Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot tác hợ MRM trong gia công cơ khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN THỊ QUYÊN

THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT
TÁC HỢP MRM TRONG GIA CÔNG CƠ KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CƠ ĐIỆN TỬ

Hà Nội – Năm 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN THỊ QUYÊN

THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT
TÁC HỢP MRM TRONG GIA CÔNG CƠ KHÍ

Chuyên ngành: Cơ Điện Tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. PHAN BÙI KHÔI

Hà Nội – Năm 2015


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận văn này do tôi thực hiện dƣới sự
hƣớng dẫn của thầy giáo: PGS. TS Phan Bùi Khôi.
Để hoàn thành luận văn này, tôi có sử dụng các tài liệu tham khảo đã đƣợc ghi
trong mục tài liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất kỳ tài liệu nào không đƣợc
ghi.
Nếu sai phạm, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định.
Học viên thực hiện

Nguyễn Thị Quyên

3


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

Mục lục
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... 3

LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 4
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT TÁC HỢP.................................................... 7
1.1.

1.2.

1.3.

2.1.

2.2.

Robot tác hợp...................................................................................................................7
1.1.1.

Cấu trúc robot tác hợp ............................................................................................ 8

1.1.2.

Chuyển động thao tác của robot tác hợp .............................................................. 12

1.1.3.

Mô hình robot tác hợp ứng dụng trong gia công cơ khí ..................................... 13

Robot tác hợp gia công cơ khí ..................................................................................... 15
1.2.1.

Mô hình robot tác hợp A ....................................................................................... 15

1.2.2.

Mô hình robot tác hợp B ....................................................................................... 17

Cơ sở lý thuyết khảo sát robot tác hợp....................................................................... 18
1.3.1.

Phương pháp ma trận truyền biến đổi thuần nhất .............................................. 19

1.3.3

Phương pháp Denavit- Hartenberg, phương pháp Jonh Craig .......................... 24

1.3.3

Phương pháp tọa độ suy rộng ............................................................................... 31

Các ma trận truyền biến đổi tọa độ thuần nhất ........................................................ 33
2.1.1.

Khảo sát cấu trúc động học robot tác hợp............................................................ 33

2.1.2.

Thiết lập hệ tọa độ, ma trận trong robot tác hợp. ................................................ 35

2.1.3.

Các dây chuyền động học ..................................................................................... 42

Phƣơng pháp tam diện trùng theo .............................................................................. 50
2.2.1.

Đặc trưng hình học của đối tượng gia công ........................................................ 50

2.2.2.

Đặc trưng hình học của dụng cụ .......................................................................... 52

2.2.3.

Đặc trưng trạng thái của dụng cụ khi gia công ................................................. 54

1


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

2.3.

Khảo sát động học robot tác hợp ................................................................................ 56
2.3.1.

Phương trình động học robot tác hợp .................................................................. 56

2.3.2.

Bài toán động học thuận ....................................................................................... 60

2.3.3.

Bài toán động học ngược ...................................................................................... 62

CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CHO ROBOT TÁC HỢP
....................................................................................................................................... 66
3.1.

3.2.

3.3.

Thiết kế quỹ đạo hình học ........................................................................................... 66
3.1.1.

Mô hình hóa đối tượng ......................................................................................... 67

3.1.2.

Mô hình hóa đường dịch chuyển ......................................................................... 69

3.1.3.

Nội suy đường dịch chuyển. ................................................................................. 72

3.1.4.

Trạng thái khâu thao tác ...................................................................................... 74

3.1.5.

Thiết kế quỹ đạo hình học..................................................................................... 75

Thiết kế quỹ đạo động học........................................................................................... 78
3.2.1.

Yêu cầu kĩ thuật về vận tốc dụng cụ trong quá trình gia công .......................... 79

3.2.2.

Yêu cầu kĩ thuật về gia tốc dụng cụ trong quá trình gia công ............................ 81

Mô phỏng chuyển động robot tác hợp ........................................................................ 82
3.3.1.

Mô phỏng số động học robot. ............................................................................... 83

3.3.2.

Kết quả mô phỏng số ............................................................................................. 84

3.3.3.

Mô phỏng hoạt động robot.................................................................................... 87

KẾT LUẬN .................................................................................................................. 91
Tài liệu tham khảo ...................................................................................................... 93

2


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

LỜI MỞ ĐẦU
Trong sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, con ngƣời ngày càng hiện
thực hóa ƣớc mơ làm chủ thế giới. Với mong muốn tự động hóa, sử dụng máy móc
thay thế cho lao động chân tay ,việc nghiên cứu robot đang là hƣớng phát triển kỹ thuật
của nhiều quốc gia trên thế giới. Robot ngày càng có nhiều ứng dụng trong đời sống
thực tế, với các ứng dụng đa dạng ở nhiều mặt, và đặc biệt ngày càng đƣợc tối ƣu hóa
trong các mục đích sử dụng.
Trong lĩnh vực gia công cơ khí, việc tối ƣu hóa robot thể hiện ở việc đơn giản hóa
về mặt cấu trúc, tăng tính linh hoạt trong khả năng gia công và có khả năng điều khiển
số dễ dàng. Robot tác hợp - Mechanism of Relative Manipulation Robot (MRM) là một
trong những hƣớng phát triển giúp tối ƣu hóa khả năng của robot. Đƣợc cấu trúc bởi
hai robot phối hợp chuyển động thực hiện thao tác, robot tác hợp có ƣu điểm linh hoạt
trong định vị và định hƣớng giữa khâu thao tác và đối tƣợng đƣợc thao tác. Với robot
cấu trúc nối tiếp chuỗi hở, để đạt đƣợc vị trí và hƣớng tùy ý của khâu thao tác đối với
đối tƣợng cần có cấu trúc 6 khâu, 6 bậc tự do. Với robot tác hợp yêu cầu đó đƣợc thỏa
mãn với cấu trúc hai robot chuỗi 3 khâu, 3 bậc tự do. Nhƣ vậy cấu trúc robot thành
phần của robot tác hợp có thể đơn giản hơn và nhờ đó độ cứng vững dễ đạt đƣợc cao
hơn.
Khi khảo sát, tính toán động học, động lực học, các biểu thức biểu diễn chuyển
động, vận tốc, gia tốc, lực tác dụng,…với hai robot 3 khâu 3 bậc tự do sẽ gọn, ít cồng
kềnh và đồ sộ so với các biểu thức biểu diễn robot 6 bậc tự do. Điều đó cũng dẫn đến
thuận lợi trong điều khiển robot bởi tốc độ tính toán, xử lý thông tin nhanh, dễ thực

hiện điều khiển theo thời gian thực.

4


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

Chính những ƣu điểm và lợi thế đó, robot tác hợp đã và đang đƣợc nghiên cứu,
ứng dụng bởi các nhà khoa học quốc tế [1-5], cũng nhƣ sự quan tâm nghiên cứu ở
trong nƣớc [6-12].
Trong giới hạn luận văn thạc sĩ kỹ thuật, luận văn trình bày bài toán động học và
bài toán thiết kế quỹ đạo của một robot tác hợp gia công cơ khí dựa trên mô hình một
robot tác hợp cụ thể.
Luận văn trình bày phƣơng pháp khảo sát động học, thiết lập phƣơng trình động
học robot và các giải thuật tính toán, đồng thời trình bày phƣơng pháp thiết kế quỹ đạo
theo yêu cầu thao tác công nghệ, tính toán động học vị trí và mô phỏng hoạt động của
robot.
Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về robot tác hợp và cơ sở tính toán động học.
Trình bày cơ sở lí thuyết cho việc khảo sát động học robot tác hợp. Đƣa ra mô hình
robot tác hợp cụ thể để nghiên cứu.
Chƣơng 2: Khảo sát động học mô hình robot tác hợp đã đƣa ra. Việc khảo sát
động học mô hình robot tác hợp đƣợc thực hiện dựa vào cơ sở lí thuyết trình bày trong
chƣơng 1, cùng với cấu trúc và yêu cầu cụ thể của mô hình robot đang nghiên cứu.
Chƣơng 3: Thiết kế quỹ đạo và mô phỏng. Trình bày phƣơng pháp thiết kế quỹ
đạo hình học, quỹ đạo động học theo yêu cầu thao tác công nghệ, tính toán động học vị
trí, và mô phỏng hoạt động của robot. Để minh họa khả năng ứng dụng của mô hình đề
xuất, một chƣơng trinh tổng quát đã đƣợc phát triển để mô phỏng chuyển động của

robot dựa trên ngôn ngữ Visual C.
Luận văn đi vào nghiên cứu mô hình robot tác hợp với hai tay máy robot đều có
dạng chuỗi động hở liên tiếp với. Tuy nhiên khi thực hiện gia công tạo hình chi tiết
tổng thể cấu trúc cơ cấu trở thành cấu trúc vòng kín, nên khó khăn cho việc khảo sát

5


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

động học. Giải quyết bài toán khảo sát động học rút ra phƣơng trình động học robot kết
hợp với các yêu cầu công nghệ về vị trí, về vận tốc, gia tốc để thiết kế quỹ đạo hình
học cũng nhƣ động học cho robot. Sử dụng các phần mềm tính toán và mô phỏng động
học cho mô hình robot.
Để hoàn thành luận văn em đã nhận đƣợc sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình về kiến thức
cũng nhƣ phƣơng pháp nghiên cứu của các thầy cô trong viện Cơ khí cũng nhƣ bộ môn
cơ ứng dụng. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả quý thầy cô, đặc biệt em xin
gửi lời cảm ơn chân thành và biết ơn sâu sắc đến PGS. TS Phan Bùi Khôi đã trực tiếp
hƣớng dẫn và định hƣớng cho em thực hiện luận văn này. Trong quá trình thực hiện
luận văn, do những hạn chế về mặt thời gian thực hiện và mô hình đề cập cũng khá mới
mẻ nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, em kính mong nhận đƣợc sự góp ý, sửa
chữa và định hƣớng phát triển hƣớng nghiên cứu cho luận văn của quý thầy cô. Em xin
chân thành cảm ơn.

Học viên
Nguyễn Thị Quyên

6


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT TÁC HỢP
Ngày nay, trong xu thế phát triển của xã hội các yêu cầu tự động hóa, hiện đại
hóa trong mọi lĩnh vực sản xuất luôn đƣợc quan tâm nghiên cứu. Đặc biệt trong lĩnh
vực kỹ thuật cơ khí thì ngày càng có nhiều máy móc và thiết bị thao tác chƣơng trình
số đƣợc phát triển. Việc sử dụng máy móc để thay thế cho mọi hoạt động của con
ngƣời đƣợc hiện thực hóa với sự ra đời của robot công nghiệp. Trong nửa thế kỷ phát
triển gần đây, với sự đầu tƣ nghiên cứu của nhiều quốc gia trên thế giới robot đã có
nhiều bƣớc tiến nhảy vọt, đóng góp một phần quan trọng và không thể thiếu trong các
lĩnh vực, đặc biệt là trong sản xuất công nghiệp. Với khả năng làm việc một cách tự
động với thao tác chính xác trong một thời gian dài, cùng ƣu thế có thể thay thế con
ngƣời làm việc trong các môi trƣờng độc hại, nguy hiểm, trong các không gian nhỏ thì
robot càng đƣợc đi sâu vào nghiên cứu để phát triển. Môi trƣờng ứng dụng của robot
cũng ngày càng đƣợc mở rộng không chỉ trong công nghiệp mà trong mọi lĩnh vực của
đời sống. Xu thế phát triển của robot công nghiệp ngày nay tập trung vào các robot có
tính ƣu việt nhƣ: Làm việc với tốc độ nhanh hơn, chính xác hơn, kinh tế hơn, các hệ
thống ngày càng gọn nhẹ, nhiều module hơn, hệ thống giao tiếp thông minh, điều khiển
số... Mô hình robot tác hợp dƣới đây là một hƣớng phát triển của robot thể hiện các ƣu
thế vƣợt trội của robot khi tham gia quá trình sản xuất, đặc biệt là lĩnh vực cơ khí đòi
hỏi tính chính xác cao.
1.1. Robot tác hợp
Robot công nghiệp hoạt động tự động theo những chƣơng trình đƣợc thiết lập sẵn
nhằm thay đổi vị trí cũng nhƣ hƣớng của khâu thao tác phù hợp với yêu cầu và điều

kiện quá trình gia công. Khi kết hợp hai hay nhiều robot phối hợp chuyển động thực
hiện thao tác trong cùng một quá trình công nghệ không chỉ phát huy hết khả năng làm
việc của từng robot mà còn giúp đơn giản hóa cấu trúc tổng thể của một cỗ máy đảm

7


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

nhiệm hết các vai trò của một quá trình gia công. Hệ thống này đƣợc gọi là một robot
tác hợp.

1.1.1.

Cấu trúc robot tác hợp

` Một robot công nghiệp thông thƣờng đƣợc cấu tạo từ ba phần chính: Bộ phận
cảm biến, bộ phận điều khiển và cơ cấu chấp hành. Trong đó kết cấu của phần cơ cấu
chấp hành (tay máy) là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của robot. Đó là phần
cơ khí đảm đảm cho robot có khả năng chuyển động trong không gian cũng nhƣ thực
hiện các quá trình công nghệ. Tùy vào từng yêu cầu, điều kiện làm việc của robot để
đƣa ra các kết cấu tay máy phù hợp. Các thông số của tay máy là:
- Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay máy...
- Số bậc tự do, trƣờng thao tác của tay máy. Là khả năng di chuyển, quay theo các
phƣơng, các trục của khâu thao tác, phần thể tích đƣợc quét bởi khâu chấp hành khi
robot thực hiện mọi chuyển động. Số bậc tự do và trƣờng thao tác của tay máy phụ
thuộc vào kích thƣớc hình học các khâu cũng nhƣ cấu tạo của các khớp.

- Độ linh hoạt: Là khả năng định vị, thay đổi vị trí và hƣớng của khâu thao tác để
thực hiện các yêu cầu công nghệ
Hƣớng ứng dụng robot trong gia công cơ khí đƣợc phát triển nhiều trong những
năm gần đây chủ yếu hƣớng vào hoàn thiện cấu trúc robot, để robot tăng tính linh hoạt
trong thao tác đảm bảo tính chính xác và phức tạp của sản phẩm đƣợc ra công, mà vẫn
đảm bảo độ cứng vững trong quá trình hoạt động. Robot tác hợp là một hƣớng ứng
dụng nhƣ vậy. Robot tác hợp là một hệ gồm hai hay nhiều cánh tay robot đƣợc kết hợp
với nhau để cùng tham gia thực hiện gia công một chi tiết. Mỗi robot trong hệ thống
robot tác hợp giữ một nhiệm vụ trong quá trình gia công, các robot này phải đảm bảo
đƣợc khả năng chuyển động phối hợp nhịp nhàng các thao tác trong quá trình gia công.
Các robot tác hợp đƣợc nghiên cứu hiện hay thông thƣờng có cấu trúc gồm 2
robot chính: Robot có nhiệm vụ giữ chi tiết gia công và robot có nhiệm vụ giữ dụng cụ

8


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

gia công. Mỗi robot thuộc hệ thống robot tác hợp có cấu trúc tay máy nhƣ một robot
công nghiệp thông thƣờng gồm các khâu đƣợc liên kết với nhau bằng các khớp động.
Robot mang dụng cụ gia công có khâu thao tác là khâu mang dụng cụ gia công:
mũi hàn, dao cắt, đá mài, mũi khoan... Robot này có nhiệm vụ giữ và di chuyển dụng
cụ gia công.
Robot mang chi tiết gia công có khâu thao tác là khâu mang chi tiết gia công.
Robot này có nhiệm vụ giữ và di chuyển chi tiết gia công.
Mỗi tay máy có cấu trúc động học riêng, tuy nhiên khi kết hợp chuyển động của
hai tay máy thì có thể tạo thành một chuỗi động học kín với các khâu chuyển động nhịp

nhàng, vị trí của các khâu trong các mạch động học có liên hệ theo những quy luật nhất
định.

Hình 1. a: Mô hình robot tác hợp ứng dụng
Hình 1.b: Mô hình robot tác hợp ứng
trong công nghệ hàn với hai tay máy
dụng trong công nghệ hàn với ba tay máy

9


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

Hình 2: Mô hình robot tác hợp ứng dụng trong công nghệ cắt laze

Hình 3: Mô hình robot tác hợp ứng dụng trong công nghệ cắt laze
với bàn máy song song cầu
10


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

Hình 4: Mô hình robot tác hợp ứng dụng trong công nghệ
mài cánh tuabin

Với mỗi robot thuộc hệ thống robot tác hợp, cấu trúc robot đƣợc thiết kế với yêu
cầu di chuyển của robot trong quá trình gia công, số bậc tự do và vùng thao tác của các
robot này sẽ phụ thuộc vào cấu trúc của từng robot. Các robot tác hợp có cấu trúc đa
dạng, sự tổ hợp các robot với thành phần cấu trúc khác nhau có thể thích hợp cho nhiều
ứng dụng.

Từ cấu trúc của các robot thành phần có thể phân loại robot tác hợp thành các
dạng:
- Robot tác hợp có các robot thành phần đều là robot với chuỗi động liên tiếp
( hình 1.a, hình 1.b, hình 2, hình 4)
- Robot tác hợp có: robot mang dụng cụ gia công là robot chuỗi liên tiếp, robot
giữ chi tiết gia công là robot song song (hình 3)
- Robot tác hợp có: robot mang dụng cụ gia công và robot mang chi tiết gia công
đều thuộc loại robot song song

11


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

Với việc kết hợp hai robot để cùng thực hiện quá trình gia công chi tiết, cấu trúc
tổng thể của các robot tác hợp này sẽ đảm bảo đƣợc số bậc tự do cần thiết làm tăng tính
linh hoạt cho robot. Giả thiết:
- số bậc tự do của robot mang dụng cụ là n
- số bậc tự do của robot mang chi tiết gia công là: m


số bậc tự do của robot tác hợp này sẽ là: m + n.

Với robot cấu trúc nối tiếp chuỗi hở, để đạt đƣợc vị trí và hƣớng tùy ý của khâu
thao tác đối với đối tƣợng cần có cấu trúc 6 khâu, 6 bậc tự do. Với robot tác hợp yêu
cầu đó đƣợc thỏa mãn với cấu trúc hai robot chuỗi 3 khâu, 3 bậc tự do. Nhƣ vậy cấu
trúc robot thành phần của robot tác hợp có thể đơn giản hơn và nhờ đó độ cứng vững
dễ đạt đƣợc cao hơn.
1.1.2.

Chuyển động thao tác của robot tác hợp

Chuyển động thao tác của robot tác hợp là quá trình kết hợp chuyển động của các
tay máy robot thành phần để thực hiện một quá trình công nghệ.
Khác với các robot thông thƣờng, khi thực hiện các quá trình gia công chi tiết gia
công đứng yên, dụng cụ gia công di chuyển trên chi tiết thực hiện quá trình gia công.
Với robot tác hợp quá trình gia công này có sự kết hợp của cả hai di chuyển của dụng
cụ gia công và đối tƣợng gia công.
Để thực hiện một quá trình gia công, robot mang dụng cụ đảm nhiệm nhiệm vụ
giữ và di chuyển dụng cụ gia công, robot mang đối tƣợng gia công đảm nhiệm nhiệm
vụ giữ và di chuyển đối tƣợng gia công. Chuyển động hai robot này phải đảm bảo sao
cho, dụng cụ gia công di chuyển theo đƣờng dụng cụ nằm trên chi tiết gia công và thực
hiện gia công. Mỗi quá trình công nghệ có những yêu cầu công nghệ tƣơng ứng, do vậy
các chuyển động của robot cũng phải đảm bảo cho hƣớng tƣơng đối giữa dụng cụ và
chi tiết gia công đảm bảo các yêu cầu đó.

12


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

Trong robot tác hợp, mỗi tay máy robot thành phần có số bậc tự do, trƣờng thao
tác phụ thuộc vào cấu trúc của từng robot. Khi kết hợp các chuyển động của các tay
máy đƣa đến số bậc tự do tổng thể của robot tác hợp bằng tổng số bậc tự do các tay
máy thành phần, robot có chuyển động linh hoạt hơn. Quá trình dịch chuyển các khâu
thao tác của robot có vị trí đƣợc xác định tƣơng đối với nhau. Các yêu cầu về vị trí và
hƣớng của khâu thao tác có thể đƣợc sử dụng để xác định chuyển động cần thiết của
các khâu hay các biến khớp trong từng robot thành phần. Các tay máy robot phải đƣợc
điều khiển chuyển động tại các khớp sao cho khâu thao tác của hai robot đảm bảo đƣợc
trạng thái tƣơng đối mong muốn.
Với sự phối hợp thao tác này, một robot tác hợp với kết cấu hai robot thành phần
đơn giản vẫn có thể thực hiện các thao tác linh hoạt, đạt đƣợc các bậc tự do cần thiết.
Đặc biệt có thể gia công các bề mặt phức tạp mà các robot công nghiệp đơn lẻ khó thực
hiện. Tuy nhiên việc tính toán động học cho robot tác hợp thì ngoài các ràng buộc
chuyển động trong các khâu của một robot thì còn có ràng buộc chuyển động giữa hai
robot với nhau.
1.1.3.

Mô hình robot tác hợp ứng dụng trong gia công cơ khí

So với các robot gia công cơ khí truyền thống, với mô hình kết cấu của robot tác
hợp thể hiện nhiều ƣu thế vƣợt trội về khả năng gia công cơ khí.
- Về độ cứng vững: Mô hình robot tác hợp là sự kết hợp của nhiều robot khi gia
công. Một robot truyền thống, để đạt đƣợc độ linh hoạt khi gia công thì số bậc tự do
phải lớn hơn hoặc bằng 6. Do đó, nếu sử dụng robot liên tục, các chuỗi động học là
chuỗi hở, thì robot sẽ cồng kềnh, giảm độ cứng vững, đồng thời khi tính toán động học
gặp nhiều khó khăn. Với robot tác hợp, mỗi tay máy thành phần của robot có bậc tự do
thƣờng nhỏ hơn 6, nhƣng khi kết hợp chuyển động các tay máy, robot có tổng thể số

bậc tự do bằng tổng số bậc tự do các robot thành phần, do vậy robot có thể đạt số bậc

13


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

tự do lớn hơn 6, trong khi đó kết cấu các robot thành phần vẫn đơn giản, đảm bảo độ
cứng vững, ổn định khi robot di chuyển và chuỗi động học đơn giản.
- Về độ linh hoạt: Tổng thể số bậc tự do của robot tác hợp có thể đạt bằng hoặc
lớn hơn 6. Do đó, robot có khả năng đạt đến mọi vị trí gia công khi thao tác và đạt
hƣớng thao tác tùy ý. Điều này thuận lợi khi robot phải thực hiện gia công các mặt
cong với biên dạng phức tạp. Mặt khác, với các robot gia công cơ khí truyền thống,
trong quá trình gia công dụng cụ gia công chuyển động, chi tiết đứng yên, hoặc ngƣợc
lại. Để đạt đƣợc một vị trí gia công thuận lợi, đáp ứng đƣợc yêu cầu công nghệ thì
robot phải di chuyển nhiều, nếu số bậc tự do không đủ thì khó có thể đạt đƣợc vị trí gia
công thuận lợi. Với robot tác hợp, do mỗi tay máy robot chỉ gồm 3, 4 bậc tự do nên
việc điều khiển chuyển động robot dễ dàng. Hơn nữa các tay máy cùng phối hợp
chuyển động nên có thể dễ dàng đạt đƣợc tƣ thế mong muốn giữa các cánh tay robot,
robot có thể chuyển động trơn tru và linh hoạt.
- Về độ chính xác: Robot tác hợp có số bậc tự do tổng thể lớn, nhƣng số bậc tự do
của mỗi tay máy nhỏ, nên sai số trong điều khiển tại các khớp robot nhỏ. Nhờ cấu trúc
đơn giản của từng tay máy mà sai số tích lũy từ khâu đế đến khâu thao tác trong robot
tác hợp giảm đáng kể, di chuyển của các khâu thao tác trong các robot thành phần đạt
độ chính xác cao.
- Tính đa năng: Nhờ khả năng chuyển động linh hoạt, với phối hợp đƣợc chuyển
động giữa cả dụng cụ và chi tiết gia công, với cùng một mô hình robot tác hợp có khả

năng gia công nhiều dạng chi tiết, với nhiều bề mặt chi tiết cả đơn giản lẫn phức tạp.
Robot cũng dễ dàng thay đổi các phƣơng pháp gia công vì vậy có thể ứng dụng rộng
rãi.
Với những ƣu thế vƣợt trội này robot tác hợp đang là hƣớng ứng dụng đƣợc nhiều
quốc gia và tập đoàn nghiên cứu phát triển. Sử dụng robot tác hợp trong gia công cơ
khí cho phép tạo ra các chi tiết máy có cấu hình đa dạng, phức tạp. Một mô hình robot

14


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

tác hợp có thể gia công trên nhiều dạng bề mặt cũng nhƣ sử dụng đƣợc nhiều phƣơng
pháp gia công.
Ngày nay robot tác hợp gia công cơ khí đã đƣợc nghiên cứu chế tạo và ứng dụng
trong gia công cơ khí nhƣ: Robot hàn tự động (hình 1.a, hình 1.b), có khả năng hàn các
mối hàn có đƣờng hàn là các đƣờng cong trong không gian phức tạp, hàn đƣợc ở nhiều
vị trí yêu cầu tính linh hoạt cao của robot. Robot tác hợp cũng đƣợc sử dụng trong gia
công bằng các phƣơng pháp cắt gọt nhƣ robot cắt bằng tia laze (hình 2, hình 3) , để cắt
các bề mặt có biên dạng phức tạp, gia công bánh răng, cắt lỗ côn. Robot gia công mài
cánh tua bin (hình 4), mài bánh răng, khoan lỗ trên chi tiết ở những vị trí khó khăn khi
sử dụng robot truyền thống... Ngoài đảm bảo về khả năng gia công phức tạp và đa
dạng, thì robot tác hợp còn có khả năng đảm bảo độ chính xác cao hơn nên sẽ là hƣớng
phát triển đƣợc chú trọng nghiên cứu ở nhiều quốc gia trong thời gian tới.
1.2.

Robot tác hợp gia công cơ khí

Robot tác hợp thể hiện rất nhiều ƣu điểm vƣợt trội trong các quá trình sản xuất
nhờ khả năng đơn giản hóa cấu trúc nhƣng tăng tính linh hoạt. Tuy nhiên quá trình điều
khiển robot tác hợp sẽ yêu cầu độ chính xác cao giữa chuyển động của các tay máy.
Bài toán động học trong robot tác hợp sẽ phức tạp hơn khi các cấu trúc cơ cấu tay máy
trở thành cấu trúc vòng kín. Trong giới hạn luận văn xin đƣa ra một số mô hình để
phân tích, nghiên cứu là: robot tác hợp ở dạng 1: Robot tác hợp có các robot đều là
robot dạng chuỗi liên tiếp (hình 2)- Mô hình robot tác hợp A, và robot tác hợp dạng 2:
robot tác hợp có robot mang dụng cụ là robot chuỗi liên tục, robot mang đối tƣợng gia
công là robot song song (hình 3)- Mô hình robot tác hợp B.
1.2.1.

Mô hình robot tác hợp A

15


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ
11
12

13

22
21

10

20
Hình 5: Cấu trúc mô hình robot tác hợp A
Mô hình robot tác hợp A (hình 5) có cấu trúc đơn giản gồm: Một robot mang
dụng cụ gia công có cấu trúc dạng chuỗi hở liên tiếp, và một robot mang đối tƣợng gia
công, gọi là robot bàn máy cũng có cấu trúc dạng chuỗi hở liên tiếp.
Robot mang dụng cụ gia công là robot gồm bốn khâu. Khâu đế: 10 cố định, khâu
11,12 chuyển động quay quanh các trục thẳng đứng, khâu 13 mang dụng cụ gia công

16


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

(đầu laze, mỏ hàn…) và có chuyển động tịnh tiến. Với cấu trúc này, robot mang dụng
cụ có ba bậc tự do có thể đạt đƣợc vị trí tùy ý trong không gian làm việc của nó. Ngoài
ra khâu thao tác luôn có phƣơng thẳng đứng.
Robot mang dụng cụ gia công, là robot có cấu trúc chuỗi động học hở. Robot
gồm 3 khâu trong đó: khâu đế 20 cố định, khâu 21 và khâu 22 là các khâu động có
chuyển động quay quanh các trục giao nhau. Khâu 21 quay quanh trục nằm ngang,
khâu 22 là bàn gá mang chi tiết gia công quay quanh trục thẳng đứng. Nhƣ vậy hai
khâu 21 và 22 có chuyển động quay quanh các trục vuông góc. Với cấu trúc này robot
mang dụng cụ gia công có hai bậc tự do. Khi chi tiết đƣợc gá trên bàn máy robot có thể
chuyển động đƣa chi tiết đạt mọi hƣớng thao tác của dụng cụ gia công.
1.2.2.

Mô hình robot tác hợp B

Robot tác hợp B gồm: robot tác hợp có robot mang dụng cụ là robot chuỗi liên
tục, robot mang đối tƣợng gia công là robot song song (hình 6). Mô hình robot này còn
đƣợc gọi là mô hình robot tác hợp với bàn máy song song cầu.
Robot dụng cụ có 3 khâu 3 bậc tự do có thể đạt đƣợc vị trí tùy ý của điểm tác
động cuối trong không gian làm việc của nó. Ngoài ra hƣớng khâu thao tác luôn có
phƣơng thẳng đứng.
Robot bàn máy là robot song song cầu hai bậc tự do, bàn máy có thể thực hiện
chuyển động quay quanh hai trục giao nhau tại một điểm cố định. Nhờ khả năng này,
khi chi tiết gia công đƣợc gá trên bàn máy, robot bàn máy có thể chuyển động để đƣa
chi tiết đạt đến hƣớng thao tác của dụng cụ trên robot dụng cụ.

17


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

Hình 6: Mô hình robot tác hợp B
Nhƣ vậy với sự phối hợp chuyển động giữa robot dụng cụ và robot bàn máy,
dụng cụ gia công sẽ đạt đƣợc vị trí tùy ý và hƣớng tùy ý của trục dụng cụ đối với chi
tiết theo yêu cầu kỹ thuật gia công. Robot này ứng dụng thuận lợi trong hàn các mối
hàn phức tạp trên các cụm chi tiết, bộ phận máy hoặc ứng dụng trong gia công bằng tia
laser, cắt tạo hình biên dạng các chi tiết máy.
1.3.

Cơ sở lý thuyết khảo sát robot tác hợp

Khi khảo sát động học của robot tác hợp cũng nhƣ của các hệ nhiều vật ghép nối
với nhau bằng các khớp, việc cần thiết là phải xác định vị trí tƣơng đối giữa các khâu,
vị trí của các khâu trong một hệ tọa độ cố định. Đặc biệt, với mô hình robot tác hợp, do
hai robot cùng có các chuyển động tƣơng đối với nhau và đƣợc xác định bằng quy luật
cụ thể, thì cần có phƣơng pháp để xác định vị trí của các khâu thuộc robot này đối với
các robot còn lại thuộc hệ robot tác hợp. Dƣới đây trình bày cơ sở lí thuyết của một số
phƣơng pháp có thể đƣợc sử dụng để khảo sát động học của robot tác hợp.

18


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

1.3.1.

Phương pháp ma trận truyền biến đổi thuần nhất

Phƣơng pháp ma trận truyền biến đổi tọa độ thuần nhất dựa trên việc sử dụng các
hệ tọa độ gắn vào vật rắn để xác định vị trí của vật rắn trong một hệ tọa độ khác.
Xét vật rắn B chuyển động trong hệ quy chiếu cố định A với hệ tọa độ cố định
Oxyz. Lấy điểm Q thuộc vật rắn B và gắn chặt vào B một hệ tọa độ Quvw (hình 1).
Khi đó hệ tọa độ Quvw là hệ tọa độ động thuộc vật rắn B. Qx1y1z1 là hệ tọa độ gắn vào
Q, chuyển động tịnh tiến với Q sao cho luôn có Qx1// Ox, Qx1//OY, Qz1//Oz

z1

z

P
w
A

A

rP
A

v

sP

rQ

y1

Q
O

x1

u

y

x

Hình 7: Vị trí điểm P trong các hệ quy chiếu

Gọi P là điểm thuộc vật rắn B, khi đó ta biểu diễn vecto định vị của điểm P trong
hệ tọa độ cố định Oxyz:
A

A

A

rP  rQ  s P

19

(1.1)


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

Phƣơng trình 1.1 có thể đƣợc viết lại dƣới dạng ma trận nhƣ sau:
 A rPx   A rQx   u x
A  A  
 rPy    rQy   u y
 A rPz   A rQz   u z

 


w x   B s Pu 



w y   B s Pv 

w z   B sPw 

vx
vy
vz

(1.2)

Trong đó :
A

ux
RB   u y

 u z

vx
vy
vz

wx 
wy

w z 

Là ma trận cô sin chỉ hƣớng của hệ quy chiếu đông B đối với hệ quy chiếu cố

đinh A.
 B S Pu 
B


S P   B S Pv 
 B S Pw 



là tọa độ của vecto S P trong hệ quy chiếu B
Phƣơng trình 1.2 biểu diễn phép biến đổi tổng quát vecto từ hệ quy chiếu động
đến hệ quy chiếu cố định. Phƣơng trình này có cấu trúc không gọn do ma trận 3x3
không thể biểu diễn cho phép dịch chuyển tịnh tiến. Do vậy ở đây ngƣời ta sử dụng tọa
độ thuần nhất để biểu diễn lại phƣơng trình 1.2. Ta thu đƣợc phƣơng trình
 A rPx   u x
A  
 rPy    u y
 A rPz   u z

 
 1  0

vx

wx

vy

wy

vz

wz

0

0

rQx   B s Pu 


A
rQy   B s Pv 
A
rQz   B S Pw 


1  1 
A

(1.3)

Phép biến đổi đƣợc biểu diễn trong phƣơng trình (1.3) là một phép biến đổi thuần
nhất.
Xét phƣơng trình 1.3, đặt:

20

HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

ux

u
A
TB   y
uz

0

rQx 

rQy   A RB

A
rQz   0T

1 

wx

A

vy

wy

A

vz

wz

0

0

vx

rQ 

1 

A

(1.4)

Ma trận vuông A TB (4x4) đƣợc tích hợp từ các phép biến đổi quay và tịnh tiến
trong phƣơng trình (1.2), sử dụng ma trận này thuận lợi cho phép biến đổi tọa độ từ hệ
tọa độ này sang hệ tọa độ khác.
Ma trận A TB đƣợc gọi là ma trận biến đổi thuần nhất đƣợc tạo lên từ các ma trận
con.
A

RB là ma trận cosin chỉ hƣớng biểu thị hƣớng của hệ quy chiếu động B đối với

hệ quy chiếu cố định A
A

rQ là ma trận xác định vị trí điểm cực Q của quy chiếu động B trong hệ quy

chiếu cố định A
Khi sử dụng ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất, phép biến đổi tọa độ điểm từ hệ
quy chiếu này sang hệ quy chiếu khác có thể đƣợc biểu diễn đơn giản:
A

P  ATB B P

Khi thực hiện các phép biến đổi tọa độ bằng việc quay và tịnh tiến các hệ tọa độ,
việc tổng hợp các phép biến đổi chính là việc tích hợp các ma trận biến đổi tọa độ
thuần nhất thành phần. Biểu diễn các ma trận quay cơ bản và ma trận tịnh tiến cơ bản
trong hệ tọa độ thuần nhất ta có:
Ma trận biến đổi thuần nhất phép quay góc 𝜑 quanh trục tọa độ Ox

21


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

1
0
Tx ( )  Rot ( x ,  )  
0


0

0

0

cos 

 sin 

sin 

cos 

0

0

0
0

0

1

(1.5)

Ma trận biến đổi thuần nhất phép quay góc Ψ quanh trục tọa độ Oy
 cos

 0
Ty ( )  Rot (y, )  
  sin

 0

0

sin 

1

0

0

cos

0

0

0
0

0

1

(1.6)

Ma trận biến đổi thuần nhất phép quay góc θ quanh trục tọa độ Oz
 cos 
 sin 
Tz ( )  Rot (z,  )  
 0

 0

 sin 

0

cos 

0

0

1

0

0

0
0

0


1

(1.7)

Ma trận biến đổi thuần nhất phép tịnh tiến theo các trục Ox, Oy, Oz lần
lƣợt các khoảng a, b, c:
1 0 0
0 1 0
Trans(a, b, c)  
0 0 1

0 0 0

a
b

c

1

Giả sử hệ tọa độ O 0 x 0 y 0 z 0 là hệ tọa độ cố định.
Hệ tọa độ Oxyz đƣợc gắn chặt vào vật rắn, chuyển động cùng vật rắn.

22

(1.8)


HVTH: Nguyễn Thị Quyên
GVHG: PGS. TS. Phan Bùi Khôi

Luận văn thạc sĩ

Phép biến đổi từ hệ tọa độ O 0 x 0 y 0 z 0 về hệ tọa độ Oxyz đƣợc thực hiện nhƣ sau:
- Tịnh tiến hệ tọa độ O 0 x 0 y 0 z 0 về đặt tại điểm O của hệ tọa độ Oxyz theo các
trục Ox, Oy, Oz các khoảng a, b, c. Trong đó (a,b,c) là tọa độ điểm O trong hệ tọa độ
cố định O 0 x 0 y 0 z 0 , đƣợc hệ tọa độ mới Ox 1 y1z1 với ma trận biến đổi thuần nhất:
1
0
0
T1  
0

0

-

0

0

1

0

0

1

0

0

a
b

c

1

(1.9)

Quay hệ tọa độ Ox 1 y1z1 quanh trục x1 góc 𝜑 đƣợc hệ tọa độ Ox 2 y 2 z 2 với

Ox1  Ox 2
1
0
1
T2  
0

0

0

0

cos 

 sin 

sin 

cos 

0

0

0
0

0

1

(1.10)

Quay hệ tọa độ Ox 2 y 2 z 2 quanh trục y2 góc Ψ đƣợc hệ tọa độ Ox 3 y 3 z 3 với
Oy 2  Oy 3
 cos
 0
2
T3  
  sin 

 0

-

0

sin 

1

0

0

cos

0

0

0
0

0

1

Quay hệ tọa độ Ox 3 y 3 z 3 quanh trục z3 góc θ đƣợc hệ tọa độ Oxyz .

23

(1.11)