KHẢO sát ĐỘNG học ROBOT bốn bậc tự DO DÙNG TRONG CÔNG NGHỆ sơn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Khoa Khoa Học Ứng Dụng

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨAVIỆT NAM

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

----------------------------------------------------------Ngày

tháng

năm

PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN
(Dành cho người hướng dẫn/phản biện)

1. Họ và tên SV:
Kiều Đức Vũ
MSSV:
K0304384
Ngành (chuyên ngành):

Cơ Kỹ Thuật

2. Đề tài: Khảo sát động học robot 4 bậc tự do ứng dụng trong công nghệ s ơn
3. Họ tên người hướng dẫn/phản biện:
4. Tổng quát về bản thuyết minh:
- Số trang:
- Số bảng số liệu:
- Số tài liệu tham khảo:
Hiện vật (sản phẩm):

5. Tổng quát về các bản vẽ
- Số bản vẽ:
1 A0
- Số bản vẽ vẽ tay:
00

- Số chương:
- Số hình vẽ:
- Phần mềm tính toán:

Số bản vẽ trên máy tính:

00

6. Những ưu điểm chính của LVTN: ……………………………………………… ……......
………………………………………………………………………...……………………
………………………………………………………………………...……………………
………………………………………………………………………...……………………
……………………………………………………………….……..…………… …………
7. Những thiếu sót chính của LVTN : ……………………………………………………... ...
………………………………………………………………………...…………… ………
………………………………………………………………………...……………………
………………………………………………………………………...……………………
……………………………………………………………….……..…………… …………
8. Đề nghị: Được bảo vệ 

Bổ xung thêm để bảo vệ

Không được bảo vệ

9. Câu hỏi SV phải trả lời trước Hội đồng (CBPB ra ít nhất 02 câu)
a. ……………………………………………………………………………….......
…………………………………………………………………………………...
b. …...………………………………………………………………………………
…….……………………………………………………………………………..
c. ………………………………………………………………………………...…
…………………………………………………………………………………...
Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB):

Điểm _____/10
Ký tên (ghi rõ họ tên)


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THANH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
BỘ MÔN CƠ KỸ THUẬT

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT
BỐN BẬC TỰ DO DÙNG TRONG
CÔNG NGHỆ SƠN

GVHD: TS. PHAN TẤN TÙNG
SVTH : KIỀU ĐỨC VŨ
MSSV : K0304384

TP HCM, THÁNG 1/2009

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THANH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
BỘ MÔN CƠ KỸ THUẬT
---------------o0o---------------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT
BỐN BẬC TỰ DO DÙNG TRONG
CÔNG NGHỆ SƠN

GVHD: TS. Phan Tấn Tùng
SVTH : Kiều Đức Vũ
MSSV : K0304384

Tp HCM, Tháng 1/2008

i


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
------o0o-----

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
KHOA: KHOA HỌC ỨNG DỤNG
BỘ MÔN: CƠ KỸ THUẬT
HỌ VÀ TÊN:
NGÀNH:

KIỀU ĐỨC VŨ
CƠ KỸ THUẬT

MSSV:
LỚP:

K0304384
KU03BCKT

1. Đầu đề luận án:
Khảo sát động học robot bốn bậc tự do d ùng trong công nghệ sơn
2. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):
Robot sơn được trong mặt phẳng có kích th ước tối đa 1500  850mm
Thuyết minh: (60  70 trang A4)
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Động học robot
Chương 3: Thiết kế động học robot 4 bậc tự do
Chương 4: Thiết kế nguyên lý bộ điều khiển
Chương 5: Mô phỏng robot 4 bậc tự do
Kết luận
Bảng vẽ: 1 A0
Lập trình: Mô phỏng bằng Simulink
3. Ngày giao nhiệm vụ luận án:

15 tháng 9 năm 2008

4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

30 tháng 12 năm 2008

5. Họ tên người hướng dẫn:
1. TS. Phan Tấn Tùng
(Bm Cơ Diện Tử - Khoa Cơ Khí)
Nội dung yêu cầu LATN đã được thông qua Bộ môn:

Phần hướng dẫn:
Toàn phần

Ngày 20 tháng 10 năm 2008
CHỦNHIỆM BỘ MÔN
(ký và ghi rõ họ tên)

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

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:
ii

LỜI CẢM ƠN

Luận văn tốt nghiệp là giai đoạn cuối của một sinh viên trải qua sau những năm học tập
để trở thành một kỹ sư và có thể hoạt động trên lĩnh vực mà mình đã chọn sau khi hoàn thành
chương trình đào tạo trong trường Đại học. Quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp là quá
trình đầu tư nghiêm túc của sinh viên, bên cạnh là các thầy cô giáo luôn động viên, giúp đỡ
các sinh viên của mình. Do đó, để hoàn tất đề tài luận văn một phần không nhỏ l à nhờ công
ơn của các thầy cô giáo đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em. Đó cũng chính là cơ sở và động
lực để em hoàn thành tốt luận văn của mình.
Cảm ơn thầy Phan Tấn Tùng, thầy đã trực tiếp hướng dẫn, giảng dạy và đã rất nhiệt tình
cùng em đi suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn.
Cũng xin gởi lời cảm ơn đến các thầy cô Bộ môn C ơ Kỹ Thuật, đến các thầy cô trực tiếp
giảng dạy em đồng thời gởi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên lớp KU03BCKT đã động viên
và đóng góp ý kiến giúp đỡ em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp cũng nh ư hoàn thành tốt
chương trình đào tạo của trường.
Lời cuối cùng, con xin được dành để cảm ơn cả gia đình, đặc biệt là Cha Mẹ đã dưỡng
dục và luôn quan tâm con để con có được ngày hôm nay.
Do sự hạn chế về thời gian cũng như trình độ nên bản luận văn không thể tránh khỏi
những thiếu sót rất mong những góp ý, những lời nhận xét bổ sung của các thầy cô và các bạn
sinh viên.
Xin chân thành cảm ơn!

iii


TÓM TẮT LUẬN VĂN

Đề tài “Khảo sát động học robot bốn bậc tự do d ùng trong công nghệ sơn” nhằm tìm hiểu
các vấn đề sau:

– 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 l àm cho khâu tác động cuối chuyển động theo một quỷ đạo mong
muốn hoặc chuyển động từ điểm n ày đến điểm kia theo thời gian mong muốn. Mục tiêu của
việc tính toán động học là định vị và định 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.
– Tính toán bài toán thuận để tìm vị trí và hướng của điểm tác động cuối so với hệ tọa độ
gốc. Tính toán bài toán động học ngược với kết quả là bộ nghiệm gồm các góc θ1, θ2, θ3. Tính
toán bài toán vận tốc để tìm mối quan hệ giữa vận tốc các khớp với vận tốc dài của điểm tác
động cuối.
– Dựa vào bài toán vận tốc để đưa ra luật điều khiển cho robot theo quỹ đạo , từ đó đưa ra
nguyên lý của bộ điều khiển cho robot.
– Tiến hành mô phỏng robot bốn bậc tự do bằng Simulink (một công cụ mô phỏng của
phần mềm Matlab) với nhiệm vụ của robot là sơn được trong mặt phẳng, để thấy được quá
trình hoạt động của robot trong không gian ảo. Đồng thời, thông qua kết quả mô phỏng nhằm
kiểm tra đánh giá khả năng hoạt động của robot cũng nh ư kiểm tra kết quả tính toán.

iv


MỤC LỤC
Đề mục

Trang

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

Tóm tắc……………………………………………………………………………....… iv
Mục luc……………………………………………………………………………..…... v
Danh sách hình vẽ…………………………………………………………...……….... vii
Danh sách bảng biểu………………………………………………………………..… ...x
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN………………………………………………………………. 1
1.1. Sơ lượt quá trình phát triển của robot công nghiệp…………………………….…... 1
1.2. Ứng dụng của robot trong công ng hệ sơn. …………………………………….…... 3
1.3. Định nghĩa robot công nghiệp . ……………………………………………………. 5
1.4. Các yêu cầu kỹ thuật. ………………………………………………………………. 7
1.4.1. Các đặt tính của robot công nghiệp …………………………………………….. 7
1.4.2. Hệ thống chuyển động của robot ……………………………………… ……….8
1.5. Một số hình ảnh về robot sơn…………………………………………………... …11
CHƯƠNG 2. ĐỘNG HỌC ROBOT………………………………………………... …...13
2.1. Động học vị trí robot. …………………………………………………………... …13
2.1.1. Biểu diễn ma trận ………………………………………………………... ……13
2.1.2.Các phép biến đổi…………………………………………………...………….16
2.1.3. Nghịch đảo của ma trận phép biến đổi …………………………………….... ...25
2.2. Động học thuận của các cấu hình robot điển hình.…………………………….. …26
2.2.1. Phương trình động học vị trí thuận biểu diễn vị trí. ………………………..….26

v


2.2.2. Phương trình động học thuận biểu diễn h ướng.…………………………….. ...30
2.2.3. Phương trình động học biểu diễn vị trí và hướng ………………….……..…..32
2.3. Động học thuận robot ……………………………………………………… ……..33
2.3.1. Tham số của thanh nối và khớp ………………………………………... ……..33
2.3.2. Phương pháp thiết kế khung tọa độ - Phép biểu diễn Danevit-Hartenberg ...…33
2.3.3. Quan hệ giữa hai khung tọa độ i và i + 1 …………………………………... …34
2.3.4. Phương trình động học ……………………………………………………... ....35

2.3.5. Trình tự thiết lập hệ phương trình động học của robot. …………………..…...36
2.4. Động học ngược robot …………………………………………………………... ...37
2.4.1. Các điều kiện giải bài toán động học ngược ………………………………... ...37
2.4.2. Lời giải của phép biến đổi Euler. ………………………………………….. …38
2.4.3. Lời giải của phép biến đổi Roll-Pitch-Yaw (RPY)………………………... …..40
2.5 Động học vận tốc…………………………………………………………….. …….42
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC ROBOT ………………………………...... ……44
3.1. Mô hình ……………………………………………………………………... …….44
3.2 Giải bài toán động học thuận của đề tài……………………………………... ……..45
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ BỘ ĐIỀU KHIỂN…………………...……….52
4.1. Xây dựng ma trận Jacobian……………………………………………... …………52
4.2 Động học vận tốc………………………………………………………... ………....55
4.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển …………………………………………………... ..56
CHƯƠNG 5. MÔ PHỎNG ROBOT BẰNG SIMULINK ………………………….......58
5.1 Giới thiệu sơ lượt về Simulink………………………………………………….... ...58
5.2 Mô phỏng robot bằng Simulink…………………………………………………... ..60
5.2.1 Các khối chính được sử dụng………………………………………………... …60
5.2.2 Chương trình mô phỏng……………………………………………………... …62
5.2.3 Kết quả mô phỏng…………………………………………………………... ….66
vi


DANH SÁCH HÌNH VẼ

STT

Hình

Tên hình

Trang

1

1.1

Robot đang thực hiện các nhiệm vụ sơn phức tạp cho khung ô tô

3

2

1.2

Công nhân đang làm việc phun sơn

4

3

1.3

Robot đang sơn và sản phẩm sơn

5

4

1.4

Robot phun sơn được trang bị thiết bị tay cuối tháo l ắp dễ dàng

6

5

1.5

Robot LR Mate 200iB

7

6

1.6

Hình dạng điển hình và các bộ phận của robot công nghiệp

9

7

1.7

Các tọa độ suy rộng của robot

9

8

1.8

Quy tắc bàn tay phải

10

9

1.9

Biểu diễn trường công tác của robot

10

10

1.10

Một số Robot sơn loại lớn của tập đoàn ABB

11

11

1.11

Một số hình ảnh về robot sơn loại nhỏ của tập đoàn ABB

12

12

2.1

Biểu diễn vectơ trong không gian

13

13

2.2

Biểu diễn khung tọa có trùng gốc với khung tọa độ chuẩn

14

14

2.3

Biểu diễn khung tọa độ B trong khung tọa độ A

14

14

2.4

Biểu diễn phép biến đổi tịnh tiến đ ơn trong không gian

16

16

2.5

Tọa độ điểm P trước và sau khi quay trong khung tọa độ B

17

17

2.6

Tọa độ điểm P trong khung tọa độ gốc v à khung tọa độ quay nhìn từ trục X

18

18

2.7

Minh họa phép biến đổi ví dụ 2.1

21

19

2.8

Minh họa phép biến đổi ví dụ 2.2

23

20

2.9

Minh họa phép biến đổi ví dụ 2.3

24

21

2.10

Robot kiểu tọa độ Đecac

27

22

2.11

Robot kiểu tọa độ trụ

28

23

2.12

Robot kiều tọa độ cầu

29

vii


24

2.13

Robot hoạt động theo hệ tọa độ góc

30

25

2.14

Phép biến đổi quay RPY

30

26

2.15

Phép biến đổi quay Euler

32

27

2.16

Thiết kế khung tọa độ thanh nối

34

28

2.17

Quan hệ giữa hai khung tọa độ

35

29

3.1

Mô hình robot

44

30

3.2

Chọn kích thước cho robot

45

31

3.3

Gắn hệ trục tọa độ cho robot

46

32

3.4

Mô hình robot nhìn từ trên xuống

46

33

4.1

Mô hình robot nhìn từ trên xuống

52

34

4.2

Quỹ đạo chuyển động của robot

52

35

4.3

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển robot

57

36

5.1

Cửa sổ duyệt thư viện Simulink

59

37

5.2

Cửa sổ soạn thảo

59

38

5.3

Thư viện SimMechanics

60

39

5.4

Chương trình mô phỏng robot

62

40

5.5

Chương trình mô phỏng hệ thống điều khiển khớp 1

63

41

5.6

Chương trình mô phỏng hệ thống điều khiển khớp2

64

42

5.7

Chương trình mô phỏng hệ thống điều khiển khớp3

65

43

5.8

Chương trình mô phỏng hệ thống điều khiển khớp tịnh tiến

65

44

5.9

Hình dạng robot tại sec 5 trong không gian 3 chiều

66

45

5.10

Hình dạng robot tại sec thứ 5 trong mặt phẳng X -Y

66

46

5.11

Quỹ đạo chuyển động tại điểm tác động cuối theo hệ trục X -Y tại sec thứ 5

67

47

5.12

Quỹ đạo chuyển động tại điểm tác động cuối theo hệ trục Y -Z tại sec thứ 5

67

48

5.13

Đồ thị các góc θ1, θ2, θ3 tại sec thứ 5

68

49

5.14

Đồ thị vận tốc V x, Vy, Vz tại sec thứ 5

69

viii


50

5.15

Hình dạng robot tại sec thứ 20 trong khô ng gian 3 chiều

70

41

5.16

Hình dạng robot tại sec thứ 20 trong mặt phẳng X -Y

70

52

5.17

Quỹ đạo chuyển động tại điểm tác động cuối theo hệ trục X -Y tại sec thứ 20

71

53

5.18

Quỹ đạo chuyển động tại điểm tác động cuối theo hệ trục Y -Z tại sec thứ 20

71

54

5.19

Đồ thị các góc θ1, θ2, θ3 tại sec thứ 20

72

55

5.20

Đồ thị vận tốc V x, Vy, Vz tại sec thứ 5

73

56

5.21

Hình dạng robot tại sec thứ 100 trong không gian 3 chiều

74

57

5.22

Hình dạng robot tại sec thứ 100 trong mặt phẳng X -Y

74

58

5.23

Quỹ đạo chuyển động tại điểm tác động cuối theo hệ trục X-Y tại sec thứ 100

75

59

2.24

Quỹ đạo chuyển động tại điểm tác động cuối theo hệ trục Y -Z tại sec thứ 100

75

60

5.25

Đồ thị các góc θ1, θ2, θ3 tại sec thứ 100

76

61

5.26

Đồ thị vận tốc V x, Vy, Vz tại sec thứ 100

77

62

5.27

Hình dạng robot tại sec thứ 150 trong không gian 3 chiều

78

63

5.28

Hình dạng robot tại sec thứ 150 trong mặt phẳng X -Y

78

64

5.29

Quỹ đạo chuyển động tại điểm tác động cuối theo hệ trục X -Y sec thứ 150

79

65

5.30

Quỹ đạo chuyển động tại điểm tác động cuối theo hệ trục Y -Z sec thứ 150

79

66

5.31

Sai số trong quỹ đạo chuyển động tại sec 151 theo ph ương X

80

67

5.32

Hình dạng robot tại sec thứ 300 trong không gian 3 chiều

81

68

5.33

Hình dạng robot tại sec thứ 300 trong mặt phẳng X-Y

81

69

5.34

Quỹ đạo chuyển động tại điểm tác động cuối theo hệ trục X -Y tại sec thứ 300

82

70

5.35

Quỹ đạo chuyển động tại điểm tác động cuối theo hệ trục Y -Z tại sec thứ 300

82

ix

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
STT

Bảng

Tên bảng

Trang

1

2.1

Tóm tắt các dạng phương trình động học

32

2

3.1

Bảng thông số D-H

47

3

5.1

Thông số mô phỏng

62


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1

Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Sơ lượt quá trình phát triển của robot công nghiệp (IR : Industrial Robot):
Thuật ngữ “Robot” xuất phá từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa l à công việc tạp dịch
trong vỡ kịch Rossum’s Universal Robots c ủa Karel Capek, vào năm 1921. Trong vỡ kịch
này, Rossum và con trai c ủa ông đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con ng ười để
phục vụ con người. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nh à sáng chế kỹ thuật về cơ cấu,
máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người.
Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo
một loại máy tự động vạn năng v à gọi là “Người máy công nghiệp” (Industrial Robot). Ng ày
nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) cho những thiết bị có
dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số
thao tác sản xuất.
Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ng ày nay có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật
ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperator) và các máy công cụ điều
khiển số (NC – Nummerically Controlled machine tool).
Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng y êu cầu gia
công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay. Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết
giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập tr ình của máy công cụ điều
khiển số.
Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển robot công nghiệp. Một
trong những robot công nghiệp đầu ti ên được chế tạo là robot Versatran của công ty AMF,

Mỹ. Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ cũng xuất hiện loại robot Unimate – 1900 được
dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ô tô.
Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp : Anh – 1967; Thụy Điển
và Nhật – 1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức – 1971; Pháp – 1972; Ý – 1973…
Từ những năm 70 việc nghi ên cứu nâng cao tính năng của robot đ ã chú ý nhiều đến sự lắp
đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi tr ường làm việc. Tại trường đại học
tổng hợp Standford người ta đã tạo ra loại robot lắp ráp tự động điều khiển bằng máy vi tính
trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực v à thị giác (mắt – tay). Vào thời gian này công
ty IBM đã chế tạo loại robot có các cảm giác v à cảm biến lực điều khiển bằng máy tính để lắp
ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết.
-1-


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1

Từ những năm 80, nhất là những năm 90, do áp dụng rộng r ãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử
lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, giá thành đã giảm đi rõ rệt,
tính năng đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền tự động sản xuất hiện đại.
Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi
các phương tiện tự động hóa sản xuất. Xu h ướng tạo ra những dây chuyền về thiết bị tự động
có tính linh động cao đang hình thành. Các thiết bị nầy đang thay thế dần các máy tự động
“cứng” chỉ đáp ứng một việc nhất định trong lúc thị tr ường luôn luôn đòi hỏi thay đổi mặt
hàng về chủng loại, về kích cỡ và về tính năng v.v…Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu c ầu ứng
dụng robot để tạo ra các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt .
Còn ở Việt Nam, trong giai đoạn tr ước năm 1990 hầu như trong nước hoàn toàn chưa du
nhập về kỹ thuật robot, thậm chí ch ưa nhận được nhiều thông tin về lĩnh vực n ày. Giai đoạn
tiếp theo từ năm 1990 các ng ành công nghiệp trong nước bắt đầu đổi mới. Nhiều c ơ sở đã
nhập ngoại nhiều dây chuyền thiết bị mới. Đặc biệt l à các cơ sở liên doanh với nước ngoài đã

nhập ngoại nhiều loại robot phục vụ cho các công việc nh ư: Tháo lắp các dụng cụ cho các
trung tâm gia công và các máy CNC, lắp ráp các linh kiện điện tử, tháo sản phẩm ở các máy
ép nhựa tự động, hàn võ xe ô tô, phun phủ các bề mặt…
Tháng 4 năm 1998, nhà máy Rorze/Robotech bư ớc vào hoạt động, là nhà máy đầu tiên ở
Việt Nam chế tạo và lắp ráp robot. Đó là loại robot có cấu trúc đơn giản nhưng rất chính xác
dùng trong sản xuất chất bán dẫn.
Một vài số liệu về số lượng robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp phát triển
sau.
Bảng 1.1: Bảng thông số quá trình phát triển của robot ở một số nước
Nước sản xuất

Năm 1990

Năm 1994

Năm 1998

Nhật

60.118

29.756

67.000

Mỹ

4.327

7.634

11.100

Đức

5.845

5.125

8.600

Ý

2.500

2.408

4.000

Pháp

1.488

1.197

2.000

Anh

510

1.086

1.500

Hàn Quốc

1.000

1.200

-2-


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1

1.2. Ứng dụng của robot trong công nghệ s ơn.
Ngày nay yêu cầu sản xuất những sản phẩm chất lượng cao với sản lượng tối đa và giá
thành thấp nhất có thể đang là động lực thúc đẩy các nhà sản xuất đưa robot phun sơn vào sàn
máy.
Robot sử dụng trong sản xuất công nghiệp đ ã rất đổi quen thuộc và trở thành công cụ triển
vọng trong 10 năm trở lại đây. Kinh nghiệm chuyển h ướng sang ứng dụng robot vào sản xuất
của ngành công nghiệp ô tô được lấy làm bài học cho nhiều ngành công nghiệp khác có tốc độ
ứng dụng công nghệ cao vào sản xuất rất chậm.

Hình 1.1: Robot đang cần mẫn thực hiện các nhiệm vụ sơn phức tạp cho khung ô tô
Nhìn chung, robot được sử dụng thay thế con ng ười và các máy móc khác trong t ừng công
việc cụ thể. Robot có thể l àm việc trong môi trường nguy hiểm, lặp đi lặp lại, v à những công

việc có yêu cầu kỹ thuật cao. Có thể lập trình và tái lập cho nhiều công việc khác nhau, v à có
khả năng thao tác với tốc độ nhanh h ơn con người.
Phun sơn cũng là công việc có hại cho sức khỏe công nhân. Môi tr ường làm việc ồn, sử
dụng nhiều hóa chất có thể gây ung th ư, 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 đ ược
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.

-3-


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1

a)

b)

c)

d)

Hình 1.2: Công nhân đang làm việc phun sơn
Phun sơn thủ công cần nhiều phụ phí đầu t ư và hoạt động như thiết bị cấp khí lớn, chi phí
đào tạo nhân viên, và lương cho công nhân. C òn 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. Ngo ài ra, robot còn có thể mang những thiết bị nh ư súng
phun sơn có khối lượng lớn hơn nhiều so với con người.

Những lý do khác để sử dụng robot trong ng ành phun sơn gồm khối lượng sản xuất lớn,
sự đa dạng trong sản phẩm cần s ơn, giá thành nhân công, an toàn trong lao đ ộng, giá vật liệu,
kích cỡ và độ phức tạp của sản phẩm...
Ngày nay, robot phun sơn đ ang 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 bị gia dụng... Trong công đoạn phun s ơn, robot được sử dụng nhằm nâng cao
chất lượng sản phẩm, tăng năng lực sản xuất v à giảm thiểu lượng sơn thừa. Những chuyển
-4-


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1

động nhuần nhuyễn, lặp đi lặp lại chính xác cao của robot cho ra đời những sản phẩm có bề
mặt sơn đều, bóng, chất lượng cao. Những lợi ích m à 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 đ ược những sản phẩm rất cạnh tranh m à vẫn đáp ứng
được thị hiếu thích đồ rẻ chất l ượng cao của khách hàng.

a)

b)

Hình 1.3: Robot đang sơn(a) và sản phẩm sơn (b)
1.3. Định nghĩa robot công nghiệp:
Hiện nay có nhiều định nghĩa về robot, có thể điểm qua một số định nghĩa sau:
Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp):
Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập tr ình, lặp lại các chương
trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ; có khả năng định vị, định h ướng,

di chuyển các đối tượng vật chất: chi tiết, dao cụ, gá lắp…theo những h ành trình thay đổi đã
chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.

-5-


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1

Hình 1.4: Robot phun sơn được trang bị thiết bị tay cuối tháo lắp dễ d àng
Định nghĩa theo RIA (Robot indtitite of America):
Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các ch ương trình được thiết kế để di chuyển
vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị c huyên dùng thông qua các chương tr ình chuyển
động có thể thay đổi để ho àn thành các nhiệm vụ khác nhau.
Định nghĩa theo ΓOCT 25686-85 (Nga):
Robot công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa
một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành
các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.
Có thể nói robot công nghiệp l à một tay máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc
toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng thích
nghi khác nhau.
Robot công nghiệp với khả năng chương trình linh hoạt trên nhiều trục chuyển động, biểu
thị cho số bậc tự do của chúng. Robot công nghiệp đ ược trang bị những bàn tay máy hoặc các
cơ cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định trong các quá tr ình công nghệ, hoặc
trực tiếp tham gia thực hiện các nguy ên công (sơn, hàn, phun ph ủ, rót kim loại vào khuôn đúc,
lắp ráp máy…) hoặc phục vụ các quá tr ình công nghệ (tháo lắp chi tiết gia công, dao cụ, đồ
gá…) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối tượng với các trạm công
nghệ, trong một hệ thống máy linh hoạt, được gọi là “Hệ thống tự động linh hoạt robot hóa”
cho phép thích ứng nhanh và thao tác đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất th ay đổi.

-6-


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1

1.4. Các yêu cầu kỹ thuật.
1.4.1 Các đặt tính của robot công nghiệp.
Tải trọng: Là trọng lượng robot có thể mang và giữ trong khi vẫn đảm bảo một số đặt tính
nào đó. Tải trọng lớn nhất lớn hơn tải trọng định mức nhiều, nh ưng robot không thể mang tải
trọng lớn hơn định mức, vì khi đó robot không đảm bảo được độ chính xác di chuyển.
Ví dụ, robot LR Mate 200iB (h ình 1.5) của hãng Fanuc có trọng lượng 45kg chỉ mang
trọng lượng 5kg.

Hình 1.5: Robot LR Mate 200iB
Tầm với: Là khoảng cách lớn nhất robot có thể v ươn tới trong phạm vi làm việc. Tầm
với là một hàm phụ thuộc vào cấu trúc của robot.
Độ phân dãi không gian: Là lượng gia tăng nhỏ nhất robot có thể thực hiện khi di
chuyển trong không gian. Độ phân d ãi phụ thuộc vào độ phân dãi điều khiển và độ chính xác
cơ khí. Độ phân dãi điều khiển xác định bởi độ phân d ãi hệ thống điều khiển vị trí và hệ thống
phản hồi: là tỷ số của phạm vi di chuyển và số bước di chuyển của khớp đ ược địa chỉ hóa
trong bộ điều khiển của robot;
Độ di chuyển của robot là tổng các dịch chuyển thành phần. Do đó dộ phân dãi của cả
robot là tổng các độ phân dãi các từng khớp robot;
Độ chính xác cơ khí trong cơ cấu truyền động các khớp và khâu phản hồi của hệ thống
điều khiển secvơ sẽ ảnh hưởng đến độ phân dãi. Các yếu tố làm giảm độ chính xác cơ khí như
khe hở trong hộp truyền, rò rỉ của hệ thống thủy lực, tải trọng tr ên tay robot, tốc độ di chuyển,
điều kiện bảo dưỡng robot, … Độ chính xác c ơ khí làm giảm độ phân dãi.

-7-


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1

Độ chính xác: Đánh giá độ chính xác vị trí tay robot có thể đạt đ ược. Độ chính xác
được định nghĩa theo độ phân d ãi của cơ cấu chấp hành. Độ chính xác di chuyển đến vị trí
mong muốn sẽ phụ thuộc vào độ dịch chuyển nhỏ nhất của khớp.
Độ lặp lại: Đánh giá độ chính xác khi robot di chuyển để với tới một điểm trong nhiều lần
hoạt động (ví dụ 100 lần). Do một số yếu tố mà robot không thể với tới cùng một điểm trong
nhiều lần hoạt động, mà các điểm với của robot nằm trong một v òng tròn với tâm là điểm đích
mong muốn. Bán kính của đường tròn đó là độ lặp lại.
Độ lặp lại là đại lượng có ý nghĩa quan trọng hơn độ chính xác. Độ chính xác được đánh giá
bằng sai số cố định; sai số cố định có thể phán đoán được và có thể hiệu chỉnh bằng chương
trình. Nhưng sai số ngẫu nhiên sẽ khó có thể khử được.
Độ nhún: Biểu thị sự dịch chuyển của điểm cuối cổ tay robot đáp ứng lại lực hoặc mômen
tác dụng.
1.4.2. Hệ thống chuyển động của robot.
Hệ thống chuyển động robot công nghiệp đảm bảo cho robot có thể thực hiện các nhiệm
vụ trong không gian làm việc bao gồm các chuyển động của th ân, cánh tay, cổ tay giữa các vị
trí hoặc chuyển động theo một quỹ đạo đặt tr ước.
1.4.2.1. Bậc tự do của robot (DOF : Degrees Of Free dom)
Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một c ơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến).
Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, c ơ cấu chấp hành của robot phải đạt được
một số bậc tự do. Nói chung c ơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do đó bậc tự do (w) của nó có
thể tính theo công thức:
6

w  6n   ipi
i 1

ở đây : n – số khâu động;

pi – số khớp loại i (i=1,2,…,6 : Số bậc tự do bị hạn chế).

Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến (khớp
động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động. Đối với c ơ cấu hở, số bậc tự do bằng
tổng số bậc tự do của các khớp động.
Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tùy ý trong không gian 3 chi ều
robot cần 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để định hướng. Một số
công việc đơn giản nâng, hạ, sắp xếp… có thể y êu cầu số bậc tự do ít hơn. Các robot hàn,

-8-


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1

sơn… thường yêu cầu 6 bậc tự do. Trong một số tr ường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc
khi cần phải tối ưu hóa quỹ đạo,… người ta dùng robot với số bậc tự do lớn hơn 6.

Hình 1.6: Hình dạng điển hình và các bộ phận của robot công nghiệp
1.4.2.2. Hệ tọa độ
Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (links) li ên kết với nhau qua các biến khớp (joints)
tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu c ơ bản (base) đứng yên. Hệ tọa độ gắn với
khâu cơ bản gọi là hệ tọa độ cơ bản (hay hệ tọa độ chuẩn).

Hình 1.7: Các tọa độ suy rộng của robot
Các hệ tọa độ trung gian gắn với các khâu động gọi là hệ tọa độ suy rộng. Trong từng thời
điểm hoạt động, các tọa độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch d ài
hoặc các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay (h ình 3.7). Các tọa độ suy
rộng còn được gọi là các biến khớp.

-9-


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1

Các hệ tọa độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo quy tắc bàn tay phải: Dùng tay
phải, nắm hai ngón tay út và áp vào lòng bàn tay, xòe 3 ngón: c ái, trỏ và giữa theo 3 phương
vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của trục z, thì ngón trỏ chỉ phương,
chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị phương chiều của trục y (hình 3.8)

Hình 1.8: Quy tắc bàn tay phải
1.4.2.3. Trường công tác của robot (Workspace or Range of motion)
Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của robot l à toàn bộ thể tích
được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Tr ường
công tác thường bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràng buộc cơ
học của các khớp.
Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác của một robot (h ình 1.9).

Hình 1.9: Biểu diễn trường công tác của robot

- 10 -

Luận văn tốt nghiệp

Chương 1

1.5. Một số hình ảnh về robot sơn.

a)

b)

c)

d)

d)

e)

Hình 1.10 Một số Robot sơn loại lớn của tập đoàn ABB

- 11 -


Luận văn tốt nghiệp

Chương 1

a)

b)

c)

d)

e)

f)

Hình 1.11 Một số hình ảnh về robot sơn loại nhỏ của tập đoàn ABB

- 12 -


Luận văn tốt nghiệp

Chương 2

2.3. Động học thuận robot
2.3.1. Tham số của thanh nối và khớp
Xét hai khớp i và i + 1, thanh nối giữa hai khớp i và i + 1 (hình 2.16).
Như minh họa trên hình 2.16, ai là độ dài pháp tuyến chung của trục khớp i và i +1; αi là
góc giữa hai trục khớp i và i +1 (góc giữa trục i +1 và đường thẳng song song trục i nằm trong
mặt phẳng chứa trục i +1 và trực giao với pháp tuyến chung ai).
Tương tự trục khớp i-1. Pháp tuyến chung của trục khớp i và i-1 là ai-1.
Khoảng cách giữa hai chân pháp tuyến chung của trục i là di. Góc θi là góc giữa hai pháp
tuyến chung của trục khớp i.
Đối với khớp quay, θi là góc quay của khớp. Do đó đặt θi là biến của khớp quay. Đối với

khớp tịnh tiến, di là độ dịch chuyển tịnh tiến của khớp, nên đặt di là biến của khớp tịnh tiến.
2.3.2. Phương pháp thiết kế khung tọa độ - phép biểu diễn Danevit-Hartenberg
Để nghiên cứu quan hệ giữa các thanh nối, khớp và tay robot, ta đặt các khung tọa độ cho
các thanh nối. Theo phương pháp biểu diễn Danevit-Hartenberg (D-H), khung tọa độ thanh
nối i được xây dựng theo nguyên tắc sau (hình 2.16).


Gốc thanh tọa độ thanh i đặt trùng với chân pháp tuyến chung của trục i và i + 1 và

nằm trên trục khớp i + 1.


Trục zi đặt theo phương của trục khớp i + 1.



Trục xi đặt thep phương pháp tuyến chung của trục i và i + 1 theo hướng đi từ trục

i đến i + 1
Một số trường hợp đặc biệt:


Khi hai trục z cắt nhau: sẽ không có pháp tuyến chung giữa hai khớp. Khi đó điểm

gốc của thanh tọa độ là giao điểm của hai trục và trục x được đặt dọc theo đường
vuông góc với mặt phẳng chứa hai trục z đó.


Hai trục song song, sẽ có nhiều pháp tuyến chung. Khi đó chọn pháp tuyến chung

trùng với pháp tuyến chung của khớp trước. Gốc khung tọa độ chọn sao cho di là nhỏ
nhất.

- 33 -