NGHIÊN cứu và THIẾT kế ROBOT sơn bốn bậc tự DO

Đại Học Quốc Gia Tp.HCM
TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA
---------Số : ______/BKĐT
KHOA : CƠ KHÍ
BỘ MÔN :

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
---------------

NHIỆM VỤ LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP
CHÚ Ý : SV phải dán tờ này vào trang thứ nhất của bản thuyết minh

HỌ VÀ TÊN :

PHẠM VĂN HỒNG PHÚC

MSSV :

20502117

NGÀNH :

KỸ THUẬT CHẾ TẠO

LỚP :

CK05-KSTN

1. Đầu đề luận án :
Nghiên cứu và thiết kế robot sơn 4 bậc tự do
2. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):
Thực hiện sơn mặt cong trụ có R>500mm. Diện tích 500x400.
- Thuyết minh (60 ~ 70 trang A4)
Tổng quan
Chọn cấu hình robot sơn
Khảo sát động học (bài toán thuận – nghịch)

Thiết kế bộ điều khiển
Mô phỏng trên máy tính
Kết luận
- Bản vẽ ( 3 )
Bản vẽ kết cấu tay máy ( 1 A0)
Bản vẽ kết quả mô phỏng ( 2 A2)
3. Ngày giao nhiệm vụ luận án : 28 / 9 / 2009
4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ : 12 / 1 / 2010
5. Họ tên người hướng dẫn :
1/ TS Phan Tấn Tùng
2/ ThS Huỳnh Duy Thanh

Phần hướng dẫn :
80%
20%

Nội dung và yêu cầu LATN đã được thông qua Bộ môn.
Ngày …… tháng ………. năm 200…..
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH

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 : _______________________________________


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN KỸ THUẬT CHẾ TẠO
---------------o0o---------------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ ROBOT SƠN
BỐN BẬC TỰ DO
GVHD: TS. Phan Tấn Tùng
SVTH: Phạm Văn Hồng Phúc
MSSV: 20502117

TPHCM, 01/2010
i

Lời cảm ơn
Để thực hiện đề tài, tác giả đã nhận được nhiều sự chỉ dẫn, giúp đỡ, và động viên quý báu
của nhiều người, thiếu một trong các sự giúp đỡ đó cũng có thể làm cho đề tài không đạt
được kết quả như ngày hôm nay.
Trước hết và trên hết em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc với Thầy TS. Phan Tấn Tùng. Thầy
đã hướng dẫn tận tình cho em cho đến khi hoàn thành đề tài, Thầy hỗ trợ, cung cấp cho em
nhiều kiến thức chuyên sâu cũng như các phương pháp nghiên cứu khoa học để thực hiện đề
tài.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy ThS. Huỳnh Duy Thanh. Với hành trang kiến
thức về việc tổ chức, lên kế hoạch giải quyết cho một vấn đề và cách thức viết báo cáo khoa
học mà Thầy cung cấp cho em sẽ là rất hữu ích cho công tác kỹ sư và nghiên cứu khoa học

sau này.
Em cũng vô cùng cảm ơn Thầy TS.Trần Thiên Phúc về những ý kiến đóng góp quý giá và
các thầy cô ở khoa Cơ Khí, trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM đã tham gia đào tạo và
hướng dẫn em trong suốt thời gian đại học mà nhờ đó em có đủ kiến thức và sự tự tin thực
hiện đề tài.
Bên cạnh đó, với sự giúp đỡ, hợp tác của bạn bè cùng với sự hỗ trợ tư liệu từ các thế hệ đàn
anh đã giúp tôi rất nhiều trong việc hoàn thành đề tài.
Con cũng xin cảm ơn gia đình đã luôn quan tâm, chăm sóc, và động viên con rất nhiều trong
quá trình học tập. Và em vô cùng cảm ơn và tự hào về anh Bùi Trần Duy Vũ, anh đã giúp đỡ
em rất nhiều.
TP.Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 01 năm 2010
Phạm Văn Hồng Phúc

ii


Tóm tắt đề tài
Với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, Robot ngày càng được sử dụng phổ biến
trong công nghiệp lẫn trong cuộc sống của con người. …Robot được sử dụng nhiều trong các
lónh vực khác nhau như cô ng nghiệp, dòch vụ, quân sự, do thám…Trong công nghiệp, Robot đã
thay thế con người thực hiện những công việc khó khăn, nguy hiểm -ví dụ như robot rà mìn,
robot hoạt động trong môi trường độc hại ( môi trường phóng xạ, nhiễm khuẩn,công nghiệp
hàn, sơn)… những công việc yêu cầu độ lặp lại và độ chính xác cao- như việc lắp ráp các linh
kiện điện tử. Ngày này việc ứng dụng robot vào trong công nghệ sơn đã trở nên phổ biến và
thu hút được nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu.

Việc xây dựng bài toán điều khiển cho đầu phun sơn di chuyển chính xác theo q đạo cho
trước là điều thiết yếu quan trọng ở robot sơn. Robot được lập trình để hoạt động chính xác
theo q đạo. Khâu chấp hành cuối của robot phải xác đònh đường đi qua các điểm nút theo
thời gian thực. Ở đây vấn đề thiết lập q đạo và đề ra thuật toán điều khiển theo q đạo là
rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng các nguyên công đảm nhận. Việc
điều khiển theo q đạo là điều khiển qua việc xấp xỉ liên tục các điểm rời rạc trên q đạo
với vận tốc không đổi để đảm bảo độ đồng đều của lớp sơn. Hiệu quả của bộ điều khiển được
kiểm nghiệm và mô phỏng trên Matlab.
Luận văn này thực hiện việc xây dựng nguyên lí điều khiển cho cánh tay robot bốn bậc tự do,
thực hiện công việc sơn trong mặt cong phẳng. Hiệu quả của bộ điều khiển s ẽ là cơ sở cho
việc phát triển các ứng dụng về việc điều khiển robot di chuyển chính xác theo quỹ đạo cho
trước.

iii


Mục Lục
Đề mục

Trang

Trang bìa ....................................................................................................................................i
Nhiệm vụ luận văn .....................................................................................................................
Lời cảm ơn ................................................................................................................................ii

Tóm tắt đề tài.......................................................................................................................... iii
Mục lục.....................................................................................................................................iv
Danh mục hình vẽ ..................................................................................................................... v
Danh mục bảng biểu................................................................................................................vi
Danh sách các từ viết tắt ........................................................................................................vii

Chương 1 - Tổng quan............................................................................................................. 1
1.1 Giới thiệu chung về robot............................................................................................... 1
1.1.1 Sơ lược lòch sử robot ................................................................................................ 1
1.1.2 Tình hình sử dụng robot trên thế giới ..................................................................... 3
1.2 Ứng dụng robot trong công nghệ sơn ............................................................................ 8
1.2.1 Những thuận lợi khi ứng dụng robot vào công nghệ sơn ...................................... 8

1.2.2 Khả năng và ứng dụng robot sơn .......................................................................... 10
1.3 Giới thiệu bài toán........................................................................................................ 12

Chương 2 - Cấu hình robot................................................................................................... 16
2.1 Phân tích phương án cấu hình ...................................................................................... 16
2.2 Thiết kế cánh tay robot ................................................................................................ 20
iv


Chương 3 - Động học robot .................................................................................................. 22
3.1 Động học thuận robot ................................................................................................... 22
3.1.1 Xây dựng khung tọa độ - phép biểu diễn Danevit-Hartenberg ............................ 23

3.1.2 Trình tự thiết lập hệ phương trình động học thuận robot .................................... 25
3.1.3 Phương trình động học thuận ................................................................................ 26
3.1.4 Xây dựng ma trận Jacobian .................................................................................. 31
3.2 Động học nghòch robot ................................................................................................. 34
3.2.1 Các điều kiện giải bài toán động học nghòch ...................................................... 35
3.2.2 Trình tự giải bài toán động học nghòch ................................................................ 39
3.2.3 Phương trình động học nghòch............................................................................... 39

Chương 4 - Thiết kế bộ điều khiển ..................................................................................... 40
4.1 Giới thiệu hàm Lyapunov ............................................................................................ 40
4.2 Đònh nghóa sai số vò trí.................................................................................................. 41
4.3 Xây dựng bộ điều khiển............................................................................................... 43

Chương 5 - Kết quả mô phỏng và kiểm nghiệm ............................................................... 46
5.1 Giới thiệu sơ lượt về chương trình mô phỏng.............................................................. 46
5.2 Kết quả mô phỏng ........................................................................................................ 49
5.3 Tổng kết ........................................................................................................................ 64

iv


Chương 6 - Kết luận và kiến nghò ....................................................................................... 65
6.1 Độ thích hợp của đề tài ................................................................................................ 65
6.2 Hạn chế của đề tài........................................................................................................ 65

6.3 Hướng phát triển........................................................................................................... 66

Tài liệu tham khảo.................................................................................................................. 67
Phụ lục..................................................................................................................................... 69

iv


Danh mục hình vẽ
Hình 1.1

Minh họa công việc phun sơn

9

Hình 1.2

Robot sơn trong công nghệ ô tô

10

Hình 1.3

Robot sơn trong việc sơn các sản phẩm

11

Hình 2.1

Đối tượng vật thể

16

Hình 2.2

Phương án 1 của cấu hình robot

17

Hình 2.3

Phương án 2 của cấu hình robot

18

Hình 2.4

Phương án 3 của cấu hình robot

18

Hình 2.5

Phương án 4 của cấu hình robot

19

Hình 2.6

Cấu hình lựa chọn cho cánh tay robot

20

Hình 2.7

Mô hình cánh tay robot

21

Hình 3.1

Thiết kế khung tọa độ thanh nối

24

Hình 3.2

Xây dựng hệ tọa độ H-D trên mô hình cánh tay robot

27

Hình 4.1

Sơ đồ khối bộ điều khiển

40

Hình 4.2

Sơ đồ xác đònh sai số

42

Hình 5.1

Sơ đồ khối Simulink tổng quát

50

Hình 5.2

Sơ đồ khối Simulink cho khớp tònh tiến

51

Hình 5.3

Vò trí cánh tay robot tại giây thứ 50

51

Hình 5.4

Vò trí điểm E tại giây thứ 50

52

Hình 5.5

Vò trí cánh tay robot tại giây thứ 93.8

52

v


Hình 5.6

Vò trí điểm E tại giây thứ 93.8

53

Hình 5.7

Vò trí cánh tay robot tại giây thứ 150

53

Hình 5.8

Vò trí điểm E tại giây thứ 150

54

Hình 5.9

Vò trí cánh tay robot tại giây thứ 187.6

54

Hình 5.10

Vò trí điểm E tại giây thứ 187.6

55

Hình 5.11

Đồ thò sai số

56

Hình 5.12

Đồ thò góc khớp 58

58

Hình 5.13

Giá trò các vận tốc góc của các khớp (rad/s)

59

Hình 5.14

Biểu đồ mô phỏng đầu phun sơn di chuyển theo q đạo vật thể

60

Hình 5.15

Biểu đồ kiểm tra giá trò sai số tại thời điểm ban đầu

61

Hình 5.16

Biểu đồ giá trò góc khớp theo thời gian

62

Hình 5.17

Biểu đồ giá trò biến khớp theo thời gian

63

v


Danh mục bảng biểu
Bảng 1.1

Bảng tóm tắt sơ lược về lòch sử phát triển công nghệ robot

2

Biểu đồ 1.1 Biểu đồ số lượng robot được sản xuất ở một số nước trên thế giới năm 2007

4

Biểu đồ 1.2 Biểu đồ thống kê – dự tính số lượng robot trên thế giới từ năm 2006-2010

5

Biểu đồ 1.3 Biểu đồ số lượng robot ở một số ngành nghề chính trong 2 năm 2006, 2007

6

Bảng 3.1

Bảng thông số D-H

27

Bảng 5.1

Bảng thống kê các thông số ban đầu

49

vi


Danh sách các từ viết tắt
Thông số

Mô tả

Đơn vò

(X-Y)

Hệ tọa độ gốc

(x-y)

Hệ tọa độ tương đối

Li

chiều dài khâu thứ i th

[m]

r

bán kính cong của q đạo cong phẳng 2.5D

[m]

vR

vận tốc đều của điểm tham chiếu R

[m/s]

vE

vận tốc đều của điểm tác động cuối E

[m/s]

dt

khoảng thời gian lấy mẫu

[s]

EE

ma trận sai số vò trí và hướng

J

ma trận Jacobian

k

hệ số dương

1

pE

vecto vò trí điểm tác động cuối

0

To

ma trận quay chuyển đổi từ hệ tọa độ tương đối sang hệ tọa độ gốc

VE

vecto vận tốc của điểm tác động cuối ứng với hệ tọa độ gốc

1

vecto vận tốc của điểm tác động cuối ứng với hệ tọa độ tương đối

VE

V

hàm vô hướng Lyapunov

vii


Ký hiệu Hy Lạp

i

góc khớp của khâu thứ i th

[rad]

i

biến khớp (góc quay) của khâu thứ i th

[rad/s]

R

vận tốc góc của điểm tham chiếu R

[rad/s]

E

vận tốc góc của điểm tác động cuối R

[rad/s]

e

sai số về hướng

[rad]

R

góc tiếp tuyến với q đạo của điểm tham chiếu R

[rad]

E

góc tiếp tuyến với q đạo của điểm tác động E

[rad]

Ký số
1, 2, 3

Chỉ số của khâu 1, 2, 3 của cánh tay robot

E, R

Chỉ số các điểm tác động cuối và điểm tham chiếu lúc làm việc

vii


Chương 1

TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu chung về Robot
1.1.1

Sơ lược lòch sử của Robot

Vào năm 232 trước công nguyên, nhà vật lý, nhà phát minh người Hy Lạp Ctesibius
đã làm ra đồng hồ nước với các con số di chuyển được, nó được coi như là cái máy
đầu tiên của lòch sử loài người. Đến thế kỉ 15, Leonardo Da Vinci thiết kế mô hình “
robot hiệp só” tên là Anthrobot, tạo dựng hình ảnh đầu tiên về robot. Đặc biệt thuật
ngữ Robot đã xuất hiện lần đầu tiên ở New York vào năm 1922 trong vở kòch có tên
“Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kòch người Tiệp Khắc là Karen Chapek,
còn từ robot theo tiếng Tiệp có nghóa là công việc lao dòch. Thời gian sau đó, robot
được biết đến rộng rãi và được đóng góp thêm bởi nhiều nhà nghiên cứu, nhà khoa
học, các công ty sản xuất chuyên biệt.

Ngày nay các nhà máy, các công ty đã ứng dụng những thành tựu của kỹ thuật tự
động để tăng sản lượng cũng như chất lượng sản xuất. Với những lợi thế nhất đònh của

mình, robot – chính là chìa khóa quan trọng dẫn đầu trong xu hướng tự động hóa ở thế
kỉ 21 này.
Sau đây là bảng tóm tắt sơ lược về lòch sử phát triển công nghệ robot

Trang 1


Bảng 1.1: Bảng tóm tắt sơ lược về lòch sử phát triển công nghệ robot
Mốc thời Nghiên cứu và phát triển

Ứng dụng trong Kỹ thuật hỗ

gian

công nghiệp

1920

trợ

Khái niệm robot xuất hiện trong
tiểu thuyết

1940-

Hình thành khái niệm và ý tưởng

1949

về robot

1950-

Phát minh ra cánh tay máy được

Giới thiệu về

1959

lập trình đầu tiên

bộ nhớ vòng
Phát triển robot

Robot được điều khiển bằng máy trong
1960-

tính ra đời. ( Robot hàn của hãng nghiệp

1969

General Motor)

Ứng

Tăng cường nghiên cứ u

NASA

công

1970-

thông minh nhân tạo.

1979

Phát triển robot lập trình điều
khiển bởi máy tính

1980-

Robot dùng trong công việc nguy

1989

hiểm, do thám vũ trụ

dụng

ở
và

Nghiên cứu về

robot phát triển
mạnh mẽ

dùng

Giới thiệu vi
xử lí

Phát triển vi
xử lí

Ứng dụng rộng Kỹ thuật số

rãi trong công và kỹ thuật
nghiệp

Trang 2

tính

transitor.

NAVY
Hình thành ý tưởng Robot trí

Máy

quang điện


1990-

Giới thiệu robot thông minh trong

2000

sản xuất

Có mặt ở hầu
hết các ngành
công nghiệp

Điều

khiển

logic

Phát triển và cải tiến robot hoạt

động trong công nghiệp.
2000-đến
nay

Tăng số lượng

Ra đời các robot dòch vụ (robot sử
giống người)

dụng robot

công nghiệp

Robot trí thông minh nhân tạo

1.1.2

Tình hình sử dụng robot trên thế giớ i
Trong những năm đầu thập niên 80, 70% robot được sử dụng ở các hệ thống tự động
hóa trong công nghiệp. Trong suốt thời gian này, các nhà sản xuất luôn cải tiến độ ổn
đònh, sự hiệu quả và năng suất của quá trình làm việc. Ngoài ra, việc ứng dụng robot
vào những lónh vực khác như an ninh, y tế, môi trường, không gian… cũng bắt đầu phát
triển mạnh mẽ.
Trong những năm gần đây, số lượng robot được sử dụng ở các khu vực có nhiều biến

động: giảm ở Châu Á, phục hồi ở Châu Mó, tiếp tục tăng trưởng ở Châu Âu. Trong
năm 2007, có khoảng 114365 robot công nghiệp, tăng khoảng 3%, giá trò tăng 11%
khoảng 6 tỉ Đôla. Trong đó, có khoảng 59300 robot ở châu Á( bao gồm cả Úc), ít hơn
4% so với năm 2006. Thò trường chính (Nhật Bản và Hàn Quốc) vẫn tiếp tục giảm đầu
tư vào robot công nghiệp. Mặt khác, vùng kinh tế mới nổi như Trung Quốc, Đông
Nam Á và Ấn Độ đều tăng trưởng về việc đầu tư robot.

Trang 3


Biểu đồ 1.1: Biểu đồ số lượng robot được sản xuất ở một số nước trên thế giới năm 2007

[ Số liệu theo Tạp chí World Robotic 2008 ]
Giai đoạn 2008-2010: việc sản xuất robot sẽ tiếp tục tăng trong giai đoạn này. Tuy nhiên
bóng đen của cuộc khủng hoảng kinh tế đã ảnh hưởng nhiều đến nền công nghiệp robot,
trong 6 tháng đầu năm 2008 số lượng robot tăng 12%, nhưng đến nửa cuối thì số lượng
giảm rõ rệt dẫn đến kết thúc năm 2008 chỉ đạt mức tăng bình quân 4%. Theo dự báo của
Hiệp Hội Robot thế giới IRF, thò trường robot sẽ tiếp tục tăng trong thời gian tới vì với xu
hướng tăng sản lượng và cắt giảm chi phí nhân lực cũng như chi phí sản xuất thì robot
chính là chìa khóa quan trọng để đạt được mục tiêu. Trong năm 2009 dự đoán số lượng
robot được sản xuất sẽ tăng 4.1% và đến đỉnh điểm sẽ tăng mạnh vào năm 2011.

Trang 4

Biểu đồ 1.2: Biểu đồ thống kê – dự tính số lượng robot trên thế giới từ năm 2006-2010

[ Số liệu theo Tạp chí World Robotic 2008 ]

Trang 5


Biểu đồ 1.3: Biểu đồ số lượng robot trong một số ngành nghề chính trong 2 năm 2006,
2007

[ Số liệu theo Tạp chí World Robotic 2008 ]

Trong công nghiệp, robot được sử dụng nhiều vì tính linh hoạt trong vận hành; hoạt động tinh
vi, nhanh và chuẩn xác; nhất là khả năng thay thế con người làm việc trong môi trường độc
hại và không an toàn là những yếu tố quyết đònh cho việc sử dụng robot trong sản xuất công
nghiệp. Trên thế giới, robot được sử dụng nhiều nhất trong các ngành chế tạo ôtô, công
nghiệp điện và điệ n tử, chế tạo máy và công nghiệp chế biến thực phẩm. Các công việc
thường sử dụng robot là hàn, lắp ráp, vận chuyển sản phẩm và cấp phôi trong các dây chuyền
tự động

Trang 6

 Tình hình robot ở Việt Nam:
Tại Việt Nam, những nă m qua, robot đã được sử dụng trong các ngành sản xuất vật
liệu xây dựng, luyện kim, chế tạo cơ khí, công nghiệp đóng tàu, an ninh quốc phòng
và một vài lónh vực khác như thăm dò khai thác biển. Trong sản xuất vật liệu xây
dựng, robot được sử dụng cho dây chuyền nghiền than tại Công ty Gốm xây dựng Hạ
Long. Tại các lò luyện cốc, công đoạn cấp than là một điển hình về môi trường độc
hại, khói bụi và nhiệt độ cao, ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người. Các nhà khoa
học đã nghiên cứu thử nghiệm phương án sử dụng robot cho khâu cấp than từ phía đỉnh
lò và đề xuất phương án sử dụng robot ở một số khâu khác cho Công ty Gang thép
Thái Nguyên.
Robot bốc xếp thay thế công nhân ở công đoạn lấy và sắp xếp sản phẩm trong dây
chuyền sản xuất kính cũng là một nhu cầu lớn. Trong công đoạn đúc kim loại ở các

nhà máy cơ khí và luyện kim, có thể sử dụng robot ở các khâu rót kim loại và tháo dỡ
khuôn - những khâu nặng nhọc, dễ gây tai nạn.
Hàn và cắt kim loại là công nghệ chiếm tỷ trọng lớn trong ngành công nghiệp đóng
tàu, có ý nghóa quyết đònh đến năng suất và chất lượng sản phẩm. Nhu cầu sử dụng
robot hàn, cắt là rất đáng kể. Robot được sử dụng trong một số công đoạn hàn vỏ tàu ở
phần đuôi, các robot tự hành có khả năng nhận dạng vết hàn phục vụ cho việc tự động
hóa một số công đoạn hàn trên boong và bên trong thân tàu thủy. Trong công đoạn
sản xuất nhựa nói chung và sản xuất phôi cho chai nhựa nói riêng, các tay máy được
sử dụng để lấy sản phẩm đang ở nhiệt độ cao từ trong khuôn ra ngoài, rút ngắn chu kỳ
ép của máy ép nhựa. Do hiệu quả mang lại khá cao, các nhà sản xuất nhựa đã nhập
một lượng lớn tay máy từ Canada, Nhật, Đài Loan với giá khá cao.

Trang 7


1.2 Ứng dụng Robot trong công nghệ sơn
1.2.1

Những thuận lợi khi sử dụng robot trong công nghệ sơn
Vấn đề con người và an toàn:
-

Phun sơn cũng là công việc có hại cho sức khỏe công nhân. Môi trường làm
việc ồn, sử dụng nhiều hóa chất có thể gây ung thư, phải bê súng phun, và làm

những việc lặp đi lặp lại. Để bảo vệ nhân viên khỏi môi trường độc hại này, có
nhiều biện pháp bảo hộ lao động được đưa ra như quần áo và mặt nạ bảo hộ.
Nhưng những thứ này lại gây bất tiện cho công nhân trong khi làm việc.

-

Nhìn chung, robot được sử dụng thay thế con người và các máy móc khác trong
từng công việc cụ thể. Robot có thể làm việc trong môi trường nguy hiểm, lặp
đi lặp lại, và những công việc có yêu cầu kỹ thuật cao. Có thể lập trình và tái
lập trình cho nhiều công việc khác nhau, và có khả năng thao tác với tốc độ
nhanh hơn con người.

-

Phun sơn thủ công cần nhiều phụ phí đầu tư và hoạt động như thiết bò cấp khí
lớn, chi phí đào tạo nhân viên, và lương cho công nhân. Còn đối với phun sơn
sử dụng robot, mặc dù ban đầu cần một lập trình viên thành thạo, nhưng sau đó
robot làm việc ngày đêm, không cần giám sát viên, không cần phải đào tạo
nâng cao tay nghề, và những sản phẩm ra đời có chất lượng đồng đều, độ tin
cậy cao. Ngoài ra, robot còn có thể mang những thiết bò như súng phun sơn có
khối lượng lớn hơn nhiều so với con người.

Trang 8

a)

b)

c)

d)
Hình 1.1: Minh họa công việc phun sơn

Vấn đề kỹ thuật và kinh tế:
-

Chất lượng bề mặt sơn phủ được cải thiện đáng kể: tăng độ đồng đều lớp sơn,
sự chính xác trong phạm vi hoạt động. . Những chuyển động nhuần nhuyễn, lặp
đi lặp lại chính xác cao của robot và sự ổn đònh trong tốc độ di chuyển cho ra
đời những sản phẩm có bề mặt sơn đều, bóng, chất lượng cao

Trang 9


-

Đa dang và linh hoạt: có thể đa dạng phối màu sơn với độ chính xác cao, tùy

theo bậc tự do của cánh tay robot mà có thể đạt được sự linh hoạt với môi
trường làm việc

-

Tránh sự lãng phí sơn, thời gian thay đổi hay phối màu. Đồng thời cũng giảm
thời gian chu trình và giảm chi phí.

-

Có khả năng tích hợp thêm nhiều công cụ cho phép thực hiện được nhiều
nhiệm vụ khác nhau.

1.2.2

Khả năng và ứng dụng Robot sơn:
Ngày nay, robot phun sơn đang được sử dụng được sử dụng trong nhiều ngành khác
nhau như trong ngành sản xuất ô tô, sơn vỏ điện thoại di động, máy tính, sứ vệ sinh,
máy biến thế, vỏ tủ điện, thiết bò gia dụng... Trong công đoạn phun sơn, robot được sử
dụng nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng năng lực sản xuất và giảm thiểu lượng
sơn thừa. Những lợi ích mà robot mang lại là chất lượng sản phẩm cao hơn, tận dụng
tối đa sơn, sản lượng cao hơn và không còn độc hại tới sức khỏe con người. Những nhà
sản xuất sử dụng robot có được những sản phẩm rất cạnh tranh mà vẫn đáp ứng được
thò hiếu thích đồ rẻ chất lượng cao của khách hàng.

Hình 1.2: Robot sơn trong công nghệ ô tô
Trang 10


Hỡnh 1.3: Robot sụn trong vieọc sụn caực saỷn phaồm

Trang 11


1.3 Giới thiệu bài toán:
Hiện nay có rất nhiều cách giải quyết cho bài toán robot sơn, cũng có rất nhiều cấu

hình robot sơn tùy thuộc vào những yêu cầu làm việc khác nhau.
 Sơ

lược

các

nghiên

cứu

được

thực

hiện

gần

đây:

- Suk-Swan Suh, et al., 1993 [10 ]: xây dựng hệ thống robot sơn phun theo phương
pháp điều khiển dẫn đường và lập trình offline.
- D. Kushida, et al., 2002 [11]: xây dựng thuật toán điều khiển cánh tay robot sơn

dựa trên sự bồi thường ma sát và quán tính.
- Tung Phan Tan, et al., 2005 [9 ]: thiết kế và kiểm nghiệm bộ điều khiển cho
robot hàn theo phương pháp điều khiển lân cận, độ ổn đònh của bộ điều khiển dựa
trên công thức Lyapunov.
- Georg Biegelbauer, et al., 2007 [12 ]: thiết kế robot sơn với việc ứng dụng kỹ
thuật quang học để chụp hình vật thể rồi bộ điều khiển tiến hành phân tích và lập
trình đường đi cho đầu phun sơn.
Luận văn này tập trung xây dựng bộ điều khiển cho robot sơn với để đảm bảo việc
điều khiển đầu phun sơn di chuyể n theo q đạo vật thể với sai số trong phạm vi cho
phép. Hiệu quả của thuật toán điều khiển được kiểm nghiệm trong Matlab. Với việc
giả sử mô hình đối tượng vật thể có bề mặt là mặt cong phẳng nằm ngang – ví dụ
như là hình trụ.

Để thực hiện công việc sơn cho đối tượng là mặt cong phẳng nằm ngang 2D thì cấu
hình yêu cầu là cánh tay robot có 4 bậc tự do. Do đó, Luận văn này thực hiện việc
thiết kế cấu hình và điều khiển cánh tay robot với 4 bậc tự do thực hiện nhiệm vụ sơn
trong mặt cong phẳng. (với 3 bậc tự do thực hiện việc chuyển động trong mặt cong

Trang 12


phẳng 2D, 1 bậc tự do tònh tiến lên xuống để sơn phủ toàn bộ bề mặt của hình trụ) .
Đế của cánh tay robot sơn là cố đònh, các khớp quay cũng như tònh tiến thay đổi để
đảm bảo việc di chuyển đầu mũi sơn theo q đạo của đối tượng sơn.
 Mục tiêu luận văn: Xây dựng bộ điều khiển đảm bảo việc điều khiển cánh tay

robot di chuyể n song song theo đúng biên dạng của đối tượng sơn với vận tốc
không đổi
- Sai số về khoảng cách hay vò trí của luôn nằm trong phạm vi

5mm

- Sai số về góc ( góc lệch giữa đầu phun sơn với pháp tuyến tại điểm cần sơn )
trong phạm vi

40

- Các sai số xuất hiện thì nhanh chóng trở về zero trong khoảng thời gian tối đa là

5s
- Đảm bảo sự hoạt động ổn đònh của robot trong vùng làm việc.

 Những nhiệm vụ chính trong luận văn:
-

Tìm hiểu về robot, nghiên cứu tính toán khái quát động học cho robot công
nghiệp, từ đó áp dụng tính toán động học cho robot bốn bậc tự do sơn được
trong mặt phẳng.

-

Tính toán động học nhằm tìm hiểu nguyên lý hoạt động của robot, khả năng
chuyển động linh hoạt của các khâu làm cho khâu tác động cuối chuyển động
theo một quỹ đạo mong muốn hoặc chuyển động từ điểm này đến điểm kia
theo thời gian mong muốn. Mục tiêu của việc tính toán động học là đònh vò và
đònh hướng của điểm tác động cuối tại mọi thời điểm. Trong tính toán động học
có hai bài toán quan trọng là bài toán thuận và bài toán ngược. Ngoài ra còn có
bài toán vận tốc.
Trang 13