báo cáo tổng quan về robot công nghiệp

1. TÊN ĐỀ TÀI:
“TỔNG QUAN VỀ
ROBOT CÔNG NGHIỆP”
“TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP (RBCN, IR)”
HD: TS. NGUYỄN TIẾN DŨNG
Thực Hiện: Nhóm 4 Mã số học viên Lớp:
CKM14A
1. NGUYỄN VĂN DŨNG 142520103005
2. PHAN THÀNH DUY 142520103007
3. HUỲNH VĂN LỢI 142520103012
1
TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2014
2
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1. LỊCH SỬ RA ĐỜI ROBOT
Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng sản
xuất. Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở trên NewYork vào ngày
09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp
Karen Kapek viết năm 1921. Trong tác phẩm này nhân vật Rossum và con trai của
ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống con người để hầu hạ con người.
Chiếc Robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên ,năm 1961 ở một nhà
máy ô tô của General motor tại trenton, Mỹ.
Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đẩu sản xuất robot công nghiệp : Anh -1967,
Thuỵ Ðiển và Nhật -1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Ðức -l97l; Pháp - 1972;
ở Ý - 1973. . .
Số liệu về số lượng Robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp phát triển:
Mỹ là nước đẩu tiên phát minh ra Robot , nhưng nước phát triển cao nhất trong
lỉnh vực nghiên cứu chế tạo và sử dụng Robot lại là Nhật .
3
2. ỨNG DỤNG ROBOT CÔNG NGHIỆP

2.1 Mục tiêu ứng dụng:
Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất
dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh
tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động.
2.2 Những ứng dụng điển hình của robot.
Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Những ứng
dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn.
Hàn đường thường được thực hiện bằng tay. Tuy nhiên năng suất thấp do yêu
cầu chất lượng bề mặt mối hàng liên quan đến các thao tác của đầu mỏ hàn với môi
trường khắc nghiệt do khói và nhiệt độ phát ra trong quá trình hàn.
4
Hình2.1 - Robot hàn điểm trong nhà
máy sản xuất xe hơi .
Hình 2.2- Hệ thống robot hàn đường
của hãng FANUC.
Hình 2.3-Ứng dụng robot trong lắp
ráp. Các robot lắp ráp trong một nhà
máy sản xuất ô tô
Hình 2.4-Dùng trong ngành dược phẩm
Hình 2.5-Robot dùng ép phun nhựa
Hình 2.6-Robot dùng để làm sạch sản
5
phẩm

Hình 2.7-Robot sơn trong công
nghiệp
Hình 2.8-Robot hàn trong công nghiệp
Hình 2.9-Robot trong nghành dịch vụ
6
7

4. THÀNH TỰU NỔI BẬT MỘT SỐ NƯỚC
Nhật: người máy mang tên ASIMO
Năm 1986, Tập đoàn Honda bắt đầu một chương trình phát triển robot giống
người
Ngày 31/10/2000, sau 14 năm chế tạo robot , Honda cho ra mắt một loại robot mới
mang tên ASIMO (Advanced Step in Innovative Mobility).
ASIMO trở thành người máy thông minh, giống người số 1 trên thế giới - đó là
ASIMO có thể thực hiện các cử chỉ, biểu lộ giống như con người: khóc, tức giận,
vui mừng, ngạc nhiên, khoái chí
Trung Quốc: Robot tự hành Thỏ Ngọc của Trung Quốc đã được đưa thành công
lên mặt trăng bởi tàu thám hiểm không người lái Hằng Nga-3 vào ngày
14/12/2013.
8
MỸ: Robot quân sự
Chiếc máy bay không người lái tàng hình tự hành X-47B của Hải quân Mỹ
có thể tự bắn tên lửa khi phát hiện mục tiêu cần tiêu diệt theo như lập trình.
9
Chương 2: PHƯƠNG PHÁP LUẬN TRONG NC IR
1. NHẬN DẠNG ROBOT CÔNG NGHIỆP
a. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp :
Hình 2.1: Sơ đồ kết cấu chung của RBCN
Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành
cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và
bàn tay (End Efector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng.
10
Cơ cấu chấp hành: tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực
của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thuyể lực, khí nén hoặc kết hợp
giữa chúng.
Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác.
Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu

của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường.
Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều
khiển hoạt động của robot.
Sơ đồ kết cấu chung của robot như trong hình 2.1
11
• Kết cấu của tay máy
Tay máy là phần cơ sở, quyết định khả năng làm việc của RBCN. Đó là thiết bị
cơ khí đảm bảo cho ro bot khả năng chuyển động trong không gian và khả năng
làm việc, như nâng hạ vật, lắp ráp, … ý tưởng ban đầu của việc thiết kế và chế tạo
tay máy là phỏng tác cấu tạo và chức năng của ta người (hình 1.3). về sau, đây
không còn là điều bắt buộc nữa. Tay máy hiện nay rất đa dạng và nhiều loại có
dáng vẻ khác rất xa với tay người. tuy nhiên, trong khỹ thuật robot người ta vẫn
dùng các thuật ngữ quen thuộc, nhw vai (Shoulder), cánh tay (Ảm), cổ tay (Wrist),
bàn tay (Hand) và các khớp (Articulations),… để chỉ tay máy và các bộ phận của
nó.
Trong thiết kế và sử dụng tay máy, người ta quan tâm đến các thông số có ảnh
hưởng lớn đến khả năng làm việc của chúng, như: Sức nâng, độ cứng vững, lực
kẹp của tay,
Tầm với hay vùng làm việc: kích thước và hình dáng vùng mà phần công tác
trong vùng làm việc. thông số này liên quan đến số bậc tự do của phần công tác.
b. Cách Thức phân loại IR
Phân loại theo kết cấu :
Phân loại theo kết cấu có robot chuỗi, robot song song
Robot chuỗi là một chuỗi động học hở với 1 khâu cố định gọi là đế và các khớp
động, trong đó các khâu động được bố trí nối tiếp nhau. Mỗi khâu động được liên
kết hay nối động với một khâu khác nhờ các khớp liên kết.
12
Robot cấu trúc nối tiếp
Robot song song là một chuỗi động học kín, ở đó các khâu luôn luôn được liên
kết với ít nhất hai khâu khác.

Robot cấu trúc song song
Phân loại theo phương pháp điều khiển:
Có hai loại điều khiển Robot: điều khiển hở và điều khiển kín
13
Điều khiển hở: dùng truyền động bước (động cơ điện hay động cơ thủy lực, khí
nén) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với xung điều khiển, kiểu này
đơn giản nhưng độ chính xác thấp.
Điều khiển kín (điều khiển kiểu Servo) sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng
độ chính xác điều khiển, có hai kiểu điều khiển Servo:
Điều khiển điểm
Điều khiển theo đường
Điều khiển điểm - điểm phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia
theo đường thẳng với tốc độ không cao
Kiểu điều khiển này thường được dùng trên các Robot hàn điểm, vận chuyển,
tán đinh, bắn đinh
Điều khiển theo đường đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất
kỳ với tốc độ có thể điều khiển được, có thể gặp kiểu điều khiển này trên các robot
hàn hồ quang và phun sơn.
Phân loại theo ứng dụng:
Dựa vào ứng dụng của Robot trong sản xuất ta có các robot sau: robot sơn, robot
hàn, robot lắp ráp, robot dùng trong dịch vụ, robot chuyển phôi
Robot lắp ráp sản phẩm Hình 2.3
Robot hàn trong công nghiệp Hình 2.5
Robot sơn trong công nghiệp Hình 2.7
Robot trong ngành dịch vụ Hình 2.9
14
15
C .Các thông số kỹ thuật của IR
• RoBot công nghiệp được đặt trưng bằng bảng các thông số
kỹ thuật cơ bản.

Thông số kỹ thuật Giá trị
Số bậc tự do
Tải nâng
Giá trị giới hạn (max, min )
• Biến khớp quay
• Biến khớp tịnh tiến
Vận tốc góc lớn nhất khi quay
Vận tốc tịnh tiến lớn nhất
Tầm với (Max / Min)
Tầm cao (Max / Min)
Sai số định vị
Hệ truyền dẫn động
Hệ điều khiển
-
Kg
Rad
mm
rad/s
mm/s
mm
mm
-
-
16
17
2. Mô hình hóa IR
a. Khâu và khớp được sử dụng trong IR
Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu và khớp, chúng hình thành cánh tay
tạo nên các chuyển động cơ bản,cổ tay tạo nên sự khéo léo,linh hoạt và bàn tay
trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng.

Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của Robot công nghiệp
đó là thiết bị cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian và
khả năng làm việc như nâng hạ lắp ráp
Trong thiết kế và sử dụng tay máy người ta quan tâm đến thông số có ảnh
hưởng lớn đến khả năng làm việc của chúng như:
Sức nâng,độ cứng vững,lực kẹp của tay
Tầm với hay vùng làm việc : kích thước,hình dáng vùng mà phần công tác có
thể với tới
Sự khéo léo nghĩa là khả năng định vị và định hướng phần công tác trong vùng
làm việc
Để định vị và định hướng phần công tác một cách tùy ý trong không gian ba
chiều có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị,3 bậc tự do để định
hướng.Một số công việc như nâng hạ,xếp dở yêu cầu số bậc tự do ít hơn 6,Robot
hàn sơn thường có 6 bậc tự do
Các tay máy thường có đặc điểm chung về kết cấu là gồm các khâu,được nối
với nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở tính từ thân đến
phần công tác.Các khớp phổ biến là khớp trượt và khớp quay.
Cơ cấu IR :
18
Cơ cấu chấp hành : tạo chuyển động cho các khâu của tay máy.Nguồn động
lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại : điện,thủy lực,khí nén hoặc kết
hợp giữ chúng.
a. Vẽ ,kí hiệu khâu, khớp và chuyển động trên IR
- Bậc tự do của Robot: bậc tự do là số khả năng chuyển động
của một cơ cấu.
Với n là số khâu động
là số khớp
- Khâu : Một hay một số chi tiết máy liên kết cứng với nhau tạo
thành một bộ phận có chuyển động tương đối với các bộ phận
khác trong cơ cấu được gọi là khâu

-
19
- Khớp: Mối nối động giữa hai khâu liền nhau để hạn chế một
phần chuyển động tương đối giữa chúng được gọi là khớp động
- Chuyển động IR: các khâu của Robot thường thực hiện hai
chuyển động cơ bản.
• Chuyển động tịnh tiến theo hướng x,y,z trong không
gian Decarde, thông thường tạo nên các hình khối.
• Chuyển động quay quanh các trục x,y,z. ký hiệu là R
( Roatation )
- Các kết cấu thường gặp của Robot
• Robot kiểu tọa độ Đề các: Tay máy có 3 chuyển động
cơ bản tịnh tiến theo phương các trục hệ tọa độ gốc. do
kết cấu đơn giản, nên có độ cứng vững cao, độ chính
xác cơ khí dễ đảm bảo. vì vậy nó thường dùng để vận
chuyển phôi liệu,lắp ráp…
• Robot kiểu tọa độ trụ: vùng làm việc của Robot có
dạng hình trụ rỗng, thường khớp thứ nhất có chuyển
động quay.
20
• Robot kiểu tọa độ cầu: vùng làm việc của Robot có
dạng hình cầu. thông thường độ cứng vững của Robot
này thấp hơn so với hai loại trên.
• Robot kiểu tọa độ góc: đây là kiểu Robot được dùng
nhiều hơn cả. Ba chuyển động đầu tiên là các chuyển
động quay, trục quay thứ nhất vuông góc với hai trục
quay kia, ưu điểm nổi bậc của loại Robot hoạt động
theo tọa độ góc là gọn nhẹ, độ linh hoạt cao.
21
• Robot kiểu SCARA: Ba khớp đầu tiên của Robot này

có cấu hình R,R,T. các trục khớp điều theo phương
thẳng đứng.
b. Bộ thông số Denavit-Hartenberg của các khâu và khớp
IR
Cách xác định bộ thông số Denavit- Hartenberg (DH)
22
- Đây là phần quan trọng nhất trong môn Robot công nghiệp
- Quy tắc Denavit-Hartenberg (DH) là một thuật giải quen thuộc và hiệu quả để
xác định phương trình động học của các rô bốt công nghiệp có nhiều khâu nối
tiếp nhau thông qua các khớp động. Các bước chủ yếu để thiết lập phương
trình động học rô bốt bằng bộ thôngsố DH là:
- Chọn hệ toạ độ cơ sở và gắn các hệ toạ độ cơ sở lên các khâu.
- Lập bảng thông số DH (gồm bộ thông số θ, α, a, d).
- Xác định các ma trận quan hệ An dựa vào các thông số DH đã tìm được.
- Tính các ma trận T và viết phương trình động học của rô bôt theo ma trận T
cuối cùng.
- Trong thực tế, các rô bốt công nghiệp thường có các trục khớp song song hoặc
vuông góc với nhau, và ở bài viết này chúng ta cũng xét các rô bốt như vậy.
Việc gắn hệ toạ độ lên cáckhâu chính xác đóng vai trò rất quan trọng khi xác
lập phương trình động học rô bốt, đây làbước khó nhất và là chìa khoá để
giải quyết bài toán động học. Theo kinh nghiệm của mình,việc xác định các hệ
toạ độ lên các khâu chúng ta cần lưu ý các điểm quan trọng sau:
- Các hệ toạ độ Oxyz phải tuân theo quy tắc bàn tay phải, đây là yêu cầu đầu tiên
và bắtbuộc.
- Các trục zn phải chọn cùng phương với trục khớp n+1.
- Các trục xn là trục quay của zn thành zn+1. Trong quá trình gắn hệ toạ độ, nếu
xuất hiệnphép quay của trục zn+1 đối với zn quanh trục yn thì vị trí ban đầu
(Home position) của rôbốt đã giả định không đúng và phải chọn lại.
- Khi xuất hiện trục khớp quay nối tiếp trục khớp tịnh tiến thì gốc toạ độ của
khâu tịnh tiếnđặt trùng với gốc toạ độ của khâu quay.

- Với các rô bốt công nghiệp thường có các trục khớp song song hoặc vuông
góc với nhau,qua quá trình giải quyết một số bài toán động học rô bốt, mình
cũng rút ra được một số kinh nghiệm xác định bộ thông số DH như sau:
- Với khâu tịnh tiến: d = d* (biến khớp), θ = a = 0 (nếu xuất hiện các trường hợp
như trênthì xác định a theo các quy tắc đó).
- Với khâu quay: θ = θ* (biến khớp).
- Khi các trục z không cắt nhau thì a = độ dài pháp truyến chung nhỏ nhất của
hai trục. Khicác trục z cắt nhau thì a = 0.
23
- αn là góc giữa các trục z trong mặt phẳng vuông góc với an. αn = góc quay
quanh trục xn biến zn thành zn+1.
- dn là khoảng cách giữa các pháp tuyến đo dọc theo trục khớp n. Khi các trục
x không cắt nhau thì dn = khoảng cách giữa xn
- 1xn . Khi các trục x cắt nhau thì dn = 0.
Bộ thông số Denavit-Hartenberg của IR, cách xác định.
- Dưới đây trình bày cách xây dựng các hệ tọa độ với hai khâu động liên tiếp i và
i+1.
Các hệ tọa độ đối với hai khâu động liên tiếp là
khớp quay
Các
hệ tọa
độ với hai
khâu động
liên tiếp có khớp tịnh tiến
24
25