Nghiên cứu cơ sở ban đầu về lý thuyết cơ cấu chấp hành song song và Hexapod

Chương 1:
TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ
1.1 Cơ điện tử là gì ?
Trong nền kinh tế toàn cầu hiện nay, quốc gia nào đưa ra được các sản
phẩm có sức cạnh tranh cao sẽ có được thị phần và cơ hội phát triển. Cơ điện
tử là một lĩnh vực chuyên môn kết nối đa ngành kỹ thuật cho phép tạo ra các
sản phẩm trí tuệ với giá thành ngày càng rẻ như thế. Sự phát triển của máy tính
và công nghệ phần mềm làm cho cơ điện tử trở thành một đòi hỏi cấp thiết của
những thập niên cuối thế kỷ 20. Sang thế kỷ 21, với những tiến bộ trong các hệ
thống cơ-điện-sinh học máy tính lượng tử, hệ thống pico và nano,… tương lai
của cơ điện tử sẽ đầy ắp triển vọng sáng sủa và tiềm năng.
Thuật ngữ cơ điện tử (mechatronic) ra đời ở Nhật Bản vào những năm
cuối thập niên 1960. Khi đó người ta coi cơ điện tử là một lĩnh vực công nghệ
liên ngành giữa cơ khí, điện/điện tử. Công nghệ này đã tạo ra nhiều sản phẩm
mới cũng như cung cấp một giải pháp tăng hiệu quả và tính năng của các máy
móc thông dụng trong đời sống con người. Từ đó đến nay cơ điện tử có sự
phát triển không ngừng và đóng vai trò quan trọng trong khoa học công nghệ,
nhất là khi kỹ thuật vi xử lý ra đời vào những năm 1970. Mặc dù vậy khái
niệm cơ điện tử không được thể hiện một cách rõ ràng và nhất quán trong các
tài liệu cũng như trong cách hiểu của mọi người. Nhiều người hiểu cơ điện tử
là một hệ thống gồm các phần cơ khí, điện, điện tử, máy tính, sensor,
actuator, Một số lại hiểu sản phẩm cơ điện tử là một thiết bị có thêm phần
điều khiển điện tử và phần mềm thay thế một phần chức năng của phần cơ khí
trước đây. Cách hiểu này dẫn đến suy nghĩ rằng cơ điện tử không có gì mới mà
chỉ đơn thuần là sự tập hợp các lĩnh vực khoa học công nghệ có sẵn. Trong khi
đó, nhiều sách về cơ điện tử có cấu trúc nhiều chương, mỗi chương lại nói về
một công nghệ riêng rẽ, càng làm người đọc hiểu cơ điện tử không phải là một
công nghệ thống nhất.
Hiểu cơ điện tử như thế là chưa đủ và chưa thấy hết bản chất của nó.
Trước hết phải hiểu cơ điện tử là một công nghệ thống nhất chứ không phải là
sự tập hợp đơn thuần của nhiều công nghệ khác nhau. Là một thể thống nhất

nên thiết kế các sản phẩm cơ điện tử phải là một thiết kế tối ưu, cộng năng của
1
các công nghệ khác nhau tạo nên một thiết bị, một hệ thống có sự kết hợp hữu
cơ như một cơ thể sống. Có nghĩa là phần cơ khí, phần điện tử, phần điều
khiển, phần mềm, sensor, actuator, v.v của một sản phẩm cơ điện tử là các
phần xương thịt của nhau, ảnh hưởng lẫn nhau. Do vậy cấu trúc của các công
nghệ khác nhau phải thay đổi để tạo nên một cấu trúc thống nhất trong một sản
phẩm.
Với quan niệm như thế, các chuyên gia trên thế giới đã đưa ra các định
nghĩa khác nhau về cơ điện tử. Bắt đầu từ định nghĩa đầu tiên về cơ điện tử
của Yasakawa Electric Company: “Từ mechatronics (cơ điện tử) được tạo
thành bởi “mecha” trong mechanism (máy móc) và “tronics” trong
electronics (điện tử). Nói cách khác, các công nghệ và sản phẩm phát triển sẽ
hợp nhất điện tử một cách mật thiết và hữu cơ ngày càng nhiều vào trong máy
móc, và làm nó không thể nói nơi một cái kết thúc và cái khác bắt đầu”. Sự
tiến bộ của công nghệ theo thời gian, nhất là sự phát triển của máy tính, khiến
cho định nghĩa cơ điện tử thay đổi. Năm 1996, Harashima, Tomizuka và
Fukada quan niệm cơ điện tử là “sự tích hợp của kỹ thuật cơ khí, cùng với
điện tử và điều khiển máy tính thông minh trong thiết kế và sản xuất các sản
phẩm và quá trình công nghiệp”. Theo Auslander và Kempf (1996): “cơ điện
tử là một ứng dụng của việc tạo quyết định liên hợp để điều hành các hệ thống
vật lý”. Và gần đây, W.Bolton đề xuất định nghĩa: “Một hệ thống cơ điện tử
không chỉ là sự kết hợp chặt chẽ các hệ thống cơ khí - điện và còn hơn cả một
hệ thống điều khiển; nó là sự tích hợp hoàn toàn của tất cả những thứ đó”. Tất
cả các định nghĩa và phát biểu trên đều chính xác và có giá trị nhưng chúng
không định nghĩa được hoàn toàn cơ điện tử. Hiện nay, thế giới tiếp tục có
những cố gắng để định nghĩa cơ điện tử, để phân loại các sản phẩm cơ điện tử
và để phát triển một chương trình giảng dạy cơ điện tử chuẩn. Tuy nhiên khó
có thể miêu tả hoàn thiện “cơ điện tử là gì”. Sự thiếu nhất trí đó là một tín hiệu
lành mạnh. Nó cho thấy lĩnh vực này đang tồn tại, có nghĩa đấy là một vấn đề

mới mẻ. Thậm chí khi không có định nghĩa thống nhất về cơ điện tử, các kỹ sư
cũng hiểu được nó từ những định nghĩa trên và từ việc bản thân họ chiêm
nghiệm được bản chất triết học của cơ điện tử qua thực tiễn. Các sản phẩm cơ
điện tử vẫn liên tục được ra đời trong vòng 30 năm qua bằng những xử lý tự
2
nhiên như thế. Mặc dù vậy cần thiết phải nghiên cứu cơ điện tử để cung cấp
một kỹ năng giúp mọi người hiểu và giải thích được quá trình thiết kế kỹ thuật
cũng như định nghĩa, phân loại, thiết lập và tích hợp nhiều khía cạnh kỹ thuật
trong sản phẩm cơ điện tử thống nhất.
1.2 Lịch sử phát triển của cơ điện tử
Việc cố gắng để xây dựng một hệ thống cơ khí tự động đã có từ rất lâu.
Các ứng dụng của điều khiển tự động xuất hiện ở Hy Lạp từ những năm 300
đến năm thứ nhất trước CN, với sự phát triển của cơ cấu điều chỉnh bằng phao.
Ví dụ như đồng hồ nước của Ktesibios và đèn dầu của Philon. Đến giữa thế kỷ
17 và 19, ở Châu Âu, nhiều máy móc quan trọng được tạo ra mà sau này tham
gia vào cơ điện tử. Cornelis Drebbel (Hà Lan, 1572-1633) nghĩ ra máy điều
chỉnh nhiệt độ được xem là hệ thống có phản hồi đầu tiên. Sau đó, Dennis
Papin (1647-1712) sáng chế ra cơ cấu điều chỉnh an toàn áp suất nồi hơi vào
năm 1681. Máy tính cơ khí đầu tiên được tạo ra bởi Pascal vào năm 1642.
Sự phát triển xa hơn trong tự động hóa được thúc đẩy bởi lý thuyết điều
khiển tự động với khởi nguồn là máy điều tốc ly tâm của Watt vào năm 1769
(hình 1.1). Máy điều tốc ly tâm dùng để điều chỉnh tốc độ của động cơ hơi
nước. Nó dùng phép đo tốc độ của trục đầu ra và sử dụng sự chuyển động của
quả văng để điều chỉnh van, do đó lượng hơi nước vào động cơ được điều
chỉnh. Đây là một thí dụ về hệ thống điều khiển có phản hồi mà tín hiệu phản
hồi và cơ cấu chấp hành điều khiển được ghép hoàn toàn trong phần cứng cơ
khí.
3
Hình 1.1: Máy điều tốc ly tâm của Watt
Đến thế kỷ 19, hàng loạt các phát minh ra đời. Tiền thân của máy điều

khiển số (NC) xuất hiện đầu thế kỷ 19 với điều khiển feed-forward khung dệt
của Joseph Jacquard (Pháp). Vào thập niên 1830, Michael Faraday miêu tả
định luật cảm ứng là nền tảng của động cơ điện và máy phát điện. Sau đó, vào
những năm cuối thập niên 1880, Nikola Tesla phát minh ra động cơ điện xoay
chiều. Ý tưởng cơ bản của việc điều khiển hệ thống cơ khí một cách tự động
được thiết lập vững chắc vào cuối thế kỷ 19. Sự phát triển của tự động tăng lên
nhanh chóng trong thế kỷ 20.
Sự tiến triển của phần tử điều khiển khí nén vào những năm 1930 đã tìm
được ứng dụng trong công nghiệp. Suốt thập niên 1940, sự tiến bộ trong
phương pháp giải tích và toán học củng cố khái niệm kỹ thuật điều khiển như
là môn học kỹ thuật độc lập. Thế chiến thứ 2 đem đến những bước tiến trong
lý thuyết và thực tiễn của điều khiển tự động nhằm thiết kế và xây dựng hệ
thống dẫn đường máy bay tự động, hệ thống súng – vị trí, hệ thống điều khiển
anten rađa, và các hệ thống quân sự khác. Sự phức tạp của các hệ thống quân
sự này mở ra các công nghệ điều khiển và cổ vũ sự quan tâm điều khiển hệ
thống. Thập niên 1950, sự phát minh ra cam, các liên kết, và xích xe trở thành
những công nghệ chính cho việc tìm ra các sản phẩm mới cũng như sản xuất,
lắp ráp với độ chính xác tốc độ cao. Sự phát minh ra bộ vi xử lý trong những
năm cuối thập niên 1960 mang lại hình thái của điều khiển bằng máy tính
trong xử lý và thiết kế sản phẩm.
Những thành tựu trong sản xuất bán dẫn và mạch tích hợp (IC) đem đến
sự tiến bộ của một lớp các sản phẩm mới kết hợp chặt chẽ cơ khí và điện tử
trong hệ thống đồng thời yêu cầu cả hai gắn chặt chức năng của chúng. Thuật
ngữ cơ điện tử được đưa ra bởi Yasakawa Electric Company vào năm 1969 để
giới thiệu các hệ thống như thế . Yasakawa đăng ký độc quyền thuật ngữ này
vào năm 1972, nhưng sau đó để dùng rộng rãi trên thế giới, thuật ngữ đó được
phổ biến vào năm 1982. Ban đầu, cơ điện tử dùng để chỉ các hệ thống chỉ có
các thành phần cơ khí và điện tử – không yêu cầu sự tính toán. Ví dụ như của
trượt tự động, máy bán hàng tự động, hệ thống mở của nhà để ô tô.
4

Vào cuối thập niên 1970, Hội xúc tiến công nghiệp máy của Nhật (the
Japan Society for the Promotion of Machine Industry – JSPMI) phân chia sản
phẩm cơ điện tử thành 4 loại:
1. Loại I: Các sản phẩm cơ khí là chính với sự kết hợp của điện tử
để nâng cao chức năng. Ví dụ như các công cụ máy được điều
khiển số hoá và điều chỉnh tốc độ biến thiên trong máy sản xuất.
2. Loại II: Các hệ thống cơ khí truyền thống với sự hiện đại hoá đặc
biệt các thiết bị bên trong bằng việc kết hợp điện tử. Giao diện
người dùng bên ngoài không đổi. Ví dụ như máy khâu hiện đại và
các hệ thống sản xuất được tự động.
3. Loại III: Các hệ thống giữ lại chức năng của hệ thống cơ khí
truyền thống nhưng máy móc bên trong được thay thế bằng điện
tử. Ví dụ như đồng hồ số hóa.
4. Loại IV: Các sản phẩm được thiết kế với các công nghệ cơ khí và
điện tử tích hợp hỗ trợ nhau. Ví dụ như máy photocopy, máy làm
khô và rửa thông minh, nồi cơm điện, và lò tự động.
Các công nghệ cho mỗi loại sản phẩm cơ điện tử minh họa sự tiến bộ
của các sản phẩm cơ - điện với bước dài của những sự phát triển lý thuyết điều
khiển, các công nghệ tính toán, và các bộ vi xử lý. Các sản phẩm loại I dùng
công nghệ servo, điện tử công suất, lý thuyết điều khiển. Các sản phẩm loại II
dùng khả năng của các thiết bị nhớ vào tính toán, khả năng thiết kế mạch theo
đơn đặt hàng. Các sản phẩm loại III dựa vào bộ vi xử lý và các mạch tích hợp
thay thế các hệ thống cơ khí. Cuối cùng, các sản phẩm loại IV đánh dấu sự bắt
đầu của hệ thống cơ điện tử thực sự, thông qua sự tích hợp các hệ thống cơ khí
và điện tử. Đến tận những năm 1970 với sự phát triển bộ vi xử lý của Intel thì
việc kết hợp hệ thống máy tính với hệ thống cơ khí mới trở nên thực tế.
Sang thập niên 1980, công nghệ thông tin được hình thành thì các bộ vi
xử lý được nhúng vào trong các hệ thống cơ khí để nâng cao tính năng của hệ
thống. Máy công cụ điều khiển số và robot trở nên hoàn hảo hơn, trong khi đó
các ứng dụng trong ôtô như hệ thống điều khiển động cơ điện tử và hệ thống

phanh chống bó cứng được dùng rộng rãi.
5
Trong thập niên 1990, công nghệ truyền thông được đưa vào các sản
phẩm cơ điện tử làm chúng có khả năng kết nối trong mạng rộng. Sự phát triển
này mang đến những chức năng mới như điều khiển cánh tay robot từ xa.
Trong thời gian này, các công nghệ sensor và actuator mới, nhỏ hơn – thậm
chí cấp độ micro –được dùng ngày càng nhiều trong các sản phẩm mới. Hệ
thống vi cơ-điện như vi gia tốc kế silicon dùng để khởi động túi khí ôtô là một
ví dụ mới nhất.
Sự phát triển của cơ điện tử đến giai đoạn này tạo nên một hệ nhất quán
và là một giai đoạn phát triển về chất chứ không đơn thuần chỉ là sự phát triển
rầm rộ về số lượng. Máy tính và các chíp vi xử lý đó mạnh và rẻ để có thể
nhúng vào các sản phẩm cùng với các công nghệ cao khác như sensor,
actuator, công nghệ phần mềm, công nghệ điều khiển số hiện đại cho ra
những sản phẩm thông minh. Các chức năng của máy móc và hệ thống kỹ
thuật hiện nay phụ thuộc chủ yếu vào phần mềm có thể là một thuật toán,
mạng nơron, hệ mờ trong máy tính của sản phẩm. Như vậy cơ điện tử là một
công nghệ tổng hợp ngày càng nhiều các công nghệ khác trong nó để có thể có
được các sản phẩm ngày càng hoàn hảo hơn.
1.3 Xu hướng phát triển của cơ điện tử
Xu thế phát triển của cơ điện tử là tích hợp trong đó ngày càng nhiều
công nghệ cao, trí tuệ của sản phẩm ngày càng thông minh hơn và kích thước
ngày càng nhỏ hơn.
Một số công nghệ mới đóng vai trò quan trọng trong các sản phẩm và hệ
thống cơ điện tử trong thời gian tới là công nghệ mạng máy tính nhúng và
công nghệ vật liệu mới. Với công nghệ mạng máy tính nhúng, các sản phẩm
cơ điện tử sẽ có chức năng hội thoại và hợp tác phối hợp thực hiện được nhiều
nhiệm vụ có độ phức tạp cao hoặc đồng thời ở nhiều địa điểm trên diện rộng.
Công nghệ vật liệu mới cho ta nhiều vật liệu có đặc tính như điều khiển được
hoặc có khả năng biến dạng để chế tạo các cơ cấu chấp hành hoặc cấu trúc cơ

khí không gian 3 chiều phong phú cho các sản phẩm cơ điện tử.
Công nghệ micro/nano nhằm thu nhỏ các thiết bị máy móc xuống kích
thước của phân tử cho các sản phẩm công nghệ trong tương lai. Với việc điều
khiển chính xác các nguyên tử và phân tử, con người có thể chế tạo ra các cảm
6
biến mới, các vật liệu nhân tạo thông minh, bộ nhớ có dung lượng terabyte
(10
12
byte), các robot/máy kích thước micro, các hệ thống thông minh cực nhỏ
v.v… Tuy nhiên công nghệ nano còn nhiều thách thức mà hiện nay con người
chưa giải quyết được. Sự hiểu biết cơ chế hoạt động, điều khiển ở kích thước
nano còn chưa hoàn hảo, công nghệ điều khiển nano còn chưa phát triển. Các
nghiên cứu về micro/nano mechatronics mới đang ở giai đoạn đầu.
7
Các hệ thống cơ khí thuần
tuý
Các hệ thống cơ khí với
truyền động điện
Các hệ thống cơ khí với điều
khiển tự động
mô tơ một chiều (1870)
mô tơ xoay chiều (1889)
<1900
động cơ hơi nước 1860
máy phát điện 1870
bơm tuần ho n 1880à
động cơ đốt 1880
máy chữ cơ khí
máy công cụ
bơm

1920
rơle, sôlênôit
khuếch đại điện, thuỷ lực, khí
nộn
bộ điều chỉnh PI
(1930)
1935
máy chữ điện
Các hệ thống cơ khí với
- điều khiển điện tử (tương
tự)
- điều khiển dãy
1955
transistor (1948)
thyristor (1955)
tua bin hơi nước
máy bay
thang máy điều khiển
bằng điện tử
Các hệ thống cơ khí với
- điều khiển số liên tục
- điều khiển dãy – số
1975
máy tính số hóa
(1955)
máy tính xử lý
(1959)
phần mềm thời gian thực (1966)
máy vi tính (1971)
tự động hóa phân quyền số (1975)

Các hệ thống cơ điện tử
- tích hợp: phần cứng cơ khí &
điện tử
- phần mềm xác định chức năng
- công cụ thiết kế mới cho kỹ
thuật đồng thời
- các khả năng điều phối
1985
bộ vi điều chỉnh (1978)
máy tính cá nhân (1980)
hệ thống process/fieldbus
các cơ cấu điều khiển, cảm biến
mới
sự tích hợp các th nh phà ần
công cụ máy
robot công nghiệp
dây truyền công nghiệp
truyền động đĩa
robot di động
CIM
phương vị từ
điều khiển ôtô (ABS, ESP)
Chiều
tăng
truyền
động
điện
Chiều
tăng điều
khiển tự

động
Chiều
tăng tự
động hóa
với máy
tính quá
trình v à
sự thu
nhỏ
Chiều
tăng sự
tích hợp
của xử lý
v máy vià
tính
Lịch sử phát triển của các hệ thống cơ khí, điện, điện tử
Hình 1.2: Lịch sử phát triển của các hệ thống cơ khí, điện v à điện tử
Xu thế nhỏ hóa các thiết bị máy móc đang là xu hướng tiến hóa các sản
phẩm ở hầu hết các sản phẩm công nghiệp như các thiết bị điện tử gia dụng
(máy điều hoà, lò vi sóng, máy giặt, ), các thiết bị truyền thông, các thiết bị y
tế, các phương tiện giao thông, các hệ thống điều khiển, các dây chuyền công
nghệ Sự phát triển của công nghệ vi điện tử ngày càng nhỏ với chức năng
ngày càng mạnh và giá thành ngày càng rẻ cho thấy khả năng phát triển của
các sản phẩm nhỏ gọn và có nhiều tính năng phong phú, vượt trội.
Xu thế thông minh hóa các sản phẩm cơ điện tử được thể hiện ở việc
phát triển trí thông minh cho các sản phẩm. Các nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo,
mạng nơron, hệ chuyên gia, giải thuật gen, các phương pháp xử lý song song
đang là hướng nghiên cứu thời sự cho các hệ điều khiển thông minh áp dụng
cho các sản phẩm cơ điện tử tương lai. Và với việc xử lý trong thời gian thực
các tín hiệu của cảm biến âm thanh, hình ảnh, tiếng nói, các cảm biến tiếp xúc

như lực, mômen v.v… sẽ tạo ra các sản phẩm cơ điện tử có khả năng đối thoại
và tự suy diễn, ra quyết định, tự thích nghi với môi trường như những sinh vật
sống.
1.4 Bản chất kỹ thuật hệ thống cơ điện tử
Mặc dù không thống nhất trong việc tìm ra định nghĩa chính thức về cơ
điện tử nhưng tất cả các định nghĩa trên đều đồng ý rằng cơ điện tử là một lĩnh
vực liên ngành, với các chuyên ngành như sau (Hình 1.3):
8
Công nghệ
thông tin
Cơ khí
Điện tử
Cơ điện tử
Hình 1.3 Cơ điện tử trong mối quan hệ với điện
tử, cơ khí v công nghà ệ thông tin
• Các hệ thống cơ khí (các phần tử cơ khí, máy móc, cơ học chính
xác);
• Các hệ thống điện tử (vi điện tử ,điện tử công suất, công nghệ cảm
biến và điều khiển).
• Công nghệ thông tin (lý thuyết hệ thống, kỹ thuật tự động, công
nghệ phần mềm, trí tuệ nhân tạo).
Nếu nhìn trên mô hình 1.3, người ta dễ lầm tưởng hệ thống cơ điện tử
chỉ là sự tích hợp của 3 chuyên ngành là cơ khí, điện tử và công nghệ thông
tin. Đó cũng là quan niệm thủa ban đầu về cơ điện tử. Giờ đây các ngành công
nghệ đó xích lại gần nhau, giao nhau và tạo ra các liên ngành mới. Cơ khí và
điện tử đó gắn kết với nhau tạo nên các chuyên ngành đo lường, điều khiển,
điều chỉnh, cảm biến. Điện tử và công nghệ thông tin liên kết tạo thành chuyên
ngành kỹ thuật tính toán quá trình. Công nghệ thông tin và cơ khí giao nhau
tạo nên chuyên ngành mô hình hóa. Khi đó cần phải hiểu lĩnh vực cơ điện tử
như trên Hình 1.4.

Có thể thấy nếu hiểu cơ điện tử chỉ là sự kết hợp đơn thuần của 3 ngành
cơ khí, điện – điện tử, công nghệ thông tin thì biên dạng của lĩnh vực cơ điện
tử chỉ là 3 điểm rời rạc. Và như thế lĩnh vực cơ điện tử không thể tách riêng ra
thành một chuyên ngành độc lập. Người ta cũng không thể thấy sự thống nhất
trong cơ điện tử mà trong sự thống nhất đó các yếu tố cơ khí, điện – điện tử và
công nghệ thông tin phải gắn kết với nhau, tác động qua lại hữu cơ với nhau
tạo thành “cơ thể sống” cơ điện tử. Như vậy cơ điện tử đầy đủ phải như trên
mô hình 1.4. Ở đó, với sự tham gia của đo lường, điều khiển, điều chỉnh, cảm
biến, kỹ thuật tính toán quá trình, mô hình hóa; cơ điện tử mới có một biên
dạng khép kín. Và khi đó cơ điện tử mới tách ra khỏi các chuyên ngành, công
nghệ trên trở thành một chuyên ngành, công nghệ độc lập. Việc các chuyên
ngành cơ khí, điện – điện tử, công nghệ thông tin biến đổi và kết hợp với nhau
tạo nên phần xương thịt hưu cơ trong cơ điện tử. Ở trong “cơ thể sống” đó tồn
tại 3 dòng “máu” lưu thông: dòng lưu thông vật chất, dòng lưu thông năng
lượng, dòng lưu thông thông tin.
9

1.4 Kết luận
Tóm lại, trong chương đầu tiên này, chúng ta đã có được cái nhìn đầu
tiên về cơ điện tử. Quan niệm, lịch sử phát triển cũng như xu hướng tương lai
của nó.
Cơ điện tử là một lĩnh vực tự nhiên trong quá trình tiến hóa của kỹ thuật
hiện đại. Mặc dù chưa có một định nghĩa hoàn thiện về cơ điện tử nhưng trong
thực tế nó không cần thiết. Có thể hiểu cơ điện tử là sự tích hợp đa ngành kỹ
thuật trong đó có 3 ngành chính là cơ khí, điện - điện tử và công nghệ thông
tin.
Như đã thấy cơ điện tử đã đi vào cuộc sống và sản xuất với ngày càng
nhiều công nghệ được tích hợp trong nó. Có thể nói tương lai của cơ điện tử
đang mở rộng và nó đang và sẽ chiếm vị trí quan trọng trong công nghệ mai
sau.

10
Hình 1.6: Cơ điện tử – một lĩnh vực chuyên môn kết nối đa ng nh kà ỹ thuật
Chương 2:
GIỚI THIỆU VỀ ROBOT
2.1 Robốt là gì? Lịch sử phát triển của robot.
Định nghĩa: Robot là cơ cấu chấp hành đa chức năng tái lập trình, được
thiết kế để chuyển tải vật tư, công cụ hoặc các thiết bị chuyên biệt, thông qua
các chuyển động được lập trình để thực hiện các tác vụ khác nhau. Định nghĩa
này bao gồm các cơ cấu chấp hành, các tay máy điều khiển số, các máy di
chuyển, và người máy của khoa học viễn tưởng.
Lịch sử phát triển: Thuật ngữ robot xuất hiện vào năm 1923, nhưng sự
phát triển của robot công nghiệp chỉ bắt đầu vào cuối những năm 1940. Robot
công nghiệp ban đầu được dùng để chuyển tải các vật liệu nguy hiểm, được
dùng trong thám hiểm không gian, và sau đó được dùng trong tự động hoá linh
hoạt. Cuối năm 1940, cơ cấu chấp hành chính phụ xuất hiện được dùng để
chuyển tải các vật liệu phóng xạ. Cơ cấu chính được người hướng dẫn thao tác
cơ cấu phụ sao chép chuyển động của cơ cấu chính tại vị trí xa. Sự hồi tiếp lực
có thể phối hợp để công nhân có thể nhận biết các tín hiệu tải của cơ cấu phụ.
Vào cuối năm 1950, cơ cấu lập trình bắt đầu xuất hiện và được cải tiến
liên tục. Đặc tính quan trọng của robot công nghiệp là phối hợp bộ điều khiển
dựa trên máy tính hoặc bộ vi xử lý với các cảm biến hồi tiếp để đạt được khả
năng lập trình đa chức năng. Vào cuối năm 1960, cơ cấu chấp hành robot được
trang bị hệ thống thị giác và các bộ cảm biến đặc biệt có tính năng mô phỏng
thị giác của con người, chúng có khả năng thực hiện các công đoạn lắp ráp của
con người.
Trong những năm 80 robot công nghiệp đã có bước phát triển mạnh mẽ,
do các yêu cầu cao về tự động linh hoạt và kinh tế trong thám hiểm không gian
và công nghiệp ôtô. Vào đầu những năm 90, nhiều công ty ở Bắc Mỹ, Châu
Âu Nhật đã sử dụng rộng rãi robot trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.
Trong những năm gần đây robot công nghiệp chủ yếu được dùng cho

các thao tác lặp lại nhiều lần và trong các môi trường nguy hiểm. Các thao tác
lặp lại nhiều lần bao gồm chuyển tải vật tư, xếp dỡ các chi tiêt máy lắp ráp các
bộ phận thành cụm máy. Các ứng dụng trong môi trương nguy hiểm bao gồm
11
chuyển tải vật liêu phóng xạ, thám hiểm không gian và đáy biển, hàn điểm
phun sơn… Ngoài ra robot còn đựơc dùng trong xây dựng các thiết bị bay và
di chuyển không người lái tại những địa hình phức tạp các máy khai thác mỏ,
các cụm gia công thông minh. Trong những năm gần đây xu hướng là chế tạo
các robot thông minh và thân thiện với con người, kể cả robot giải phẫu y
khoa, giúp việc nhà…Mặc dù có nhiều nỗ lực để phát triển robot thông minh,
nhưng các loại robot có thể mô phỏng nhiều chức năng của con người vẫn còn
những hạn chế nhất định, do đòi hỏi sự phát triển của công nghiệp về trí tuệ
nhân tạo.
2.1.1 Robot chuỗi
Các Robot chuỗi hiện là các Robot công nghiệp phổ biến nhất. Thông
th−ờng chúng có cấu trúc t−ơng tựng cánh tay ng−ời tức là một chuỗi liên tục
các liên kết đ−ợc nối với nhau bằng các khớp (chủ yếu là các khớp xoay và
th−ờng đ−ợc gọi là các khớp bả vai, khớp khuỷu tay và khớp cổ tay). Ưu điểm
chính của loại Robot này là khoảng không gian làm việc lớn sơ với kích th−ớc
của bản thân chúng. Nh−ợc điểm chính của chúng là: độ cứng vững thấp do có
cấu trúc động học hở, các sai số đ−ợc tích luỹ, ảnh h−ởng và bị khuyếch đại từ
liên kết này sang liên kết khác, chúng phải đỡ và di chuyển các cơ cấu chấp
hành có khối l−ợng lớn và do vậy chúng có hiệu suất tải t−ơng ứng thấp.
12
Hình 2.1 Cấu trúc tiêu biểu của một Robot chuỗi
Hình 2.2 Robot PUMA Hình 2.3 Robot SCARA Hình 2.4 Robot T3
Một số Robot chuỗi đ−ợc giới thiệu trong các Hình 2.2, Hình 2.3 và
Hình 2.4.
Thông th−ờng cần có 6 bậc tự do để đặt một vật vào vị trí và h−ớng
đúng theo yêu cầu vào trong khoảng không gian phục vụ của Robot nên rất

nhiều Robot chuỗi có 6 khớp nối (Hình 2.1). Tuy nhiên, các Robot th−ờng
đ−ợc thiết kế cho các mục tiêu và ứng dụng nhất định, ví dụ, trong công
nghiệp lắp ráp: Robot cầm một sản phẩm từ một bộ cấp sản phẩm và đ−a sản
phẩm vào vị trí lắp đặt của nó trong dây chuyền lắp ráp. Công việc này th−ờng
chỉ yêu cầu 4 bậc tự do. Với mục đích này, các Robot chuyên dụng đ−ợc thiết
13
kế và chế tạo và đ−ợc gọi là dạng SCARA (Selective Compliance Assembly
Robot Arm).
2.1.2 Robot song song
Một Robot song song bao gồm một đế cố định (Fixed Base Platform)
đ−ợc nối với bệ di động cuối (End Effector Platform) bằng một số chân. Các
chân này th−ờng bao gồm một cơ cấu chấp hành khớp tr−ợt tịnh tiến, nối với
đế cố định và bệ di động bằng các khớp cầu hoặc khớp các đăng là các khớp bị
động (khớp không có cơ cấu chấp hành, dùng để tạo kết cấu Robot và giữ vai
trò là các ràng buộc). Do đó, các chân chỉ chịu các lực kéo hoặc nén, không có
tác động của moment xoắn nên làm tăng độ chính xác và cho phép kết cấu
Robot đ−ợc nhẹ hơn. Các cơ cấu chấp hành tại các khớp tr−ợt có thể đ−ợc lắp
đặt trên đế cố định hoặc các vị trí có độ di chuyển, vận tốc và gia tốc nhỏ do
vậy khối l−ợng của chúng không phải di chuyển hoặc di chuyển rất ít và làm
cho các lực tác dụng vào Robot và các cơ cấu chấp hành giảm cũng nh− cấu
trúc của Robot song song càng nhẹ hơn. Nhìn chung, các tay máy song song
có độ cứng vững kết cấu cao do bệ di động cuối đ−ợc đỡ đồng thời tại một số
điểm. Tất cả các tính năng này làm cho các Robot song song có khả năng cơ
động cao. Nh−ợc điểm chủ yếu của loại Robot song song là khoảng không
gian làm việc của chúng do các chân có thể chạm nhau và các khớp liên kết
của chúng cũng có các giới hạn động học.
Hình 2.5 Buồng tập lái máy bay trên bệ Hexpod Hình 2.6
14
Hình 2.7 Một số dạng Hexapod
Tr−ớc đây, ứng dụng chủ yếu của loại Robot này là đ−ợc sử dụng trong

thiết bị mô phỏng buồng tập lái máy bay hoặc lái xe (Hình 2.5). Chúng cũng
rất hữu dụng trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ và độ chính xác cao trong khi
yêu cầu về khoảng không gian làm việc có thể giới hạn (lắp đặt các bảng mạch
in), trong các máy phay tốc độ và độ chính xác cao. Các ví dụ trên đ−ợc gọi là
các tay máy song song hoàn toàn do mỗi chân chỉ có một khớp chủ động
(khớp đ−ợc cơ cấu chấp hành dẫn động). Các Robot song song hoàn toàn có
hai khớp tr−ợt chéo nhau th−ờng đ−ợc gọi là các mô hình Stewart, tên của
ng−ời đầu tiên đ−a ra một ứng dụng của Robot song song để mô phỏng buồng
tập lái máy bay. Các thiết kế Robot song song hoàn toàn cũng đ∙ đ−ợc sử dụng
vài năm tr−ớc trong các máy thử tải lốp xe đ−ợc Gough ghi nhận. Do vậy,
ng−ời ta th−ờng gọi tên mô hình Stewart-Gough để chỉ cả hai dạng trên, và
chúng thông th−ờng có ít nhất là 6 chân (có 6 bậc tự do - Hình 2.6) nếu không
thì chúng không ổn định (có thể chuyển động ngay cả khi chiều dài chân
không thay đổi)
Hình 2.8 Một số mô hình Hexapod đ−ợc sử dụng trong công nghiệp
2.1.3 Robot lai ghép (Hybrid Robot)
15
Ngoài hai dạng Robot chính là Robot chuỗi và Robot song song, ng−ời
ta cong phát triển loại Robot kết hợp cả hai dạng trên trong một hệ thống
Robot chung và tạ thành Robot lai ghép. Đặc điểm nổi bật của dạng Robot này
bao gồm khoảng không làm việc lớn và độ linh hoạt cao hơn so với loại Robot
song song hoàn toàn và cũng cứng vững hơn so với loại Robot chuỗi. Hình 2.9
giới thiệu một loại Robot lai ghép 24-DOF đ−ợc phát triển để làm việc trong
các nhà máy nguyên tử có tên là Logabex.
Hình 2.9 Mô hình Robot lai ghép 24-DOF (Logabex)
Các dạng Robot lai ghép đ−ợc cấu hình trực tiếp từ các chuỗi động học
song song và chuỗi, chúng bao gồm:
- Cơ cấu song song ghép với cơ cấu song song: Hai hệ thống song song
nối với nhau theo chuỗi. Cấu trúc này cứng vững hơn Robot chuỗi
song động học thuận và ng−ợc của chúng rất phức tạp.

- Cơ cấu chuỗi ghép với cơ cấu song song: Một hệ thống song song gắn
trên một cơ cấu chuỗi. Loại Robot này tổng hợp đ−ợc −u điểm về
khoảng không làm việc lớn và độ linh hoạt cao của cơ cấu chuỗi thứ
nhất lần độ cứng vững cao và độ chính xác vị trí của cơ cấu song song
thứ hai.
- Cơ cấu song song ghép với cơ cấu chuỗi: Một tay máy cơ cấu chuỗi
gắn trên một hệ thống cơ cấu song song. Một Robot 6-DOF có thể
đ−ợc cấu tạo từ một cơ cấu chuỗi 3-DOF gắn trên bệ di động của một
cơ cấu song song 3-DOF khác. Bằng cách tính toán và điều khiển riêng
biệt sau đó tổng hợp với nhau, động học của hệ thống này đ−ợc xác
định và tính toán rất đơn giản.
2.1.4 Robot di động
16
Hình 2.10 Robot di động bằng bánh xe Hình 2.11 Robot di động bằng chân
Có thể nói rằng, các Robot di động thực chất là các ôtô hay xe tự động,
tức là các bánh xe có hai bậc tự do: hai bánh xe chấp hành hoạt động độc lập
(Bánh xe chủ động quay tiến/lùi để di chuyển và bánh xe lái để chuyển h−ớng)
hoặc hai chuyển động đ−ợc ghép trong cùng một bánh. Các Robot di động
th−ờng đ−ợc dùng để vận chuyển vật t−, vật liệu trên nền nhà do vậy có thể
mô phỏng và thiết lập số bậc tự do cho dạng này theo mô hình phẳng. Các xe
thám hiểm ngoài trời di chuyển trên các địa hình phức tạp sẽ cần các khả năng
chuyển động cảm biến không gian, địa hình 3 chiều (Hình 2.10). Các Robot di
động bằng chân (Legged Locomotion) cho phép rời rạc hoá việc tiếp xúc với
mặt đất theo các điểm (Robot di động bằng bánh xe tiếp xúc mặt đất theo các
đ−ờng liên tục) làm cho loại Robot này có −u thế trên các địa hình phức tạp,
gồ ghề và không liên tục (Hình 2.11).
2.1.5 Robot dạng ng−ời
Một Robot đ−ợc gọi là dạng ng−ời nếu nó có hình dạng bề ngoài nhìn
giống nh− con ng−ời. Từ khi Karel Capek đ−a ra từ Robot để chỉ ng−ời/máy
phục vụ có nguồn gốc từ ng−ời thực (là sản phẩm của công nghệ gen chứ

không phải là sản phẩm của các kỹ s− cơ điện tử: đ−ợc chế tạo từ các gen đ∙ bị
loại bỏ tất cả các yếu tố cảm xúc của con ng−ời) nên từ Robot ban đầu đ−ợc sử
dụng chung để chỉ các thiết bị, máy móc có hình dạng giống ng−ời, có trí
thông minh và rất khéo léo. Tuy nhiên hiện nay, ngành Robot học đ∙ trở thành
một chuyên ngành kỹ thuật thực sự, bắt đầu từ sau Chiến tranh Thế Giới II và
trong suốt một thời gian dài nó chủ yếu giới hạn trong các dạng tay máy đơn
giản sử dụng trong ngành công nghiệp chế tạo và nguyên tử.
Chỉ trong khoảng một thập kỷ trở lại đây, trình độ phát triển của kỹ thật
công nghệ đ∙ giúp cho việc chế tạo Robot dạng ng−ời trở thành hiện thực. Một
Robot đ−ợc gọi là dạng ng−ời nếu nó có 2 chân, hai tay và một đầu (Hình
17
2.12) và sử dụng các thành phần đó theo cách của con ng−ời: chân để đi, tay
để cầm, đầu để "nhìn" và "nghe".
Hình 2.12 Robot dạng người ASIMO của hãng HONDA (Nhật Bản)
Trên quan điểm cơ học, Robot dạng ng−ời khác với các cấu trúc Robot
chuỗi hay song song do cấu trúc chuỗi động học hình cây (từ một liên kếp này
đến một liên kết khác chỉ có thể di theo một chuỗi duy nhất) do vậy dây có thể
coi là sự mở rộng đơn giản của cấu trúc chuỗi và mức độ phức tạp trong thuật
toán mô hình hoá và điều khiển chỉ tăng lên một chút.
2.1.6 Robot tái cấu trúc
Một hệ thống chế tạo công nghiệp tự động th−ờng gồm nhiều thiết bị
gia công và vận chuyển vật liệu nh− máy CNC, Robot, cấp phôi, giá đỡ. Các
thiết bị này th−ờng đ−ợc chế tạo chuyên dùng với mục đích phục vụ một công
việc nhất định khi sản phẩm chế tạo trong dây chuyền không thay đổi. Các
thay đổi nhất định đ−ợc thực hiện bằng cách thay đổi các ch−ơng trình điều
khiển và mất nhiều thời gian và cũng ít có hiệu quả kinh tế khi sửa đổi chúng
về mặt két cấu cơ khí để thực hiện một công việc khác hay khi dây chyền cần
gia công chế tạo một sản phẩm khác. Khi đó, việc không có khả năng thay đổi
nhanh nh− sự thay đổi của thị tr−ờng sẽ là một nh−ợc điểm của các thiết bị gia
công này. Các thiết bị có khả năng tái cấu trúc (có thể tạo ra một thiết bị có

18
cấu hình mới từ các thành phần của một thiết bị đ∙ có) là một trong những lời
giải của bài toán trên.
Hình 2.13 Các modul khớp bị động Hình 2.14 Các modul liên kết
Hình 2.15 Modul bệ di động cuối Hình 2.16 Các modul cơ cấu chấp hành
Một tay máy Robot tái cấu trúc (Hình 2.17, Hình 2.18) bao gồm một số
các module tiêu chuẩn (cơ cấu chấp hành - Hình 2.16, khớp nối - Hình 2.13,
liên kết - Hình 2.14, bệ di động - Hình 2.15) mà có thể đ−ợc sử dụng lại để
ghép lại thành một Robot mới có các chức năng mới theo một cấu hình khác.
Với một số l−ợng nhỏ các loại module, một Robot tái cấu trúc có thể đ−ợc
nhanh chóng thiết kế, chế tạo với cấu hình đơn giản, khả năng chịu tải lớn và
tiêu hao ít năng l−ợng do vậy có thể thực hiện các công việc có hiệu quả hơn.
Hình 2.17 Mô hình Robot PUMA và SCARA với các modul tái cấu trúc
19
Để điều khiển các Robot tái cấu trúc cho một ứng dụng cụ thể, cần xác
định lại các mô hình động học, động lực học để kiểm tra các ràng buộc của các
khớp và cơ cấu chấp hành cuối đạt đ−ợc các vị trí và góc xoay theo yêu cầu.
Tuy nhiên, việc xác định các mô hình trên cho một hệ thống Robot dạng cấu
hình lại là rất khó khăn do Robot không có một cấu hình đ∙ đ−ợc xác định
tr−ớc nên sẽ có rất nhiều ph−ơng án về hình học và số bậc tự do của hệ.
Hình 2.18 Một số dạng Robot tái cấu trúc
2.1.7 Một số −u nh−ợc điểm của Robot song song
Nhìn chung, tất cả các loại Robot cơ cấu song song đều có nhiều −u
điểm và có thể đ−ợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, có thể kể đến những thế
mạnh của Rôbốt cơ cấu song song nh−:
- Khả năng chịu tải cao, vận tốc và gia tốc lớn: các thành phần cấu tạo
nhỏ hơn nên khối l−ợng của các thành phần cũng nhỏ hơn.
- Độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng:
+ Tất cả các lực tác động đồng thời đ−ợc chia sẻ cho tất cả các chân.
+ Cấu trúc động học một cách đặc biệt của các khớp liên kết cho phép

chuyển tất cả các lực tác dụng thành các lực kéo/nén của các chân.
- Có thể thực hiện đ−ợc các thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính
xác cao: với cấu trúc song song, sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc
trục của các cụm cơ cấu chân riêng lẻ và các sai số không bị tích luỹ.
- Có thể thiết kế ở các kích th−ớc khác nhau.
- Đơn giản hoá các cơ cấu máy và giảm số l−ợng phần tử do các chân và
khớp nối đ−ợc thiết kế sẵn thành các cụm chi tiết tiêu chuẩn.
20
- Cung cấp khả năng di động cao trong quá trình làm việc do có khối
l−ợng và kích th−ớc nhỏ gọn.
- Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền.
- Tầm hoạt động của Rôbốt cơ cấu song song rất rộng từ việc lắp ráp các
chi tiết cực nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp
đòi hỏi độ chính xác cao nh−: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp
- Các Rôbốt cơ cấu song song làm việc không cần bệ đỡ và có thể di
chuyển tới mọi nơi trong môi tr−ờng sản xuất. Chúng có thể làm việc
ngay cả khi trên thuyền và treo trên trần, t−ờng
Tuy nhiên các Robot song song cũng có những nh−ợc điểm nhất định
khi so sánh với các Robot chuỗi nh−:
- Khoảng không gian làm việc nhỏ.
- Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp.
- Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian làm việc.
Nhìn chung, ta có thể so sánh Robot song song và Robot chuỗi theo một
số chỉ tiêu qua bảng dưới đây:
2.2.Các cơ cấu chấp hành.
2.2.1 Bậc tự do của cơ cấu.
Vấn đề đầu tiên trong nghiên cứu động học của các cơ cấu là số bậc tự
do. Số bậc tự do của cơ cấu là số các thông số độc lập hoặc các thông số ngõ
vào cần thiết để chuyên biệt cấu hình của cơ cấu hoàn chỉnh. Trừ một số
trường hợp đặc biệt, nói chung có thể xác định biểu thức tổng quát về số bậc tự

Tính năng Robot chuỗi Robot song song
Độ chính xác thấp hơn cao hơn
Không gian làm việc lớn hơn nhỏ hơn
Độ cứng vững thấp hơn cao hơn
Tỷ số tải/khối l−ợng thấp hơn cao hơn
Tải trọng quán tính lớn hơn nhỏ hơn
Tốc độ làm việc thấp hơn cao hơn
Độ phức tạp thiết kế/điều khiển đơn giản phức tạp
Mật độ điểm suy biến (kỳ dị) ít hơn lớn hơn
21
do của cơ cấu theo số khâu, số khớp, và kiểu khớp trong cơ cấu. Các ký hiệu
sau đây được dùng trong các phương trình về cơ cấu:
• C
i
: số ràng buộc của khớp i.
• F : số bậc tự do của cơ cấu.
• f
i
: số chuyển động tương đối được phép của khớp i.
• j : số khớp trong cơ cấu, giả sử mọi khớp đều là hai chiều.
• j
i
: số khớp với i bậc tự do.
• L : số vòng độc lập trong cơ cấu.
• N : số khâu trong cơ cấu, kể cả khâu cố định.
• l : số bậc tự do trong không gian làm việc của cơ cấu
Do giả thiết tất cả các khớp đều là hai chiều, khớp ba chiều được coi là
hai khớp hai chiều, khớp 4 chiều được coi là 3 khớp 2 chiều… Ngoài ra còn
giả thiết một giá trị l được dùng cho các chuyển động của tất cả các khâu
chuyển động, chúng đều vận hành trong cùng không gian việc, do đó l = 6 đối

với cơ cấu không gian, và l = 3 đối với cơ cấu phẳng và cơ cấu cầu.
Giá trị bậc tự do của cơ cấu bằng bậc tự do liên quan với tất cả các khâu
chuyển động trừ đi số ràng buộc của các khớp. Do đó, nếu tất cả các khâu đều
không ràng buộc, số bậc tự do của cơ cấu n khớp, với một khớp cố định, sẽ
băng l(n-1). Tuy nhiên, tổng các ràng buộc của các khớp là bằng
i
j
i
c
1=
∑
, do đó
giá trị bậc tự do của cơ cấu được tính theo phương trình:
F = l (n-1)-
∑
=
j
i 1
c
i
(2.1)
Số ràng buộc của một khâu và số bậc tự do của khâu đó bằng thông số
chuyển động l do đó:
l = c
i
+f
i
(2.2)
Do tổng ràng buộc của các khâu là:
∑ ∑∑

= ==
−=−=
j
i
j
i
i
j
i
ii
fjfc
1 11
)(
λλ

(2.3)
Thay pt (2.3) vào (2.1):
F = l(n-j-1)+
∑
=
j
i
i
f
1
(2.4)
Pt 2.4 được gọi là tiêu chuẩn Grubler hoặc Kutbach.
22
Tiêu chuẩn Grubler có giá trị khi các ràng buộc từ các khớp là độc lập
với nhau và không dư. Ví dụ, chuỗi hai chiều kiểu quay – cầu với trục khớp

quay đi qua tâm khớp cầu làm tăng bậc tự do dư. Kiểu bậc tự do này được gọi
là bậc tự do thụ động, cho phép khâu trung gian quay tự do quanh trục được
xác định từ hai khớp đó. Mặc dù khâu trung gian có khả năng truyền lực hoặc
moment và chuyển động cho các trục khác, nhưng không có khả năng truyền
moment cho trục thụ động. Nói chung, các khâu hai chiều với các cặp S-S, S-
E, E-E đều có bậc tự do thụ động (Bảng 2.1). Do đó các khâu hai chiều với các
cặp S-S, S-E, E-E và các khớp ba chiều tương ứng của chúng cũng có bậc tự
do thụ động.
Bậc tự do thụ động không thể truyền moment và chuyển động cho trục
thụ động. Khi có cặp khớp này trong cơ cấu, cần phải trừ bớt một bậc tự do ở
phương trình bậc tự do. Giả sử, f
p
là số bậc tự do thụ động trong cơ cấu, số bậc
tự do chủ động sẽ là:
∑
−+−−=
i
pi
ffjnF )1(
λ
(2.5)
Bảng 2.1 Các khâu hai chiều với bậc tự do thụ động
Kiểu Bậc tự do thụ động
S – S Quay quanh trục đi qua các tâm khớp cầu.
S – E
Quay quanh trục đi qua tâm khớp cầu và vuông góc với mặt
phẳng của cặp phẳng
E - E
Trượt dọc trục song song với giao tuyến các mặt phẳng của
cặp mặt phẳng. Nếu hai mặt phẳng này song song, sẽ có ba bậc

tự do thụ động
Ví dụ 2.1. Cơ cấu không gian Stewart – Gough. Hình 2.19 minh họa cơ
cấu không gian, trong đó nền chuyển động được nối vào đế cố định với sáu
nhánh mở rộng bằng các khớp cầu. Mỗi nhánh gồm hai khâu hai chiều nối
bằng khớp lăng trụ. Cấu trúc này được gọi là nhánh SPS. Do sự phối hợp SPS,
có một bậc tự do thụ động ở từng nhánh. Do l = 6, j
1
= 6, j
3
= 12, và f
p
= 6, số
bậc tự do của cơ cấu được tính từ phương trình (2.4) có:
F = 6(14 - 18 - 1) + (12 × 3 + 6) - 6 = 6.
Do phương trình (2.5) được tính bằng cách dùng một giá trị l cho tất cả
các khâu chuyển động, số bậc tự do của cơ cấu không gian với các khớp nối
phẳng hoặc cầu theo kiểu hệ thống con phải được tính đến. Đặc biệt, l = 3
23
S
S
S S
S S
S
S S
S
S Cầu
P
P Lăng trụ
S Cầu
Hình 2.19 Cơ cấu

không gian Stewart -
Gough
Đế cố định
được dùng cho hệ thống cầu hoặc phẳng, và l = 6 được dùng cho phần không
gian của cơ cấu.
Nói chung, nếu tiêu chuẩn Grubler có F > 0, cơ cấu có F bậc tự do. Nếu
F = 0, cơ cấu không có bậc tự do. Mặt khác, nếu F < 0, cơ cấu sẽ có số ràng
buộc dư. Tuy nhiên, cần chú ý có các cơ cấu không tuân theo tiêu chuẩn
Grubler. Các cơ cấu này đòi hỏi chiều dài khâu đặc biệt để đạt được tính linh
động cao gọi là cơ cấu thắng ràng buộc.
2.2.2 Tiêu chuẩn chuyển động theo vòng.
Như đã đề cập, chuyển động học là một bộ các khâu đựơc nối với nhau
bằng các khớp. Nếu mỗi khâu được nối với ít nhất 2 khâu khác, chuyển tạo
thành một hoặc nhiều vòng kín. Có thể thiết lập pt liên hệ số vòng độc lập với
số khâu và khớp trong chuỗi động học. Số vòng độc lập được hiểu là tổng các
vòng, trừ vòng bên ngoài. Đối với chuỗi động học một vòng (phẳng, cầu, hoặc
không gian) số các khâu bằng số các khớp, nghĩa là n =j.
Từ chuỗi một vòng có thể mở rộng sang chuỗi hai vòng. Điều này có thể
được thực hiện bằng cách lấy chuyển vòng hở và có hai đầu được nối với hai
thành phần bất kỳ của chuỗi một vòng bằng hai khớp (hình 2.20), trong đó A
và B là các điểm nối. Chú ý bằng cách mở rộng một vòng thành hai vòng, số
các khớp sẽ lớn hơn số các khâu là một. Tương tự chuỗi vòng hở có thể được
kết hợp chuỗi hai vòng để tạo thành chuỗi ba vòng… Nói chung việc mở rộng
chuỗi động học từ một vòng thành L vòng, hiệu giữa số khớp và số khâu sẽ
tăng theo giá trị L-1, do đó có thể viết:
j = n + L-1 (2.6)
24
hoặc
L = j – n +1 (2.7)
Pt 2.7 được gọi là pt Euler, số vòng độc lập lớn hơn hiệu giữa số khớp

và số khâu là một. Kết hợp pt 2.7 và 2.4 :

∑
f
i
=F+
λ
L (2.8)
Pt 2.8 được gọi là tiêu chuẩn chuyển động vòng. Pt (2.7) hoặc (2.8) rất
hữu dụng để tính số vòng độc lập trong chuỗi động học. Nói chung số lượng pt
vòng kín có thể được thiết lập cho cơ cấu bằng số vòng độc lập trong cơ cấu
đó.
Ví dụ 2.2. Cơ cấu Stewart – Gough. Đối với cơ cấu này (Hình 2.19), có
l = 6, n = 14, và j = 18, do đó số vòng độc lập L = 18 – 14 +1 = 5. Vế phải của
pt (2.8) có F + lL = 6 + 6 x 5 = 36, còn vế trái là Σf
i
= 3 x 12 + 6 = 42. Hiệu
của hai số này là số bậc tự do độc lập.
2.3 Phân loại robot.
Robot có thể được phân loại theo nhiều tiêu chuẩn, số bậc tự do, cấu trúc
động học, hệ thống truyền động, dạng hình học của chi tiết gia công, các đặc
tính truyền động…
2.3.1 Phân loại theo số bậc tự do.
25
2
3
F
1
Tay máy polar
A

B
0
F
B
Tay máy cylindrical
1
A
0
2
3
F
B
Tay máy revolute
0
1
2
3
A
1
2
A
B
Tay máy cartesian
0
Tay máy scara
1
2 3
0
F
A

B
Hình 2.21 Phân loại tay máy
theo cấu trúc xác định vị trí
B
Vòng 1
Vòng 2
A A–
B–
Hình 2.20 Sự
hình th nh chuà ỗi
nhiều vòng