Thiết kế robot hàn di động để hàn đường hàn phẳng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Số: ___/BKĐT

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Khoa: CƠ KHÍ
Bộ môn: CƠ ĐIỆN TỬ

(Chú ý: sinh viên phải dán tờ này vào trang thứ nhất của bản thuyết minh)

HỌ VÀ TÊN: PHẠM DUY QUÂN
MSSV: 20502275
NGÀNH:
Cơ điện tử
LỚP: CK05-LCD2
1. Đầu đề luận văn
Thiết kế robot hàn di động để hàn đường hàn phẳng
Số liệu:
- Áp dụng cho mối hàn góc
2. Nhiệm vụ
- Chương 1: Tổng quan
- Chương 2: Thiết lập mô hình động học cho robot hàn di động
- Chương 3: Xây dựng bộ điều khiển
- Định nghĩa sai số hàn
- Xây dựng bộ điều khiển
- Chương 4: Mô phỏng trên máy tính
Kết luận

- Số bản vẽ dự kiến: 2A0 , dự kiến về các bản vẽ gồm:
+ 2 bản vẽ A0, về: Kết cấu robot hàn di động
3. Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 28/09/2009
4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
08/01/2010
5. Họ và tên người hướng dẫn:
Phần hướng dẫn:
TS Phan Tấn Tùng
, BM Cơ điện tử, Khoa Cơ khí
100%
Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ môn.
Ngày 28 tháng 09 năm 2009
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
(Ký và ghi rõ họ tên)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH
(Ký và ghi rõ họ tên)

PGS.TS. Nguyễn Tấn Tiến

Ts Phan Tấn Tùng

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN
Người duyệt (chấm sơ bộ):
Đơn vị:
Ngày bảo vệ:
Điểm tổng kết:
Nơi lưu trữ luận án:

TỜ CAM KẾT
Luận văn này là do tôi thực hiện, trong luận văn này không có bất cứ nội dung nào được
sao chép từ các tài liệu khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 1 năm 2010

Phạm Duy Quân

i


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, chỉ dẫn của thầy cô, và
sự động viên của các bạn.
Trước hết, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đối với thầy TS. Phan Tấn Tùng, người
thầy đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn, thầy đã cung cấp tài liệu, trực
tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ em vượt qua những gút mắc, khó khăn trong quá trình thực
hiện đề tài.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong trường Đại học Bách khoa Thành phố
Hồ Chí Minh, các thầy cô trong khoa Cơ khí, trong suốt mấy năm học qua đã truyền đạt cho
em những kiến thức chuyên môn, những kinh nghiệm thực tế quý báu để em có đủ kiến thức
để thực hiện đề tài nghiên cứu này và các đề tài khác trong tương lai.
Sau cùng, em xin cảm ơn Quý thầy cô phản biện và Quý thầy cô trong hội đồng chấm
luận văn đã dành thời gian quý báu để nhận xét và giúp em bảo vệ thành công luận án.
Xin chân thành cảm ơn.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 1 năm 2010

Phạm Duy Quân

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Mobile robot không phải là một lĩnh vực nghiên cứu quá mới mẻ. Tuy nhiên lợi ích và
phạm vi ứng dụng của nó là rất lớn. Ta có thể tìm thấy mobile robot trong các lĩnh vực như
công nghiệp, môi trường, an ninh, khảo sát khoa học, quân sự,… Ngoài ra mobile robot còn
được thương mại hoá cho các mục đích giải trí, hoặc thực hiện một chức năng đặc biệt nào đó
như lau chùi sàn nhà, cắt cỏ, gặt lúa,… Hầu hết các trường đại học trong lĩnh vực kỹ thuật đều
có những chuyên ngành, dự án về mobile robot cho sinh viên. Mobile robot là cảm hứng và là
nơi để sinh viên vận dụng những kiến thức, những hiểu biết về kỹ thuật, điều khiển của mình
cho một sản phẩm cụ thể.
Trong đề tài này, em thiết kế robot hàn di động theo đường hàn sử dụng bộ điều khiển
Lyapunov. Thiết kế cơ khí cho thân xe, trên thân xe này có mang cánh tay máy kẹp đầu hàn.
Sau đó thiết kế và chọn lựa các cảm biến giúp nhận diện đường hàn cho robot. Thiết kế mạch
điện điều khiển và đọc các cảm biến. Cuối cùng là đưa ra giải thuật lập trình và điều khiển các
cơ cấu tác động của robot.
Ứng dụng của đề tài này là phục vụ trong ngành công nghiệp đóng tàu là chính. Trong
nền công nghiệp đóng tàu, hàn đặc biệt chiếm tỉ trọng lớn công việc. Chính vì vậy để nâng
cao năng suất, tính ổn định, chất lượng mối hàn, giải phóng công nhân khỏi môi trường làm
việc độc hại nhất thiết phải tự động cho quá trình hàn. Kết cấu của robot đơn giản, dễ chế tạo
lắp ráp, hầu hết các bộ phận đều được sản xuất chứ không phải tự thiết kế, hoàn toàn phù hợp
với điều kiện sản xuất trong nước.

iii


MỤC LỤC
TỜ CAM KẾT ........................................................................................................................ i
LỜI CÁM ƠN........................................................................................................................ ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ....................................................................................................... iii
MỤC LỤC ............................................................................................................................ iv

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ........................................................................................... viii
DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU ......................................................................................... x
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN................................................................................................ 1
1.1. Phương pháp hàn sử dụng trong luận văn.................................................................... 1
1.1.1. Khái niệm về hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ..................................... 1
1.1.2. Ưu điểm và khuyết điểm của quá trình hàn với khí bảo vệ................................... 1
1.1.3. Phạm vi ứng dụng ............................................................................................... 2
1.2. Các nghiên cứu về robot hàn di động .......................................................................... 2
1.2.1. Robot hàn di động kết hợp với tay máy ............................................................... 2
1.2.2. Robot hàn góc vuông dùng camera xử lý ảnh ...................................................... 3
1.2.3. Một số hình ảnh về các loại robot hàn di động khác............................................. 6
1.3. Nhiệm vụ của luận văn ............................................................................................... 7
CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG.... 10
2.1. Bài toán robot với cánh tay tịnh tiến.......................................................................... 10
2.1.1. Mô hình tính toán của robot............................................................................... 10
2.1.2. Bài toán động học thuận của robot..................................................................... 11
2.1.3. Bài toán nghịch vận tốc ..................................................................................... 12
2.2. Bài toán robot có ba khớp quay................................................................................. 13
2.2.1. Mô hình tính toán của robot............................................................................... 13
2.2.2. Bài toán động học thuận của robot..................................................................... 14
iv


CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN.................................................................. 17
3.1 Giải quyết bài toán robot có cánh tay tịnh tiến ........................................................... 17
3.1.1. Định nghĩa sai số và các giá trị liên quan........................................................... 17
3.1.2. Hiệu chỉnh các giá trị vận tốc của robot ............................................................. 18
3.2. Giải quyết bài toán cánh tay robot có ba khớp quay .................................................. 19
3.2.1. Định nghĩa sai số và các giá trị liên quan........................................................... 19
3.2.2. Hiệu chỉnh vận tốc góc của tay máy .................................................................. 21

3.2.3. Hiệu chỉnh vận tốc và vận tốc góc của platform................................................. 21
3.3. Giải quyết bài toán hàn góc vuông ............................................................................ 23
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG TRÊN MÁY TÍNH ............................................................... 25
4.1. Mô phỏng quá trình hàn đường cong trơn ................................................................. 25
4.1.1. Các số liệu ban đầu cho bài toán mô phỏng ....................................................... 25
4.1.2. Yêu cầu và kết quả mô phỏng của robot ............................................................ 25
4.1.3. Tổng kết về kết quả mô phỏng hàn đường cong trơn.......................................... 35
4.2. Mô phỏng quá trình hàn góc vuông........................................................................... 36
4.2.1. Các số liệu ban đầu cho bài toán mô phỏng ....................................................... 36
4.2.2. Kết quả mô phỏng của robot.............................................................................. 37
4.2.3. Tổng kết về kết quả mô phỏng hàn góc vuông ................................................... 44
CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ CƠ KHÍ ..................................................... 45
5.1. Thiết kế module cảm biến......................................................................................... 45
5.1.1. Nguyên lý đo các sai số e1, e2, e3 ....................................................................... 45
5.1.2. Đo các sai số e4, e5, e6 ....................................................................................... 46
5.1.3. Cấu tạo của cảm biến......................................................................................... 47
5.1.4. Encoder đo góc các khâu ................................................................................... 47
5.1.5. Cảm biến siêu âm đo khoảng cách..................................................................... 48
5.1.6. Cảm biến phát hiện đầu hàn sắp tới góc vuông .................................................. 50
v


5.2. Thiết kế mạch điện điều khiển .................................................................................. 50
5.2.1. Tổng quát mạch điều khiển................................................................................ 50
5.2.2. Giới thiệu vi điều khiển PIC18F4431 ................................................................ 52
5.2.3. Giới thiệu chip LMD18200 ............................................................................... 54
5.2.4. Mạch logic ........................................................................................................ 56
5.2.5. Mạch kích MOSFET ......................................................................................... 57
5.2.6. Mạch cầu H....................................................................................................... 58
5.2.7. Mạch nạp GTP_USB......................................................................................... 60

5.2.8. Bộ điều khiển servo động cơ DC ....................................................................... 60
5.3. Thiết kế cơ khí robot hàn di động.............................................................................. 62
5.3.1. Thiết kế thân xe................................................................................................. 62
5.3.2. Chọn động cơ cho các khâu ............................................................................... 62
5.3.3. Lựa chọn phương án giảm tốc cho các khâu ...................................................... 66
5.3.4. Thiết kế đồ gá đầu hàn ...................................................................................... 68
5.3.5. Nam châm......................................................................................................... 68
CHƯƠNG 6: GIẢI THUẬT LẬP TRÌNH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ....... 69
6.1. Giải thuật lập trình.................................................................................................... 69
6.2. Mô hình động cơ DC kích từ độc lập ........................................................................ 72
6.3. Bộ điều khiển PID .................................................................................................... 74
6.3.1. Bộ điều khiển tỉ lệ P .......................................................................................... 75
6.3.2. Bộ điều khiển tích phân I................................................................................... 76
6.3.3. Bộ điều khiển vi phân D .................................................................................... 76
6.4. Điều khiển PID thích nghi động cơ DC..................................................................... 78
6.5. Điều khiển PID kết hợp với mạng neural .................................................................. 80
6.5.1. Giới thiệu mạng neural ...................................................................................... 80
6.5.2. Cập nhật trọng số PID cho mạng neural............................................................. 80
vi


6.6. Bộ điều khiển PID kết hợp với điều khiển mờ........................................................... 84
6.6.1. Định nghĩa tập mờ............................................................................................. 84
6.6.2. Các thuật ngữ trong logic mờ ............................................................................ 84
6.6.3. Biến ngôn ngữ................................................................................................... 85
6.6.4. Các phép toán trên tập mờ ................................................................................. 86
6.6.5. Luật hợp thành .................................................................................................. 87
6.6.6. Giải mờ ............................................................................................................. 88
6.6.7. Chỉnh định PID bằng lý thuyết mờ .................................................................... 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 97

vii


DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Robot hàn di động với cánh tay máy có ba khớp quay............................................. 2
Hình 1.2. Module cảm biến tiếp xúc....................................................................................... 3
Hình 1.3. Robot hàn di động với tay quay và trục vít me dùng để hàn góc vuông ................... 4
Hình 1.4. Mối hàn góc vuông cần thực hiện và kết quả........................................................... 5
Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý khi hàn góc vuông của robot......................................................... 5
Hình 1.6. Bug-gy Vert............................................................................................................ 6
Hình 1.7. Vertical fillet welding carriage................................................................................ 6
Hình 1.8. Weld-handy multi-purpose automated welding ....................................................... 7
Hình 1.9. Mặt cắt dọc mối hàn góc mà robot cần hàn ............................................................. 7
Hình 1.10. Các kiểu đường hàn .............................................................................................. 8
Hình 1.11. Hình ảnh máy hàn MIG 200Y(J03)....................................................................... 9
Hình 2.1. Mô hình tính toán robot có cánh tay tịnh tiến ........................................................ 10
Hình 2.2. Mô hình robot có cánh tay máy với ba khớp quay................................................. 13
Hình 3.1. Định nghĩa các sai số bài toán robot có cánh tay tịnh tiến...................................... 17
Hình 3.2. Định nghĩa các sai số của bài toán cánh tay robot có ba khớp quay ....................... 19
Hình 3.3. Mô hình tính toán để hiệu chỉnh cho platform....................................................... 22
Hình 3.4. Giải thuật hàn góc vuông của robot hàn di động.................................................... 24
Hình 4.1. Đường hàn tham chiếu mà robot phải bám theo .................................................... 26
Hình 4.2. Kết quả mô phỏng của robot ................................................................................. 27
Hình 4.3. Sai số e1, e2, e3 tại thời điểm bắt đầu ..................................................................... 27
Hình 4.4. Sai số e4, e5, e6 tại thời điểm ban đầu .................................................................... 29
Hình 4.5. Giá trị các góc của cánh tay máy trong suốt quá trình mô phỏng ........................... 30
Hình 4.6. Vận tốc góc của ba khớp của tay máy tại thời điểm ban đầu.................................. 31
Hình 4.7. Vận tốc của điểm P và vận tốc góc của nó ............................................................ 32
Hình 4.8. Vận tốc góc của hai bánh xe ................................................................................. 33

viii


Hình 4.9. Quỹ đạo điểm E và đường tham chiếu tại thời điểm ban đầu................................. 34
Hình 4.10. Đồ thị vận tốc điểm E và vận tốc mong muốn lúc đầu......................................... 35
Hình 4.11. Kết quả mô phỏng robot khi hàn góc vuông ........................................................ 37
Hình 4.12. Kết quả mô phỏng của robot tại góc vuông khi phóng lớn................................... 38
Hình 4.13. Sai số e1, e2, e3 trong suốt quá trình mô phỏng .................................................... 39
Hình 4.14. Vận tốc mong muốn và vận tốc thực tế của đầu đuốc hàn.................................... 40
Hình 4.15. Giá trị các góc của các khớp trong suốt quá trình mô phỏng................................ 41
Hình 4.16. Vận tốc góc của ba khớp của tay máy trong suốt quá trình mô phỏng.................. 42
Hình 4.17. Góc mong muốn của đầu hàn và giá trị thực của nó trong quá trình mô phỏng .... 43
Hình 4.18. Vận tốc góc của hai bánh xe trong quá trình mô phỏng ....................................... 44
Hình 5.1. Mô hình đo sai số e1, e2, e3.................................................................................... 45
Hình 5.2. Hình ảnh thực tế của cảm biến tiếp xúc trong tài liệu tham khảo [1 ]..................... 46
Hình 5.3. Sơ đồ khối cách thức cập nhật và hiệu chình sai số ............................................... 47
Hình 5.4. Cách bố trí của cảm biến siêu âm trên thân xe....................................................... 48
Hình 5.5. Sơ đồ chân và nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm..................................... 49
Hình 5.6. Cấu tạo cảm biến tiếp xúc khi hàn góc vuông ....................................................... 50
Hình 5.7. Mô hình của hệ thống điều khiển .......................................................................... 51
Hình 5.8. Sơ đồ chân PIC 18F4431 ...................................................................................... 52
Hình 5.9. Tín hiệu encoder vào QEI..................................................................................... 53
Hình 5.10. Sơ đồ đơn giản của module QEI ......................................................................... 54
Hình 5.11. Sơ đồ chân LMD18200....................................................................................... 55
Hình 5.12. Sơ đồ khối chip LMD18200................................................................................ 55
Hình 5.13. Sơ đồ mạch điện mạch cầu H dùng LMD18200 .................................................. 56
Hình 5.14. Mạch kích MOSFET dùng opto TLP250............................................................. 57
Hình 5.15. Sơ đồ nguyên lý TLP250 .................................................................................... 58
Hình 5.16. Sơ đồ mạch cầu H dùng MOSFET...................................................................... 59
ix

Hình 5.17. Chân cắm trên mạch điều khiển giao tiếp với mạch nạp GTP-USB ..................... 60
Hình 5.18. Sơ đồ nối dây bộ điều khiển servo DC DDP-090-18 ........................................... 61
Hình 5.19. Đường đặc tuyến của động cơ RH-14D-3002...................................................... 63
Hình 5.20. Kích thước của động cơ RH-14D-3002............................................................... 64
Hình 5.21. Đường đặc tuyến của động cơ RHS-14-3003 ...................................................... 65
Hình 5.22. Kích thước của động cơ RHS-14-3003................................................................ 66
Hình 6.1. Giải thuật của bộ điều khiển trung tâm PIC 18F4585 ở chế độ hàn thường............ 69
Hình 6.2. Giải thuật của bộ điều khiển trung tâm PIC 18F4585 ở chế độ hàn góc vuông ...... 70
Hình 6.3. Giải thuật của bộ điều khiển thiết bị PIC 18F4585 ................................................ 71
Hình 6.4. Giải thuật của ba vi điều khiển PIC 18F4585 đọc encoder đo góc ......................... 71
Hình 6.5. Giải thuật của năm bộ điều khiển động cơ PIC 18F4431....................................... 72
Hình 6.6. Sơ đồ khối động cơ DC ........................................................................................ 73
Hình 6.7. Sơ đồ điểu khiển PID thích nghi ........................................................................... 78
Hình 6.8. Sơ đồ điều khiển PID Neural ................................................................................ 81
Hình 6.9. Sơ đồ chi tiết mạng neural cập nhật trọng số cho PID ........................................... 81
Hình 6.10. Sơ đồ điều khiển sử dụng PID mờ....................................................................... 90
Hình 6.11. Nguyên lý hiệu chỉnh PID bằng giải thuật mờ..................................................... 90

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1. Các giá trị ban đầu và kích thước cơ bản khi mô phỏng hàn thường...................... 25
Bảng 4.2. Các giá trị ban đầu và kích thước cơ bản khi mô phỏng hàn góc vuông ................ 36
Bảng 6.1. Ảnh hưởng của bộ điều khiển PID lên chất lượng hệ thống .................................. 77
Bảng 6.2. Luật chỉnh KP bằng giải thuật điều khiển mờ........................................................ 93
Bảng 6.3. Luật chỉnh KD bằng giải thuật điều khiển mờ ....................................................... 93
Bảng 6.4. Luật chỉnh KI bằng giải thuật điều khiển mờ ........................................................ 93

x

Chương 1: Tổng quan

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Phương pháp hàn sử dụng trong luận văn:
Ta dùng phương pháp hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ:
1.1.1. Khái niệm về hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ:
Hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ là phương pháp hàn mà trong đó mối hàn
được tạo thành bởi dây điện cực nóng chảy, và được bao bọc bởi lớp khí hoạt hoá để bảo vệ
mối hàn. Dây điện cực và khí hàn được cấp liên tục thông qua một súng hàn. Dây điện cực
thường có tiết diện ngang trong khoảng từ 0,7 đến 2,4 mm, trong trường hợp đặc biệt vẫn có
loại dây điện cực với tiết diện ngang 4 mm. Hầu hết các loại máy hàn khí bảo vệ đều sử dụng
nguồn điện có áp là hằng số. Tuy nhiên vẫn có các loại máy sử dụng nguồn điện có dòng là
hằng số hoặc nguồn điện xoay chiều.
1.1.2. Ưu điểm và khuyết điểm của quá trình hàn với khí bảo vệ:
Ưu điểm:
 Có thể sử dụng để hàn kim loại và hợp kim thương mại.
 Khắc phục được hạn chế về chiều dài điện cực có giới hạn trong phương pháp hàn hồ
quang bằng que hàn có thuốc bọc.
 Có thể thực hiện công việc hàn ở tất cả các tư thế
 Tốc độ điền đầy cao hơn so với hàn hồ quang với que hàn có thuốc bọc.
 Tốc độ hàn cao hơn do điện cực được cấp liên tục và tốc độ điền đầy mối hàn cao
hơn.
 Vì dây hàn được cấp liên tục nên có thể thực hiện các mối hàn dài mà không phải
dừng gây lại hồ quang.
 Có thể tạo được mối hàn với độ thâm nhập sâu hơn so với hàn hồ quang bằng que có
thuốc bọc khi sự dịch chuyển kim loại dạng bụi được sử dụng.
 Tiết kiệm được thời gian làm sạch sau khi hàn do không có nhiều xì.
Khuyết điểm:
 Thiết bị hàn phức tạp hơn, đắt tiền hơn và kém cơ động hơn so với phương pháp hàn

hồ quang bằng thuốc bọc.

SVTH: Phạm Duy Quân

GVHD: TS. Phan Tấn Tùng

Trang 1


Chương 1: Tổng quan

 Hàn hồ quang cần phải được bảo vệ chống lại tác dụng của không khí làm phân tán
khí bảo vệ. Điều này hạn chế việc sử dụng phương pháp này ngoài trời, trừ khi vùng
khí bảo vệ được đặt xung quanh vùng hàn.
1.1.3. Phạm vi ứng dụng:
Do những đặc điểm nêu trên, phương pháp hàn hồ quang có khí bảo vệ được sử dụng rất
rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Đặc biệt, nhờ vào việc cấp dây hàn và khí bảo vệ liên
tục, phương pháp này có khả năng ứng dụng rất lớn trong lĩnh vực tự động hoá quá trình hàn.
1.2. Các nghiên cứu về robot hàn di động:
1.2.1. Robot hàn di động kết hợp với tay máy:
Tham khảo từ tài liệu [1] do một nhóm kỹ sư Hàn Quốc và Việt Nam thực hiện.

Hình 1.1. Robot hàn di động với cánh tay máy có ba khớp quay
Các thành phần cơ bản của robot như sau:
+ Mobile Platform: Hai bánh xe dẫn động bằng hai động cơ DC độc lập. Phía trước có
gắn bi đóng vai trò bánh tự lựa. Phía dưới đế có gắn nam châm để tăng thêm lực ép xuống
nhằm tránh cho hai bánh xe bị trượt.
+ Manipulator: Cơ cấu tay quay 3 bậc tự do di chuyển trong mặt phẳng ngang, gồm 3
khớp quay quanh trục đứng mục đích để chỉnh hướng và vị trí cho đầu hàn linh hoạt nhất.
Nhờ có đủ bậc tự do trong mặt phẳng nên ta có thể chỉ cần điều khiển tay máy để bám theo

SVTH: Phạm Duy Quân

GVHD: TS. Phan Tấn Tùng

Trang 2


Chương 1: Tổng quan
đường hàn là đủ chứ không cần phải kết hợp với tấm platform. Tuy nhiên tầm hoạt động của
tay máy lại hạn chế nên đó là lý do ta phải lắp tay máy trên một mobile platform.
+ Touch sensor: Cảm biến tiếp xúc dùng để phát hiện sai lệch của đầu hàn và đường hàn
mong muốn. Cảm biến cơ bản gồm hai biến trở và con lăn. Để cho cảm biến luôn tiếp xúc với
đường hàn thì có một lò xo luôn đẩy cảm biến ra xa robot theo phương dọc theo đầu hàn.

Hình 1.2. Module cảm biến tiếp xúc
Mục đích của robot là bám theo một đường cong trơn hay đường gấp khúc. Áp dụng lý
thuyết Lyapunov để hiệu chỉnh các giá trị vận tốc của platform và cánh tay. Giải quyết cả hai
bài toán động học và động lực học. Do có cánh tay máy nên robot hoạt động rất linh hoạt,
việc chỉnh hướng của đầu hàn khi gặp các mối hàn gấp rất hiệu quả. Hơn nữa kết hợp điều
khiển platform và cánh tay máy có thể đạt hiệu quả cao khi hàn. Tuy nhiên việc giải quyết bài
toán khá khó, và điều khiển nhiều cơ cấu cùng một lúc là một vấn đề khá phức tạp.
1.2.2. Robot hàn góc vuông dùng camera xử lý ảnh:
Tham khảo từ tài liệu [6] do một nhóm kỹ sư Nhật thực hiện.
Cấu tạo của robot gồm:
Thân robot tương tự như trên. Điểm khác biệt nằm ở tay hàn, cánh tay chính gắn vào
platform robot qua khớp quay Z, cánh tay mang một trục vít me để thay đổi chiều dài của đầu
hàn. Cuối cùng đầu hàn có thể quay quanh một trục dọc theo trục vít me. Thiết kế cánh tay
này rất linh hoạt nó có thể bám theo đường hàn hiệu quả như tay máy.

SVTH: Phạm Duy Quân

GVHD: TS. Phan Tấn Tùng

Trang 3


Chương 1: Tổng quan

Hình 1.3. Robot hàn di động với tay quay và trục vít me dùng để hàn góc vuông
Để đọc sai số của đầu hàn người ta dùng hai camera xử lý ảnh. Một camera thị trường
lớn độ phân giải cao dùng để phát hiện đường hàn phía trước robot khá xa, nó hữu hiệu khi
phát hiện ra các đường gấp khúc đặc biệt là góc vuông. Camera kia thị trường nhỏ độ phân
giải thấp hơn dùng để phát hiện sai số của đầu hàn dùng để hiệu chỉnh tay máy của robot.
Quá trình hàn góc vuông diễn ra như sau:
Khi robot đang chạy với tốc độ bình thường để hàn đường thẳng hay đường cong trơn
thì camera có độ phân giải cao thị trường lớn phát hiện ra mối hàn góc vuông. Lúc này robot
bắt đầu di chuyển chậm lại tuy nhiên vẫn phải bám theo đường hàn và không được quá chậm
nhằm tránh ảnh hưởng xấu đến chất lượng mối hàn.Ngay khi robot tới đủ gần nó bắt đầu đổi
hướng di chuyển quay 900 nhưng vẫn giữ tốc độ chậm. Trong lúc đó thì cánh tay robot bắt
đầu hoạt động, kết hợp chuyển động quay của khớp và tịnh tiến của vít me để điều khiển đầu
hàn luôn bám sát theo đường hàn.
Sau khi robot quay xong và cánh tay nằm ở vị trí thích hợp so với robot hàn khi hàn
đường cong trơn thì cánh tay robot ngưng hoạt động lúc này robot bắt đầu tăng tốc và thực
hiện công đoạn hàn đường cong trơn như ban đầu.

SVTH: Phạm Duy Quân

GVHD: TS. Phan Tấn Tùng

Trang 4

Chương 1: Tổng quan

Hình 1.4. Mối hàn góc vuông cần thực hiện và kết quả.

Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý khi hàn góc vuông của robot.

SVTH: Phạm Duy Quân

GVHD: TS. Phan Tấn Tùng

Trang 5


Chương 1: Tổng quan
1.2.3. Một số hình ảnh về các loại robot hàn di động khác:

 Kíchthước(HxLxW):
321x413x325 mm

 Trọng lượng: 11kg
 Chức năng: Hàn sấp và
hàn đứng

 Vận tốc hàn: 50-760
(mm/phút)

Hình 1.6. Bug-gy Vert.

 Kích thước: (HxLxW):
262x333x157

 Khối lượng: 12, 5 kg
 Chức năng: hàn đứng
 Vận tốc di chuyển: max
900mm/phút

 Nam châm có thể di
chuyển lên xuống nhờ
hệ thống đòn bẩy.

Hình 1.7. Vertical fillet welding carriage.

SVTH: Phạm Duy Quân

GVHD: TS. Phan Tấn Tùng

Trang 6


Chương 1: Tổng quan

 Nhẹ, gọn, lực hút nam
châm mạnh

 Kích

thước:

259x259x264

 Khối lượng: 7 kg
 Chức năng: hàn đứng và
hàn ngang (hàn góc,
chồng, giáp mối).

 Tự động dừng khi hết
hành trình.

 Vận tốc di chuyển 152Hình 1.8. Weld-handy multi purpose automated welding.

1524 mm

 Dẫn hướng bằng 2 con
lăn áp tường.
Ba hình vẽ trên được trích từ phần tổng quan của tài liệu tham khảo số [21].
1.3. Nhiệm vụ của luận văn:
Ta thiết kế robot hàn di động với thiết kế cơ bản dựa trên tài liệu tham khảo [1] gồm
thân xe có bánh tự lựa và cánh tay máy.

 Chức năng cơ bản của robot hàn di động:

Hình 1.9. Mặt cắt dọc mối hàn góc mà robot cần hàn.
 Di chuyển trong mặt phẳng.
 Hàn góc theo đường cong trơn.
 Cho phép thay đổi các thông số hàn cho từng chế độ hàn tuỳ theo nhu cầu của người
sử dụng.

SVTH: Phạm Duy Quân

GVHD: TS. Phan Tấn Tùng

Trang 7


Chương 1: Tổng quan

 Nhớ được các thông số của chế độ hàn trước đó.
 Phát hiện mối hàn góc vuông, đưa ra giải thuật để đạt được chất lượng hàn tốt nhất.
 Các chế độ hàn mà robot thực hiện:
 Hàn liên tục: cho phép người dùng thay đổi chiều dài cần hàn và vận tốc hàn theo
yêu cầu đặt ra.

 Hàn gián đoạn: cho phép người dùng thay đổi tổng chiều dài cần hàn, chiều dài từng
đoạn hàn và vận tốc hàn. Đối với đoạn chạy không, robot có thể di chuyển với vận
tốc tối đa 15 mm/s nhằm tiết kiệm thời gian, nâng cao năng suất cho quá trình hàn.

 Hàn điểm: cho phép người dùng thay đổi tổng chiều dài cần hàn, khoảng cách giữa
các điểm hàn và thời gian hàn từng điểm. Đối với đoạn chạy không, robot có thể di
chuyển với vận tốc tối đa 15 mm/s.

 Kiểu hàn mà robot thực hiện:

Hình 1.10. Các kiểu đường hàn.
Kiểu hàn đường 1 với chế độ hàn liên tục, hàn gián đoạn và hàn điểm được thực hiện
bằng chuyển động của Robot hàn với các chế độ điều khiển.
Kiểu hàn 2 và 3 được thực hiện nhờ vào chuyển động lắc của đầu hàn, tuy nhiên trong
luận văn kiểu hàn này không cần dùng đến.
Để hàn các chế độ hàn khác nhau ta sử dụng máy hàn MIG có số hiệu MIG 200Y(J03)

có một số đặc tính sau:
 Tốc độ cấp dây: 2-15 (m/phút).
 Đường kính dây hàn: 0,8-0,9 (mm).
 Điện áp vào: một pha 220 VAC ± 15%, 50/60 Hz.

SVTH: Phạm Duy Quân

GVHD: TS. Phan Tấn Tùng

Trang 8


Chương 1: Tổng quan

Hình 1.11. Hình ảnh máy hàn MIG 200Y(J03).
Với tốc độ cấp dây và đường kính dây hàn như trên ta chọn tốc độ di chuyển của đầu
hàn là 8 mm/s. Tốc độ này rất phù hợp với tốc độ hàn của công nhân hàn trong thực tế.
Do yêu cầu như trên nên luận văn được chia làm các chương như sau:
Chương 1: Tổng quan:
 Giới thiệu chung công nghệ hàn và một số các nghiên cứu liên quan ứng dụng robot
di động trong công nghệ hàn.
Chương 2: Mô hình động học robot hàn:
 Chọn mô hình của robot để giải bài toán động học.
 Giải bài toán động học thuận.
Chương 3: Xây dựng bộ điều khiển:
 Định nghĩa các sai số về vị trí của robot so với đường hàn.
 Xây dựng bộ điều khiển Lyapunov điều khiển robot bám theo đường hàn cho trước.
Chương 4: Mô phỏng trên máy tính:
 Mô phỏng quá trình hàn đường cong trơn và xuất kết quả của quá trình hàn.
 Mô phỏng quá trình hàn đường cong trơn và xuất kết quả của quá trình hàn.

Chương 5: Thiết kế mạch điện và cơ khí:
 Thiết kế module cảm biến tiếp xúc để đo sai số và các cảm biến phát hiện góc vuông.
 Thiết kế mạch điện điều khiển động cơ, đọc các cảm biến và tính toán giá trị hiệu
chỉnh từ bộ điều khiển Lyapunov.
 Thiết kế cơ khí robot hàn gồm thân xe và cánh tay máy.
Chương 6: Giải thuật lập trình và thiết kế bộ điều khiển PID:
 Xây dựng giải thuật lập trình cho các vi điều khiển.
 Đưa ra phương pháp hiệu chỉnh trọng số PID để điều khiển động cơ.
Chương 7: Đánh giá luận văn và hướng cải tiến.
SVTH: Phạm Duy Quân

GVHD: TS. Phan Tấn Tùng

Trang 9


Chương 2 : Thiết lập mô hình động học cho robot hàn di động

CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CHO ROBOT HÀN DI ĐỘNG
2.1. Bài toán robot với cánh tay tịnh tiến:
Mô hình robot được đề nghị như sau:
Platform có khung là hình hộp chữ nhật chuyển động được là nhờ hai bánh xe chủ động
truyền động qua động cơ nằm ở dưới bụng. Phía trước nằm trên trục chính dọc theo thân xe
có đặt một viên bi cầu đóng vai trò là bánh tự lựa.
Trên platform mang một cánh tay vuông góc với trục chính của platform có thể tịnh tiến
dọc trục, phía đầu cánh tay gắn đầu hàn. Do yêu cầu đặt ra là hàn trong mặt phẳng nên với hai
bậc tự do của platform và một bậc tự do của cánh tay là đủ để đáp ứng yêu cầu đặt ra.
2.1.1. Mô hình tính toán của robot:

Hình 2.1. Mô hình tính toán robot có cánh tay tịnh tiến.

SVTH: Phạm Duy Quân

GVHD: TS. Phan Tấn Tùng

Trang 10


Chương 2 : Thiết lập mô hình động học cho robot hàn di động
W (xW, yW, ӨW) là toạ độ, góc đầu hàn.
R (xR, yR, ӨR) là toạ độ, góc của đường hàn tham chiếu.
A (xA, yA, ӨA) là toạ độ, góc chân của tay hàn.
P (xP, yP, ӨP) là toạ độ trung điểm đường nối trục hai bánh xe.
l(t) chiều dài của tay hàn so với đường trục của robot truyền động bằng vitme đai ốc để
thay đổi chiều dài làm việc của đầu hàn.
Ө góc của trục chính robot so với trục X. (Với ӨP = Ө)
a khoảng cách giữa hai trục bánh xe so với tay hàn.
b khoảng cách giữa trục chính so với bánh xe.
vR, ωR là độ lớn vận tốc và vận tốc góc của đường hàn tham chiếu.
vP, ω là độ lớn vận tốc của điểm P và vận tốc góc của platform.
r bán kính của bánh xe.
Yêu cầu của bài toán đặt ra là hiệu chỉnh vP, ω, l̇ theo các giá trị sai số và các giá trị
trước đó của robot. Mục đích cuối cùng làm cho vận tốc của W (ẋ W, ẏ W, Ө̇ W) cũng như toạ độ
của nó W (xW, yW, ӨW) phải bám theo đường hàn tham chiếu R với sai số tiến dần về 0.
2.1.2. Bài toán động học thuận của robot
Ta tính toạ độ đầu hàn theo toạ độ tâm P (xP, yP, Ө).
Trước tiên ta tính toạ độ đầu hàn so với điểm A:
xW = xA – lsinӨ
yW = yA + lcosӨ

(2.1)

Sau đó tính toạ độ điểm A theo toạ độ P:
xA = xP + acosӨ
yA = yP + asinӨ

(2.2)

Cuối cùng rút gọn lại ta được như sau:
xW = xP - lsinӨ + acosӨ
yW = yP + lcosӨ + asinӨ
SVTH: Phạm Duy Quân

GVHD: TS. Phan Tấn Tùng

(2.3)
Trang 11


Chương 2 : Thiết lập mô hình động học cho robot hàn di động
ӨW= Ө
Ta đạo hàm toạ độ trên theo thời gian để được vận tốc của đầu hàn:
ẋ w = vPcosӨ – ωasinӨ – ωlcosӨ – l̇sinӨ
ẏ w = vPsinӨ + ωacosӨ – ωlsinӨ + l̇cosӨ

(2.4)

Ө̇ w = ω
Vận tốc góc hai bánh xe tính theo độ lớn vận tốc điểm P và vận tốc góc ω
Ta giả sử bánh xe thoả điều kiện không trượt:
vR = ωRW×r

vL = ωLW×r

Theo quan hệ động học chất điểm vật rắn ta có:
vR + vL = 2vP
vR = vP - ωb

Từ các đẳng thức trên ta rút ra kết quả
ωRW = (vP + ωb)/r
ωLW = (vP – ωb)/r

(2.5)

2.1.3. Bài toán nghịch vận tốc
Từ giá trị vận tốc của W (ẋ W, ẏ W, Ө̇ W) ta tính vận tốc trượt của cánh tay l̇, vận tốc vP và
vận tốc góc ω như sau:
l̇ = ẏ WcosӨw – ẋ WsinӨW – Ө̇ Wa

(2.6)

vP = Ө̇ W l + ẋ WcosӨw + ẋ WsinӨw

(2.7)

ω = Ө̇ W

(2.8)

Sau đó ta thế vP, ω vào (2.5) để tính được giá trị vận tốc góc mong muốn của hai bánh
xe

Phần trình bày trên một phần được tham khảo từ tài liệu [2] và [5].
SVTH: Phạm Duy Quân

GVHD: TS. Phan Tấn Tùng

Trang 12


Chương 2 : Thiết lập mô hình động học cho robot hàn di động
2.2. Bài toán robot có ba khớp quay:
Mô hình robot có platform giống như mô hình trên, chỉ khác là tay máy tịnh tiến được
thay bằng cánh tay có ba khớp quay quanh trục Z. Nhờ có cánh tay này mà robot có thể hàn
được những mối hàn gấp nơi mà kích thước platform khá lớn khó có thể xoay chuyển được.
2.2.1. Mô hình tính toán của robot

Hình 2.2. Mô hình robot có cánh tay máy với ba khớp quay.
Mô hình này chỉ khác là cánh tay hàn là cánh tay có 3 khớp quay quanh trục Z với chiều
dài lần lượt L1, L2, L3 và các góc θ1, θ2, θ3 để xác định vị trí của chúng so với trục robot.
b khoảng cách từ tâm bánh xe đến trục chính.
e sai số giữa đường hàn và quỹ đạo của đầu hàn.
J ma trận Jacobian.
SVTH: Phạm Duy Quân

GVHD: TS. Phan Tấn Tùng

Trang 13


Chương 2 : Thiết lập mô hình động học cho robot hàn di động
k các hằng số.

Li chiều dài liên kết.
1

pE vector toạ độ của điểm đầu hàn so với platform.

r bán kính bánh xe.
(X-Y) hệ toạ độ cố định
(x-y) hệ toạ độ của platform.
θi góc các khớp của tay máy.
θP góc giữa trục chính của platform và trục X hệ toạ độ tuyệt đối.
θ̇i vận tốc góc của các khớp.
0

ωP vận tốc góc của platform.

ωRW, ωLW vận tốc góc của hai bánh xe.
2.2.2. Bài toán động học thuận của robot:
Trước tiên ta tính toạ độ điểm A so với tâm P
xA = xP + acosθP
yA = yP + asinθP

(2.9)

Sau đó tính toạ độ điểm E theo A (giống như giải bài toán thuận trong tay máy) sau đó
thay vào phương trình trên ta được:
xE = xA + L1cos(θP+ θ1) + L2cos(θP+ θ1+ θ2) + L3cos(θP+ θ1+ θ2+ θ3)
yE = yA + L1sin(θP+ θ1) + L2 sin (θP+ θ1+ θ2) + L3 sin(θP+ θ1+ θ2+ θ3)
ΦE = θP + θ1 + θ2 + θ3 – (1/2)π

(2.10)

Vận tốc góc hai bánh xe theo vP và ωP
ωRW = (vP + ωPb)/r

(2.11)

ωLW = (vP – ωPb)/r
Ở đây do việc xét đến bài toán động học ngược khá phức tạp nên không đề cập.
Tính vận tốc của điểm E so với hệ toạ độ O. Việc này gồm các bước sau:

SVTH: Phạm Duy Quân

GVHD: TS. Phan Tấn Tùng

Trang 14