông số DH (Denavit Hartenberg).
3. Dựa vào các thông số DH xác định các ma trận A
n
.
4. Tính các ma trận T và viết các phơng trình động học của robot.

(

)
Vị trí ban đầu là vị trí mà các biến nhận giá trị ban đầu, thờng bằng 0.
TS. Phạm Đăng Phớc
Robot công nghiệp
33
Ví dụ sau đây trình bày chi tiết của các bớc khi thiết lập hệ phơng trình động học
của robot :

Cho một robot có ba khâu, cấu hình RRT nh hình 3.11. Hãy thiết lập hệ phơng trình
động học của robot.

1. Gắn hệ toạ độ lên các khâu :
Ta giả định vị trí ban đầu và chọn gốc toạ độ O
0
của robot nh hình 3.12. Các trục z đặt
cùng phơng với các trục khớp.

Ta thấy trục z
1
đã quay tơng đối một
góc 90
0
so với trục z
0
, đây chính là phép quay
quanh trục x
0
một góc
1
(phép biến đổi
Rot(x
0
,
1
) trong biểu thức tính A
n
). Nghĩa là
trục x
0
vuông góc với z

0
và z
1
. Ta chọn chiều
của x
0
từ trái sang phải thì góc quay
1
=90
0

(chiều dơng ngợc chiều kim đồng hồ).
Đồng thời ta cũng thấy gốc O
1
đã tịnh tiến
một đoạn dọc theo z
0
, so với O
0
, đó chính là
phép biến đổi Trans(0,0,d
1
) (tịnh tiến dọc theo
z
0
một đoạn d
1
) ; các trục y
0
,và y

1
xác định
theo qui tắc bàn tay phải (Hình 3.12 ) .

Tiếp tục chọn gốc tọa độ O
2
đặt trùng
với O
1
vì trục khớp thứ ba và trục khớp thứ
hai cắt nhau tại O
1
(nh hình 3.12). Trục z
2

cùng phơng với trục khớp thứ ba, tức là đã
quay đi một góc 90
0
so với z
1
quanh trục y
1
;
phép biến đổi nầy không có trong biểu thức
tính A
n
nên không dùng đợc, ta cần chọn lại
vị trí ban đầu của robot (thay đổi vị trí của
khâu thứ 3) nh hình 3.13.
Theo hình 3.13, O

2
vẫn đợc đặt trùng
với O
1
, trục z
2
có phơng thẳng đứng, nghĩa là
ta đã quay trục z
1
thành z
2
quanh trục x
1
một
góc -90
0
(tức
2
= -90
0
).
Đầu cuối của khâu thứ 3 không có
khớp, ta đặt O
3
tại điểm giữa của các ngón
tay, và trục z
3
, x
3
chọn nh hình vẽ, nh vậy

ta đã tịnh tiến gốc toạ độ dọc theo z
2
một
đoạn d
3
(Phép biến đổi Trans(0,0,d
3
)), vì đây
là khâu tịnh tiến nên d
3
là biến .


H
ình 3.12 : Gắn các h
ệ
to
ạ
đ
ộ
O
0
và O
1
y
1
x
1
y
0

z
1
z
2
O
1
, O
2
O
0
z
0

1

2
d
3
x
0
d
1

1

2
d
3
H
ình 3.11 : Robot RR

T

x
2
O
3
O
2
z
2
z
3
z
0
O
0
x
0
O
1
y
1
d
1
x
1
y
0
z
1

1

2
d
3
x
3
d
3
H
ình 3.13 : Hệ toạ độ
gắn lên các khâu
TS. Phạm Đăng Phớc
Robot công nghiệp
34

Nh vậy việc gắn các hệ toạ độ lên các khâu của robot đã hoàn thành. Thông qua các
phân tích trên đây, ta có thể xác định đợc các thông số DH của robot.


2. Lập bảng thông số DH :

Khâu

i

i
a
i

d
i
1

1
*
90 0 d
1
2

i
*
-90 0 0
3 0 0 0 d
3
*

3. Xác định các ma trận A :
Ma trận A
n
có dạng :

cos -sin cos sin sin
0
A
n
=
sin cos cos -cos sin
0
0

sin cos
d
0 0 0 1
Với qui ớc viết tắt : C
1
= cos
1
; S
1
= sin
1
; C
2
= cos
2
. . .

C
1
0 S
1
0
A
1
= S
1
0 -C
1
0
0 1 0 d

1
0 0 0 1

C
2
0 -S
2
0
A
2
= S
2
0 C
2
0
0 -1 0 0
0 0 0 1

1 0 0 0
A
3
= 0 1 0 0
0 0 1 d
3
0 0 0 1

4. Tính các ma trận biến đổi thuần nhất T :
+ Ma trận
2
T

3
= A
3
+ Ma trận
1
T
3
= A
2
.
2
T
3

C
2
0 -S
2
0 1 0 0 0 C
2
0 -S
2
-S
2
*d
3
1
T
3
= S

2
0 C
2
0 0 1 0 0 = S
2
0 C
2
C
2
*d
3
0 -1 0 d
2
0 0 1 d
3
0 -1 0 0
0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1
+ Ma trận T
3
= A
1
.
1
T
3

C
1
0 S
1

0 C
2
0 -S
2
-S
2
*d
3
T
3
= S
1
0 -C
1
0 S
2
0 C
2
C
2
*d
3
0 1 0 d
1
0 -1 0 0
0 0 0 1 0 0 0 1


TS. Phạm Đăng Phớc
Robot công nghiệp

35
C
1
C
2
-S
1
-C
1
S
2
-C
1
S
2
d
3
= S
1
d
2
C
1
-S
1
S
2
-S
1
S

2
d
3

S
2
0 C
2
C
2
d
3
+ d
1
0 0 0 1

Ta có hệ phơng trình động học của robot nh sau :

n
x
= C
1
C
2
;
O
x
= -S
1
;

a
x
= -C
1
S
2
;
p
x
= -C
1
S
2
d
3
n
y
= S
1
C
2
;
O
y
= C
1
;
a
y
= -S

1
S
2
;
p
y
= -S
1
S
2
d
3
n
z
= S
2
O
z
= 0;
a
z
= C
2
;
p
z
= C
2
d
3

+ d
1
;


(Ta có thể sơ bộ kiểm tra kết quả tính toán bằng cách dựa vào toạ độ vị trí p
x
,p
y
, p
z
đã
tính so với cách tính hình học trên hình vẽ).

3.9. Hệ phơng trình động học của robot STANFORD :

Stanford là một robot có 6 khâu với cấu hình RRT.RRR (Khâu thứ 3 chuyển động tịnh
tiến, năm khâu còn lại chuyển động quay). Kết cấu của robot Stanford nh hình 3.14 :





Hình 3.14 : Robot Stanford

TS. Phạm Đăng Phớc