Luận văn điều khiển robot có số bậc tự do dư

Lời nói đầu
Lời nói đầu
Trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước , vấn đề tự động hóa trong
sản xuất đóng vai trò đặc biệt quan trọng. Ngày nay robot đang được ứng dụng rất nhiều trong
các ngành công nghiệp , các nhà máy … góp phần tăng hiệu quả sản xuất , đẩy mạnh phát
triển nền kinh tế . Chính vì vậy robot đã và đang được thúc đấy nghiên cứu để có thể áp dụng
rộng rãi để phục vụ đời sống con người .
Hiện nay trong rất nhiều ngành công nghiệp đã ứng dụng những kỹ thuật tiên tiến
nhất của robot trong công nghiệp nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ , nâng
cao chất lượng sản phẩm và khả năng cạnh tranh của sản phẩm dẫn đến nâng cao được
hiệu quả kinh tế trong đầu tư .
Ra đời cách đây nửa thỊ kỉ nhưng robot công nghiệp đã có sự phát triển vượt bậc .
Nhiều nước trên thế giới đã sớm nghiên cứu và áp dụng mạnh mẽ kĩ thuật robot vào sản
xuất và đã đạt được nhiều thành tựu to lớn . Đối với nước ta, kỹ thuật robot vẫn còn là
vấn đề khá mới mẻ , trước những năm 90 hầu như chưa nghiên cứu về kỹ thuật Robot.
Bắt đầu từ năm 1990 nhiều nhà máy công nghiệp đã nhập ngoại nhiều loại robot phục vụ
quá trình sản xuất như trong việc lắp ráp các linh kiện điện tử , lắp ráp xe máy , hàn vỏ xe
« tô, phun phủ bề mặt … HIện nay ở bộ môn Tự động hóa XNCN trường đại học Bách
Khoa Hà Nội đã có những nghiên cứu để đóng góp cho việc thiết kế chế tạo và lắp ráp
robot phục vụ cho nền công nghiệp nước nhà . Robot chính là phương tiện hữu hiệu nhất
để tự động hóa , nâng cao năng suất lao động và giảm nhẹ cho con người trong những
công việc nặng nhọc và độc hại . Vì vậy robot công nghiệp đã trở thành một bộ phận
quan trọng trong các ngành công nghiệp .

1
Lời nói đầu
Chương 1
Tổng quan về robot công nghiệp
1.1. Sơ lược quá trình phát triển và một số điểm mốc của lịch sử phát
triển robot công nghiệp .
Thuật ngữ robot lần đầu tiên xuất hiện năm 1920 với ý nghĩa là một chiếc máy

giống nh người để phục vụ cho yêu cầu trong đời sống , sản xuất của con người . Thế
nhưng từ thế kỉ 17 một số thiết bị máy móc được chế tạo đã có một số đặc tính làm việc
nh robot công nghiệp hiện nay Jacques de Vancanson chế tạo một số búp bê cơ khí đánh
nhạc . Năm 1801 J.Jacquard phát minh khung dệt vải có thể lập trình .Năm 1805
H.Mailader chế tạo búp bê cơ khí biết vẽ tranh .Năm 1892 S.Babbitt đã thiết kế một cần
trục truyền động động cơ có cơ cÂu kÍp để gắp thái thép đúc ra khỏi lò nung .
Đầu thập kỉ 40 của thỊ kỉ 20 thì con người đã phát minh ra cánh tay máy công
nghiệp điển hình là năm 1938 W.Polland và H.Roselund đã thiết kế 1 cơ cấu phun sơn
lập trình cho công ty De Vilbiss . Năm 1946 G.C.Devol sáng chế thiết bị điều khiển có
thể ghi lại những tín hiệu điện bằng từ hóa sau đó được sử dụng để điểu khiển một máy
cơ khí .
Vào những năm 50 , xuất hiện khái niệm về robot thông minh với kĩ thuật hỗ trợ
là bộ nhớ vòng .Năm 1951 xuất hiện cơ cấu tau máy điều khiển từ xa có thể mang các vật
liệu phóng xạ chế tạo .Năm 1952 mẫu máy điều khiển số đầu tiên ra đời và được trưng
bày ở Viện Công nghệ Massschusetts sau một vài năm nghiên cứu chế tạo . Năm 1954
G.C.Devol đăng kÝ bản quyền phát minh thiết kế robot .
đầu những năm 60 giới thiệu những robot được điều khiển bằng máy tính có ứng
dụng trong công nghiệp thúc đẩy việc tăng cường nghiên cứu robot .Năm 1960 Robot
“Unimate ” đầu tiên được giới thiệu là robot truyền động thủy lực , nó sử dụng dạng
nguyên lý điều khiển số cho điều khiển cơ cấu tay máy . Năm 1961 công ty Ford lắp đặt
Robot Unimate .Năm 1962 công ty General Motor (GM) lắp đặt robot công nghiệp đầu
tiên (robot Unimate )trong dây chuyền sản xuất .Năm 1966 công ty Trallfa lắp đặt robot
phun sơn . Năm1968 Robot di chuyển “Shakey” được chế tạo tại Viện Nghiên Cứu
2
Lời nói đầu
Stanford . Robot này được trang bị một số cảm biến tiếp xúc , máy ảnh , có thể di chuyển
trên mặt sàn .
Những năm 70 đánh dấu mốc quan trọng trong quá trình phát triển robot là sự xuất
hiện của robot có trí thông minh nhân tạo có thể ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp với
kĩ thuật vi xử lý lần đầu tiên được giới thiệu và phát triển .Năm 1970 tay máy Stanford là

robot nhỏ điều khiển bằng điện được chế tạo ở trường đại học Stanford .Năm 1971 hiệp
hội robot công nghiệp Nhật Bản bắt đầu đề xuất sử dụng robot trong công nghiệp Nhật
Bản .Năm 1973 viện nghiên cứu Stanford công bố ngôn ngữ lập trình máy tính đầu tiên
cho robot trên là ngôn ngữ WAVE . Năm 1974 công ty máy tính Cincinnati Milacron
giới thiệu robot điều khiển bằng máy tính . Năm 1975 phòng thí nghiệm Charles
Stack Draper đã chế tạo cơ cấu nhún có tâm ở xa sử dụng cho robot lắp ráp .Năm 1976
Robot PUMA (máy lắp ráp vạn năng có thể lập trình) được trình diễn . Năm 1978 robot
của hãng Cincinnati Milacron được lập trình thực hiện các công việc khoan và hàn
trên các bộ phận của máy bay . Trong cùng năm đó thì robot Scara được chế tạo cho dây
chuyền lắp ráp ở trường đại học Yamanashi (Nhật) . Năm 1979 robot công nghiệp bắt
đầu một thời kì phát triển nhanh với các robot mới .
Những năm 80 lần lượt các kĩ thuật mới là kĩ thuật số , kĩ thu©t quang được áp dụng
vào nghiên cứu robot , đặc biệt là những robot dùng trong công việc nguy hiểm .Năm 1980
robot truyền động trực tiếp DDR được sáng chế ở trường đại học Carnegie-Mellon .Năm 1981
hãng máy tính IBM chế tạo robot RS-1 cho lắp ráp .Năm 1982 một số hệ thống lập trình “ Off-
line” được trình diễn cho robot . Năm 1984 ứng dụng robot tiếp tục phát triển mạnh tập trung
vào tich hợp robot trong các dây chuyền sản xuất linh hoạt FMS và hệ thống CIM
Năm 1991 đánh dấu bước phát triuÒn mới của nền kinh tế thỊ giới với tập trung
sản xuất các sản phẩm phức tạp và ứng dụng công nghệ vì điện tư và công nghệ hiển thị
trong robot của dây chuyền sản xuất tự động hóa áp dụng kĩ thuật điều khiển logic và
những nghiên cứu về robot có trí thông minh nhân tạo cùng với sự tiến bộ về cơ khí đã
làm cho robot đáp ứng hầu hết trong các ngành công nghiệp.
1.2. ứng dụng robot công nghiệp trong sản xuất .
Từ khi mới ra đời robot công nghiệp ®îc áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc
độ thay thế sức ngưêi. Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất ®îc tổ chức lại, năng suất và
hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt.
3
Lời nói đầu
Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây
chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lưîng và khả năng cạnh tranh của sản

phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Đạt ®îc các mục tiêu trên là nhờ vào những
khả năng to lớn của robot như : làm việc không biết mệt mái, rất dễ dàng chuyển nghỊ
một cách thành thạo, chịu ®îc phóng xạ và các môi trêng làm việc độc hại, nhiệt độ cao,
“cảm thấy” ®îc cả từ trêng và “nghe” ®îc cả siêu âm Robot ®îc dùng thay thỊ con
ngưêi trong các trêng hợp trên hoặc thực hiện các công việc tuy không nặng nhọc nhưng
đơn điệu, dễ gây mệt mỏi , nhầm lẫn.
Trong ngành cơ khí, robot được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ
hàn, cắt gọt kim loại, sơn, phun phí 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 được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình.
Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc
khai thác thềm lục địa và đại dương, 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 vượt trội hơn khả
năng của con người; do đó nó là phương tiện hữu hiệu để tự động hoá, nâng cao năng
suất lao động, giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc và độc hại. Nhược
điểm lớn nhất của robot là chưa linh hoạt nh con người, 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 dưới sự giám sát của con người.
1.3. Các khái niệm 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) :
4
Lời nói đầu
Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các
chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị,

định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất : chi tiết, dao cơ, gá lắp . . . theo những
hành trình thay đổi đã chương 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 chương trình được thiết kế để di
chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương
trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau.
- Định nghĩa theo ΓOCT 25686-85 (Nga) :
Robot công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên
kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại
để hßan 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 người trong nhiều khả năng thích
nghi khác nhau.
Robot công nghiệp có khả năng chương trình hoá linh hoạt trên nhiều trục chuyển
động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng. Robot công nghiệp được 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 phí,
rót kim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy . . .) hoặc phục vụ các quá trình công nghệ (tháo
lắp chi tiết gia công, dao cơ, đồ gá . . .) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao
đổi các đối tượng với các trạm công nghệ, trong một hệ thống máy tự động linh hoạt,
được 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 được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot
phải đạt được 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 :
5
Lời nói đầu

ở đây : n - Số khâu động ;
p
i
- Số khớp loại i (i = 1,2,. . .,5 : Số bậc tự do bị hạn chế).

Hình
1.1. tay máy 2
khớp quay
Ví dụ : tay máy có 2 khớp quay nh hình vẽ 1.1
Số khâu động n = 2
Khớp quay là khớp loại 5 .
Do đó W = 6.2 – ( 5.1 + 5.1) = 2 bậc tự do
Đối với các cơ cấu có các khâu được 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 hướng 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 hướng.
Một số công việc đơn giản nâng hạ, sắp xếp có thể yêu cầu số bậc tự do ít hơn. Các
robot hàn, sơn thường yêu cầu 6 bậc tự do. Trong một số trường hợp cần sự khéo léo,
6
Lời nói đầu
linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hoá quỹ đạo, người ta dùng robot với số bậc tự do lớn
hơn 6.
1.3.3. Hệ toạ độ của robot (Coordinate frames) .
Mỗi robot thường 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 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 các
chuyển dịch góc cu¶ các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay (hình 1.2). Các toạ độ suy rộng

còn được gọi là biến khớp.
Hình 1.2. Các tọa 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, trá và
giữa theo 3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của trục Z,
thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trục X và ngón giữa sẽ biểu thị phương, chiều của trục
Y
1.3.4. Vùng làm việc của robot
Vùng làm việc hay còn gọi là trường công tác hoặc không gian công tác của robot
là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các
7
Lời nói đầu
chuyển động có thể ( chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay ). Vùng làm việc của
robot phụ thuộc bởi các thông số hình học của robot cũng như sự ràng buộc cơ học của
các khớp .
1.3.5. Khâu tác động cuối - End Effector
Khâu tác động cuối là điểm tác động của robot lên vật đối tượng làm việc . Khâu
tác động cuối của robot thường là bàn kÍp hoặc khâu gắn liền với các dụng cụ làm việc
của robot .Khâu tác động cuối có thể điều khiển hoặc không điều khiển được phụ thuộc
vào công nghệ sản xuất . Khâu tác động cuối không điều khiển được thường có dạng nắm
chắc vật để chờ tác động của các công cụ khác . Khâu tác động cuối điều khiển được là
các cơ cấu có thể di chuyển linh hoạt phụ thuộc vào yêu cầu của bé điều khiển .
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 thưêng bao gồm các thành phần chính như : cánh tay robot,
nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bé điều khiển , thiết
bị dạy học, máy tính các phần mềm lập trình cũng nên được coi là một thành phần của
hệ thống robot. Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot nh hình 1.3.
Hình 1.3. 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.
8
Lời nói đầu
Nguồn động lực là các động cơ điện (một chiều hoặc động cơ bưíc), các hệ thống
xy lanh khí nén, thủ lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động.
Dụng cụ thao tác được 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 tưîng 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 được dạy để
làm việc (phư¬ng pháp lập trình kiểu dạy học).
Các phần mềm để lập trình và các chư¬ng trình điều khiển robot được cài đặt trên
máy tính, dùng điều khiển robot thông qua bé điều khiển (Controller). Bé điều khiển còn
được gọi là Mo®un điều khiển (hay Unit, Driver), nó thưêng được kết nối với máy tính.
Một mo®un điều khiển có thể còn có các cổng Vào - Ra (I/O port) để làm việc với nhiều
thiết bị khác nhau nhau các cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái của bản thân, xác
định vị trí của đối tưîng 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 .
Như 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 được phỏng theo cấu tạo và chức năng của
tay ngưêi; tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay robot có
hình dáng rất khác xa cánh tay ngưêi. 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 trưêng công tác), số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo
linh hoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kÍp . . .
Các khâu của robot thưêng thực hiện hai chuyển động cơ bản :
- Chuyển động tịnh tiến theo hưíng x,y,z trong không gian Descarde, thông thưêng
tạo nên các hình khối, các chuyển động này thưêng ký hiệu là T (Translation) hoặc P
(Prismatic).

- Chuyển động quay quanh các trục x,y,z ký hiệu là R (Roatation).
9
Lời nói đầu
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 thưêng gặp của Robot là
robot kiểu toạ độ Đề các, toạ độ trụ, toạ độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ toạ độ góc (phỏng
sinh)
1.5 Phân loại Robot công nghiệp .
Robot công nghiệp rất phong phú đa dạng, vì vậy việc phân loại robot cũng có
nhiều tiêu chuẩn như phân loại theo kết cấu , phân loại theo hệ thống truyền động , phân
loại dựa vào số bậc tự do , ứng dụng , theo hệ thống điều khiển ( kín hay hở ) …
1.5.1. Phân loại theo kết cấu .
Theo kết cấu của tay máy người ta phân thành robot kiểu toạ độ Đề các, Kiểu toạ
độ trụ, kiểu toạ độ cầu, kiểu toạ độ góc, robot kiểu SCARA
a. Robot kiểu toạ độ Đề các : là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo
phương của các trục hệ toạ độ gốc (cấu hình T.T.T). Trường 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 thuêng dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng
Hình 1.4. Robot kiểu tọa độ Đề Các
b. Robot kiểu toạ độ trụ : Vùng làm việc của robot có dạng hình trụ rỗng. Thường
khớp thứ nhất chuyển động quay. Có nhiều robot kiểu toạ độ trụ nh: robot Versatran của
hãng AMF (Hoa Kỳ).
10
Lời nói đầu
Hình 1.5. Robot kiểu tọa độ trụ
c. Robot kiểu toạ độ cầu : Vùng làm việc của robot có dạng hình cầu. Thường độ
cứng vững của loại robot này thấp hơn so với hai loại trên.
Hình 1.6. Robot kiểu tọa độ cầu
d. Robot kiểu toạ độ góc (Hệ toạ độ phỏng sinh) : 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 kia. Các chuyển động định hướng khác cũng là các chuyển động
quay. Vùng làm việc của tay máy này 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,ưu điểm nổi
bật của các loại robot hoạt động theo hệ toạ độ góc là gọn nhẹ, tức là có vùng làm việc
tương đối lớn so với kích cë của bản thân robot, độ linh hoạt cao.
11
Lời nói đầu
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
Hình 1.7. Robot kiểu tọa độ góc
e. Robot kiểu SCARA : Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường 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 dẻo tuỳ ý. Loại robot này thường dùng trong công việc lắp ráp nên
SCARA đôi khi được 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
phương thẳng đứng.
Hình 1.8. Robot kiểu SCARA
1.5.2. Phân loại theo hệ thống truyền động .
Trong các hệ thống truyền động robot có các dạng truyền động phổ biến là :
12
Lời nói đầu
HƯ truyền động điện : Thường dùng các động cơ điện 1 chiều (DC : Direct
Current) hoặc các động cơ bước (step motor). Loại truyền động nầy dễ điều khiển, kết
cấu gọn.
HƯ truyền động thủ lực : có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều kiện
làm việc nặng. Tuy nhiên hệ thống thủ lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn tại độ phi
tuyến lớn khó xử lý khi điều khiển.
HƯ truyền động khí nén : có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược nhưng

lại phải gắn liền với trung tâm tã ra khí nén. Hệ này làm việc với công suất trung bình và
nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động theo chương trình định
s¼n với các thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống”
1.5.3 Phân loại theo số bậc tự do .
Cách phân loại theo số bậc tự do cũng là một cách thường dùng để phân loại robot
. Trong không gian ba chiều thì một cơ cấu robot có 6 bậc tự do để xử lý đối tượng làm
việc là lý tưởng nhất vì ta có thể định vị và định hướng khâu chấp hành cuối ( điểm tác
động cuối ) một cách tùy ý trong không gian trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự
do để định hướng robot . Cũng nh vậy đối với robot chỉ hoạt động trong không gian 2
chiều thì robot có 4 bậc tự do là đủ . Tuy nhiên để cho robot có thể tự do di chuyển tránh
các chướng ngại vật và tăng tính linh hoạt của robot thì robot có thể có số bậc tự do dư .
1.5.3. 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
1.5.4. Phân loại theo phương 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 .
1.6. Điều khiển robot công nghiệp .
13
Lời nói đầu
Liên quan đến đặc điểm làm việc của robot , ta có thể chia bài toán điều khiển
robot thành 2 loại : điều khiển thô và điều khiển tinh .
1.6.1.Điều khiển thô
Điều khiển thô là bài toán xác định luật điều khiển thích hợp để tốc độ , vị trí của
các khớp bám sát quỹ đạo chuyển động thiết kế trong thời gian quá độ nhỏ nhất . Điều
khiển thô còn goi là điều khiển quỹ đạo ( vị trí) hay điều khiển tự do . Đối với bài toán
điều khiển thô ta có hai phương pháp chính là :

- điều khiển trong không gian khớp ( điều khiển tọa độ khớp )
- điều khiển trong không gian làm việc ( điều khiển tọa độ §ecac )
a. Điều khiển trong không gian khớp ( điều khiển tọa độ khớp )
Hệ thống điều khiển sẽ đưa ra lượng đặt và giảm dần sai số của từng khớp đưa
khớp tới đúng vị trí đặt bằng cách thực hiện việc khô sai lệch vị trí cho các khớp . Biến
điều khiển là biến khớp nên hệ thống sẽ điều khiển trực tiếp góc quay của các khớp .
b. Điều khiển trong không gian làm việc ( điều khiển tọa độ §ecac)
Hệ thống điều khiển trong không gian làm việc ngược lại hẳn với hệ thống điều
khiển trong không gian khớp . Hệ thống thực hiện khô sai lệch trực tiếp của các tọa độ
trong không gian làm việc nên việc điều khiển khá trực quan giúp người điều khiển có
thể dễ dàng giám sát quá trình hoạt động của robot .
1.6.2. Điều khiển tinh
Điều khiển tinh là điều khiển lực mà thực chất là điều khiển lực và quỹ đạo , liên
quan tới quá trình khi robot di chuyển tiếp xúc với đối tượng làm việc ví dụ như trường
hợp robot lắp ráp một chi tiết vào thiết bị máy . Điều khiển tinh chia làm hai phương
pháp điều khiển chính :
- điều khiển trở kháng
- điều khiển hỗn hợp
a. Điều khiển trở kháng
Điều khiển trở kháng là phương pháp điều khiển dựa trên việc điều khiển độ nhún ( trở
kháng ) của cơ cấu tay robot với ngoại lực tác dụng . Điều khiển trở kháng có 2 loại đó là điều
khiển trở kháng thụ động và điều khiển trở kháng tích cực .
b. Điều khiển hỗn hợp
14
Lời nói đầu
Điều khiển hỗn hợp gốm hai kênh điều khiÎn độc lập với nhau điều khiển vị trí và điều
khiển lực . Trong đó các tín hiệu đầu ra của bộ điều chỉnh sẽ điều khiển cơ cấu bám theo vị trí
và sinh lực đặt trước . Hướng vị trí và lực được điều khiển tùy thuộc vào nhiệm vụ robot thực
hiện trong dây chuyền sản xuất . Điều khiển hỗn hợp còn được gọi là điều khiển lai .
1.7. Robot có bậc tự do dư .

Bậc tự do của robot là thước đo để đánh giá khả năng chuyển động của robot đó
( chuyển động quay hay tịnh tiến ) . Thông thường thì robot có số bậc tự do tương ứng
với số biến cần điều khiển nhưng các robot này có khả năng di chuyển trong vùng làm
việc rất hạn chế chính vì vậy làm giảm khả năng di chuyển tránh chướng ngại vật cũng
như khả năng di chuyển theo quỹ đạo đặt trước .
Còn robot có bậc tự do dư lại có số bậc tự do lớn hơn số biến cần điều khiển chính
nhờ có số bậc tự do dư mà robot có khả năng di chuyển hết sức linh hoạt , mềm mại trong
vùng làm việc , giải quyết các vấn đề về điều khiển hệ thống như : yêu cầu về động lực .
động lực học , điều khiển lực , di chuyển theo quỹ đạo định sẵn tránh các chướng ngại
vật … Nhưng với những cơ cấu có số bậc tự do dư thì có số bậc tự do lớn dẫn đến việc
khó khăn trong tính toán mô hình cũng như điều khiển khó khăn hơn . Nhưng do đáp ứng
được các yêu cầu về ứng dụng , khả năng linh hoạt của robot trong lĩnh vực tự động hóa
nên robot có số bậc tự do dư được tìm hiểu , nghiên cứu và chế tạo rất nhiều .
Hiện nay đa số robot công nghiệp đều là robot có bậc tự do dư . Robot có số bậc
tự do dư được ứng dụng rất nhiều trong những cơ cấu robot làm việc nh cánh tay con
người . Robot có số bậc tự do dư đã được sử dụng vào việc chế tạo những cơ cấu tay máy
gắp vật chính xác và linh hoạt , chế tạo những robot phỏng sinh để thay thế con người
trong những công việc khó khăn nhiều nguy hiểm …
Robot được nghiên cứu trong đồ án là robot gồm 2 tay máy dạng chuỗi có số bậc
tự do là 5 dịch chuyển trong mặt phẳng nằm ngang Oxy . Đối với các robot hoạt động
trong mặt phẳng nằm ngang thì việc định vị (điều khiển vị trí ) robot yêu cần cần 2 biến
điều khiển ( điều khiển vị trí theo phương trục x , y ) việc định hướng của robot cũng yêu
cầu 2 biến điều khiển . Vì vậy trong mặt phẳng nằm ngang điều khiển robot cần phải điều
khiển 4 biến do vậy yêu cầu robot có số bậc tự do là 4 , nên trong đồ án robot có 5 bậc tự
do là robot có số bậc tự do dư .
15
Lời nói đầu
1.8. Robot nghiên cứu trong đồ án .
1.8.1. Giới thiệu về robot
Khảo sát loại robot gồm 2 tay máy dạng chuỗi có cùng một thanh nối đầu tiên nh

hình vẽ . Tay máy 1 bao gồm các thanh nối 1 , thanh nối 2 và thanh nối 3 . Tay máy 2 bao
gồm thanh nối 1 , thanh nối 4 và thanh nối 5 trong đó trên thanh nối 1 có 2 khớp điều
khiển độc lập các thanh nối 2 và thanh nối 4 . Với giả thiết robot hoạt động trong mặt
phẳng nằm ngang , không chịu tác dụng của lực trọng trường .
hình
1.9. robot 2 tay máy dạng chuỗi
16
Lời nói đầu
1.8.2. Bài toán điều khiển
Yêu cầu điều khiển robot 5 bậc tự do gắp chắc vật trong mặt phẳng nằm ngang .
Để gắp chắc được vật thể thì phải tác dụng lên vật thể 2 lực có độ lớn bằng nhau nhưng
phải đối xứng với nhau qua vật thể nên phải điều khiển lực và vị trí của điểm tác động
cuối . Từ đó ta xác định hai bài toán điều khiển chính của đồ án là :
- Điều khiển vị trí hai khâu tác động cuối E
1
và E
2
.
- Điều khiển lực theo độ lớn để gắp vật thể
a. Điều khiển vị trí
Điều khiển vị trí hai khâu tác động cuối của hai tay máy với vị trí đặt đồng thời .
- Vị trí tay máy E
1
được điều khiển từ E
10
tới E
1d

- Vị trí tay máy E
2

được điều khiển từ E
20
tới E
2d

Trong đó E
10
và E
20
lần lượt là là tọa độ điểm ban đầu của điểm tác động cuối E
1
và E
2
.
E
1d
và E
2d
lần lượt là tọa độ điểm cần điều khiển đên hay là tọa độ đặt của điểm tác động
cuối E
1
và E
2
.
b. Điều khiển lực
Điều khiển lực tác dụng lên vật thể của 2 điểm tác động cuối E
1
và E
2
để có thể

gắp được vật thể .
- Lực tay máy f
1
được điều khiển từ 0 đến f
d1
= 7 N
- Lực tay máy f
2
được điều khiển từ 0 đến f
d2
= 7 N
Trong đó f
d1
và f
d2
là lực cần điều khiển hay là lực đặt của điểm tác động cuối E
1
và
E
2
.
1.8.3. Phương pháp điều khiển
-Để điều khiển vị trí của hai điểm tác động cuối E
1
và E
2
ta cần sử dụng 4 biến
điều khiển là x
E1
, y

E1
,x
E2
và y
E2
vì robot hoạt động trong mặt phẳng nằm ngang nên điều
khiển mỗi điểm tác động cuối ta cần 2 biến điều khiển . Do yêu cầu điều khiển tọa độ 2
điểm tác động cuối E
1
và E
2
của robot 2 tay máy tới 2 tọa độ đặt E
1d
và E
2d
một cách đồng
thời nên 4 biến điều khiển này hoàn toàn độc lập với nhau . Do đó việc điều khiển vị trí
của 2 điểm tác động cuối tương ứng với việc điều khiển 4 biến toạ độ của E
1
và E
2
.
-Để điều khiển lực ta cần sử dụng 2 biến điều khiển là f
1
và f
2
do yêu cầu gắp chắc
chắn vật thể nên ta phải điều khiển 2 điểm tác động cuối đặt 2 lực có đặc điểm độ lớn
17
Lời nói đầu

bằng nhau và hướng ngược chiều nhau ) để điều khiển lực ta điều khiển 2 biến điều khiển
lực là f
1
và f
2
.
Do vậy để điểu khiển vị trí và lực của 2 điểm tác động cuối thì ta cần điều khiển 6
biến x
E1
, y
E1
,x
E2
, y
E2
, f
1
và f
2
.
Để điều khiển cả lực và vị trí có một phương pháp điều khiển phù hợp đó là
phương pháp điều khiển hỗn hợp điều khiển đồng thời cả lực và vị trí thế nhưng đối với
robot chúng ta là robot có 5 năm bậc tự do hoạt động trong mặt phẳng nằm ngang Oxy thì
robot sẽ là robot có bậc tự do dư nên robot có nhiều biến điều khiển ( tối đa 5 biến ) có
khả năng di chuyển rất linh hoạt trong mặt phẳng. Tuy nhiên đối với yêu cầu điều khiển
cả vị trí và lực thì tuy robot có số bậc tự do dư nhưng chúng ta không thể điều khiển đồng
thời cả vị trí và lực cùng 1 lúc do điều khiển vị trí gồm 4 biến điều khiển x
E1
,x
E2

,y
E1
và y
E2
cùng với 2 biến điều khiển lực là F
1
và F
2
như vậy tổng cộng là 6 biến điều khiển trong
khi robot chỉ có 5 bậc tự do ( tối đa điều khiển được 5 biến ) .
Do vậy ta phải sử dụng một phương pháp điều khiển khác gồm 2 quá trình :
- Quá trình 1 là quá trình điều khiển vị trí trong đó ta điều khiển toạ độ 2 khâu tác
động cuối gồm 4 biến tới tọa độ điểm đặt và không quan tâm đến vấn đề điều khiển lực .
Nh vậy trong quá trình này chúng ta chỉ điều khiển 4 biến . Để điều khiển vị trí ta lựa
chọn sử dụng phương pháp điều khiển trong không gian làm việc theo ma trận Jacobien
chuyển vị vì phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp khác trong
đồ án này . Vấn đề điều khiển vị trí sẽ được làm rõ trong chương 3 của đồ án .
- Quá trình 2 là quá trình lực . Khi đã hoàn thành quá trình 1 tức là 2 điểm tác
động cuối E
1
và E
2
đã tới vị trí điểm đặt E
1d
và E
2d
thì chúng ta bắt đầu điều khiển lực
gồm 2 biến f
1
và f

2
để chóng có cùng độ lớn f
1
= f
2
= 7N . Vấn đề điÒu khiển lực sẽ được
làm rõ trong chương 5 của đồ án .
18
Lời nói đầu
Chương 2 :
Thiết lập phương trình động học và động lực học
2.1. Phương trình động học robot .
2.1.1 Đặt vấn đề .
Cơ cấu chấp hành của robot thường là một cơ cấu hở gồm một chuỗi các khâu
(link) nối với nhau bằng các khớp (joints). Các khớp động này là khớp quay (R). Để
robot có thể thao tác linh hoạt cơ cấu chấp hành của robot phải có cấu tạo sao cho điểm
mĩt của khâu cuối cùng đảm bảo dễ dàng di chuyển theo một quỹ đạo nào đó, đồng thời
khâu này có một hướng nhất định theo yêu cầu. Khâu cuối cùng này thường là bàn kẹp
(griper), điểm mĩt của nó chính là “điểm tác động cuối” E (end-effector).
Khi khảo sát chuyển động của Robot cần biết “định vị và định hướng” tại điểm
tác động cuối trong mọi thời điểm. Các lời giải của bài toán này được xác định từ những
phương trình động học của Robot. Các phương trình này là mô hình Động học của
Robot. Chỉng được xây dựng trên cơ sở thiết lập các mối quan hệ giữa các hệ toạ độ động
nói trên so với hệ toạ độ cố định.
2.1.2 Phương trình động học robot .
Đặt trục tọa độ nh hình vẽ 2.1.
19
Lời nói đầu
Hình 2.1 robot 2 tay máy 5 bậc tự do
Ta có các quy ước nh sau :

- Coi các thanh nối là đồng chất nên trọng lượng của mỗi thanh tập trung tại điểm
giữa mỗi thanh gọi là trọng tâm C
i
của thanh nối với i = 1- 5
- Chiều dài của các thanh từ 1 đến 5 là l
i
với i = 1 - 5 ( trong mô phỏng matlab để
đơn giản ta chọn chiều dài thanh số 2 bằng chiều dài thanh số 4 và chiều dài thanh 3
bằng chiều dài thanh số 5 tức l
2
= l
4
, l
3
= l
5
) . Chiều dài l = 0 .
- Trọng lượng của các thanh từ 1 đến 5 là m
i
với i = 1 - 5
- Góc quay của các thanh từ 1 đến 5 là
i
với i = 1 - 5 ,với cách tính các góc quay
của thanh thứ i được tính bằng góc tạo bởi giữa thanh thứ ( i-1 ) và thanh thứ i , quy ước
các góc quay nhận giá trị dương khi quay ngược chiều kim đồng hồ , nhận giá trị âm
khi quay theo chiều kim đồng hồ . (theo quy tắc bàn tay phải).
Vậy robot có 5 bậc tự do , 5 thanh nối , và 5 khớp quay dạng R.
Trong đó 2 điểm E1 và E2 là hai cơ cấu tác động cuối , là đối tượng cần điều khiển
chính .
20

Lời nói đầu
Do robot chỉ häat động trong mặt phẳng nằm ngang nên ta có thể bỏ qua tác dụng của
lực trọng trường ( tức g = 0 )
+ Thiết lập tọa độ trọng tâm C
i
của các thanh nối
Theo các phương pháp hình học và sử dụng các công thức lượng giác cơ bản ta dễ dàng
tính toán được tọa độ trọng tâm của các thanh nối trên hình vẽ
- tọa độ của trọng tâm thanh nối thứ nhất :
C
1
(2.1)
- tọa độ của trọng tâm thanh nối thứ hai
C
2
(2.2)
- tọa độ của trọng tâm thanh nối thứ ba
C
3
(2.3)
- tọa độ của trọng tâm thanh nối thứ tư
C
4
(2.4)
- tọa độ của trọng tâm thanh nối thứ năm
C
5
(2.5)
+ Phương trình động học thuận biểu diễn tọa độ 2 điểm tác động cuối E
1

và E
2
là :
Điểm tác động cuối E1
(2.6)
Điểm tác động cuối E2
(2.7)
21
Lời nói đầu
2.1.3 Thiết lập ma trận Jacobien .
-Thiết lập ma trận Jacobien J1 cho điểm tác động cuối E1 ( l=0 )
Hình 2.2. Tay máy thứ nhất của robot
Từ công thức (2.6) biểu diễn tọa độ của điểm tác động cuối E1 ta lấy đạo hàm tọa độ
điểm tác động cuối E1 theo thời gian ta được
(2.8)
Tiến hành rút gọn biểu thức ta có
22
Lời nói đầu
.
hoặc là
với
Trong đó
-Thiết lập công thức Jacobien J2 cho điểm tác động cuối E2 ( l = 0 )
23
Lời nói đầu
Hình 2.3 tay máy thứ 2 của robot
Tương tự nh trên , từ công thức (2.7) biểu diễn tọa độ điểm tác động cuối E2 ta lấy đạo
hàm tọa độ x và y theo thời gian ta được :
(2.9)
Rút gọn biểu thức ta có

24
Lời nói đầu
Biểu diễn dưới dạng ma trận ta có
.
(2-10)
Hoặc là
với
Trong đó
(2-12)
2.2. Phương trình động lực học
2.2.1 Nhiệm vụ và phương pháp phân tích động lực học
Nghiên cứu động lực học robot là giai đoạn cần thiết trong việc phân tích cũng
như tổng hợp quá trình điều khiển chuyển động. Trong nghiên cứu động lực học robot
thường giải quyết 2 nhiệm vụ sau đ©y :
+ Nhiệm vụ thứ nhất là xác định momen và lực động xuất hiện trong quá trình
chuyển động. Khi đó quy luật biến đổi của biến khớp (t) xem như đó biết.
+ Nhiệm vụ thứ hai là xác định các sai số động. Lóc này phải khảo sát các
phương trình chuyển động của cơ cấu tay máy đồng thời xem xét các đặc tính động lực
của động cơ truyền động.
Có nhiều phương pháp nghiên cứu động lực học robot nhưng thường dùng hơn cả
là phương pháp Lagrange bậc 2 vì ta sẽ được các phương trình động lực học ở dạng
vector ma trận, rất gọn nhẹ và thuận tiện cho việc nghiên cứu giải tích và tính tãan trên
máy tính.
25