Điều khiển và ứng dụng kỹ thuật thủy khí trong điều khiển robot công nghiệp

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội

Hà quyết tiến

Điều khiển và ứng dụng kỹ thuật thủy khí trong điều khiển robot công nghiệp

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
Chuyên ngành: chế tạo máy

Hà nội – 2012

1


Lời cam đoan
Tôi cam đoan đây là công trình khoa học của tôi. Các kết quả nghiên cứu
trong luận văn là do bản thân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Bùi Qúy
lực Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội là trung thực và có nguồn
gốc cụ thể, rõ ràng. Ngoài phần tài liệu tham khảo đã liệt kê, các số liệu và kết quả
thực nghiệm là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào
khác.

Hà nội,….tháng….năm 2012
Tác giả

Hà Quyết Tiến

2

Lời cảm ơn
Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Bùi Qúy lực Viện Cơ khí, Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội, người đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng đề tài
đến quá trình viết và hoàn chỉnh Luận văn.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với Ban lãnh đạo Viện đào tạo Sau đại học,
Viện Cơ khí của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi để
hoàn thành Luận văn này.
Tác giả cũng chân thành cảm ơn thầy giáo TS.Nguyễn Văn Long giáo viên
khoa hàng không vũ trụ Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự. Ban lãnh đạo khoa Cơ Khí –
Vũ khí Trường Cao đẳng Công nghiệp Quốc Phòng đã giúp đỡ tác giả thực hiện thí
nghiệm tại trung tâm công nghệ cao của trường.
Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên Luận văn không tránh khỏi sai
sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cô giáo, các nhà
khoa học và các bạn đồng nghiệp.
Hà Nội,ngày.... tháng….năm 2012
Tác giả

Hà Quyết Tiến

3


DANH MụC CáC BảNG BIểU
TT

Bảng số

1

1.1

2

2.1

3

3.1

4

3.2

Bảng 1.4: Công thức tính ứng suất tiếp xúc

42

5

3.3

Bảng 2.1 Thông tin chi tiết của Gripper chuyển động kép

57

6
7
8
9
10

Nội dung
Bảng 1.1. Sự khác nhau giữa cơ cấu kẹp điện - Từ và khí nén
Bảng 1.2: Công thức tính toán lực tại các điểm tiếp xúc mỏ kẹp và
đối tượng
Bảng 1.3. Công thức tính toán lực tại các điểm tiếp xúc mỏ kẹp và
đối tượng

Bảng 2.2 Thông tin chi tiết về loại Gripper Miniature MicroParallel
Bảng 2.3 Thông tin chi tiết của Gripper song song siêu nhẹ
Bảng 2.4 Thông tin chi tiết của Gripper song song dãnh dẫn
hướng T
Bảng 2.5 Thông tin chi tiết của Gripper khí nén hàm song song
Bảng 2.6 Thông tin chi tiết của Gripper khí nén hàm song song
một hàm cố định

Trang
35
39
40

58
58
59
59
60

11

Bảng 3.1. Các chi tiết và phụ kiện của gripper

69

12

Bảng 3.1. Các chi tiết cơ khí dùng chế tạo gripper

82

13

Bảng 3.2. Gía trị áp suất và độ biến dạng của lò xo và lực kẹp
gripper

88

14

Bảng 3.2. Bảng hướng dẫn khắc phục lỗi khi vận hành gripper

90

15

Bảng 3.3. Quan hệ giữa lực kẹp và khối lượng vật kẹp

88

4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Tay robot trên tàu thám hiểm Viking 1

13

Hình 1.2. Robot khí nén dùng trong y học

14

Hình 1.3. Cánh tay khí nén ứng dụng trong y học

14

Hình 1.4. Cánh tay robot khí nén

15

Hình 1.8. Tay máy gắp sản phẩm bằng khí nén

27

Hình 1.9. Tay gắp sản phẩm điều khiển bằng khí nén

29

Hình 1.10 kết cấu của tay kẹp cơ khí không có điều khiển.

31

Hình 1.12. Tay kẹp cơ khí có cơ cấu hãm

32

Hình 1.11. Tay kẹp cơ khí có cơ cấu hãm

32

Hình 1.13. Tay kẹp cơ khí có cơ cấu hãm

33

Hình 1.14. Tay kẹp có truyền động thủy lực.

33

Hình 1.15. Tay kẹp có truyền động khí nén

34

Hình 1.16. Tay kẹp có truyền động thanh răng

35

Hình 1.17. Sơ đồ tay kẹp chân không “a”; tay kẹp điện từ “b”

36

Hình 1.18. Sơ đồ tay kẹp dùng buồng đàn hồi

36

Hình 1.20. Sơ đồ tay kẹp thích nghi

38

Hình 1.21. Mạch điều khiển trực tiếp

47

Hình 1.22. Mach điều khiển gián tiếp xy - lanh tác dụng kép

47

Hình 1.23. Mạch điều khiển tùy động theo thời gian

48

Hình 1.24. Điều khiển vận tốc bằng van tiết lưu một chiều

48

Hình 1.25. Điều khiển vận tốc bằng van thoát nhanh

49

Hình 1.26. Điều khiển tùy động theo hành trình với 1 xy lanh

49

Hình 1.27. Gripper hai hàm cam quay

51

Hình 1.28. Hệ thống khí nén ứng dụng trên máy CNC

53

Hình 1.29. Hệ thống khí nén sử dụng trong máy cắt tấm gỗ

54

Hình 1.30. Robot khí nén dùng vận chuyển ống nước

55

Hình 1.31. Chuyển động gripper kép

57

Hình 1.32. Gripper Micro Miniature Gripper-Parallel

57

Hình 1.33. Gripper song song siêu nhẹ

58

Hình 1.34. Gripper song song dãnh dẫn hướng T

59

Hình 1.35. Gripper khí nén hàm song song

59

Hình 1.36. Gripper khí nén song song một hàm cố định

60

Hình 2.1. Mạch kết nối gripper khí nén hàm song song

62

Hình 2.2. Sơ đồ kẹp vật của gripper

64

Hình 2.3. Sơ đồ lực tác dụng lên hàm kẹp

65

Hình 2.4. Hình dáng thanh kẹp

66

Hình 2.5. Sơ đồ tính chiều dài thanh kẹp

66

Hình 2.6. Biểu đồ mô men uấn tác dụng lên thanh kẹp gripper

67

Hình 2.7. Sơ đồ tính kích thước tiết diện thanh kẹp

67

5


Hình 2.8. Sơ đồ tính ứng suất tiếp xúc

68

Hình 2.9. Bộ lọc khí hai buồng và đồng hồ đo áp

70

Hình 2.10. Van điện từ 5/2

70

6


Mở đầu
Con người từ lâu đã muốn chế tạo một cỗ máy có thể bắt chước kỹ năng lao
động của con người, có thể làm thay con người trong những công việc nặng nhọc và
nguy hiểm.

Robot là đối tượng được con người gửi gắm nhiều tri thức về y khoa, cơ khí,
điện - điện tử, công nghệ thông tin và điều khiển học.
Từ chỗ vô tri vô giác, chuyên đảm nhiệm những công việc lao động cơ bắp
đơn thuần. Robot ngày nay có khả năng quan sát, cảm nhận bản thân và môi
trường xung quanh. Việc thành công bước đầu trong những nghiên cứu về trí tuệ
nhân tạo, hứa hẹn robot trong tương lai có những hành xử giống như con người.
Vào những năm 1920 khái niệm robot đã xuất hiện, đến cuối những năm 1940
có những robot thực sự đầu tiên.
Vào những năm 1980, kỹ thuật điều khiển số và tự động hóa làm cho các
thiết bị điều khiển nhiều trục như robot và máy CNC có sự chuyển biến đáng kể về
mặt công nghệ.
Những năm gần đây các thành tựu về cơ tin - điện tử, các hệ chuyên gia,
mạng nouron và công nghệ nano, làm cho lĩnh vực robot có một bước tiến dài, mở
rộng phạm vi ứng dụng ra nhiều mặt và trở thành một chuyên ngành hấp dẫn nhất
của kỹ thuật.
1. Tính cấp thiết của đề tài.
Ngành công nghiệp thế giới đã trải qua nhiều cuộc cách mạng trong quá
khứ, một trong những cuộc cách mạng mà chúng ta phải kể tới đó là cách mạng
công nghệ làm thay đổi cả thế giới chúng ta đang sống.
Robot và tự động hóa là một cuộc cách mạng vĩ đại, vì mục đích của nó là
giải phóng con người ra khỏi lao động nặng nhọc, độc hại. Vì mục đích đó ngày
càng nhiều nước có nhu cầu sử dụng robot thay thế lao động cơ bắp.
Mặc dù robot và robot công nghiệp đã và đang được sử dụng rộng rãi song bản
thân là giao thoa của nhiều lĩnh vực kỹ thuật mũi nhọn, không ngừng phát triển nên
luôn có những giới hạn bị đẩy lên cao hơn.
7


Bên cạnh các mặt như động học, động lực học robot, việc thiết kế gripper
kẹp nói chung và các thông số kỹ thuật của gripper kẹp như: Lực kẹp, hệ số ma sát,

độ cứng vững của hàm kẹp vẫn là vấn đề cần phải quan tâm. Đây là một vấn đề vô
cùng quan trọng, nó đòi hỏi độ tin cậy cao và mang tính công nghệ trong quá trình
sản xuất công nghiệp hiện đại.
Ngày nay robot đã được sử dụng phổ biến trên thế giới nhưng vẫn chưa
được khai thác đúng mức ở Việt Nam.
Ngoài nguyên nhân về đầu tư ban đầu lớn, thì một trong những nguyên nhân
khác là lĩnh vực khoa học Robotics chưa được quan tâm đúng mức trong nước,
khiến cho việc ứng dụng robot vào các lĩnh vực trong nước còn hạn.
Mặt khác có những kỹ thuật đang sử dụng rất phức tạp, việc tiếp cận đối với
những vấn đề này có nhiều trở ngại, nếu có thể thay thế bằng một kỹ thuật đơn giản
hơn sẽ tạo thuận lợi đáng kể.
Các thông số điều khiển robot như quỹ đạo, vận tốc, gia tốc, lực ... trên các
robot nhập ngoại đã được các hãng sản xuất tích hợp và cài đặt sẵn trên thiết bị.
Trong khi đó để thực hiện công việc phức tạp như: Kẹp các chi tiết có thành
mỏng thì cần có một Gripper kẹp làm việc có độ tin cậy cao, không gây biến dạng
chi tiết đang là vấn đề đang được quan tâm ở Việt Nam.
Nhằm đáp ứng một phần nhu cầu trên, đề tài tập trung nghiên cứu giải
quyết vấn đề: “ứng dụng khí nén trong điều khiển Gripper kẹp song song”
2. Mục đích của đề tài.
ứng dụng khí nén vào điều khiển tay kẹp (Gripper) của robot công nghiệp.
Trọng tâm của đề tài là: “Thiết kế, chế tạo thử nghiệm gripper khí nén cho
robot công nghiệp”.
3. Phương pháp nghiên cứu.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là ứng dụng khí nén trong điều khiển
gripper của robot. Tập trung vào thiết kế, chế tạo thử nghiệm cơ cấu kẹp bao
gồm: Lực kẹp, độ cứng vững, tính linh động của cơ cấu kẹp.

8

Xác định các thông số này phục vụ việc điều khiển cơ cấu kẹp cho an toàn và
hiệu quả nhất. Các thông số này được xác định qua mô hình toán, sau đó chế tạo thử
nghiệm.
4. Nội dung của luận văn.
- Chương 1: Tổng quan về robot công nghiệp và ứng dụng khí nén trong
điều khiển robot công nghiệp.
- Chương 2: Tính toán, thiết kế gripper khí nén hai hàm song song.
- Chương 3: Chế tạo thử nghiệm.
Hà Nội, ngày….tháng….năm 2012
Tác giả
Hà Quyết Tiến

9


Chương 1
Tổng quan về robot công nghiệp và ứng dụng khí nén trong điều khiển robot
công nghiệp
I. Robot công nghiệp
1.1.Sơ lược quá trình phát triển
Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng
sản xuất. Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở trên NewYork vào ngày
09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp
Karen Kapek viết năm 1921, còn từ robot là cách gọi tắt của từ robota - theo tiếng
Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch.
Những robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào những ứng dụng
trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy.
Vào năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi
điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần
tương tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cử hành

trình.
Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ
servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối. Sử dụng những thành quả đó,
vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc
khảo sát đáy biển.
Cũng trong lĩnh vực này, một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạt
được vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1
được điều khiển từ trái đất.
Viện nghiên cứu thuộc Trường Đại học Stanford vào năm 1969 đã thiết kế
robot Shakey di động tinh vi hơn để thực hiện những thí nghiệm về điều khiển sử
dụng hệ thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tượng.
Robot này được lập trình trước để nhận dạng đối tượng bằng camera, xác
định đường đi đến đối tượng và thực hiện một số tác động trên đối tượng.
Năm 1952 máy điều khiển chương trình số đầu tiên ra đời tại. Học Viện
Công nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ). Trên cơ sở đó năm 1954, George Devol đã
10


thiết kế robot lập trình với điều khiển chương trình số đầu tiên nhờ một thiết bị do
ông phát minh được gọi là thiết bị chuyển khớp được lập trình.
Joseph Engelberger, người mà ngày nay thường được gọi là cha đẻ của robot
công nghiệp, đã thành lập hãng Unimation sau khi mua bản quyền thiết bị của
Devol và sau đó đã phát triển những thế hệ robot điều khiển theo chương trình.
Năm 1962, robot Unmation đầu tiên được đưa vào sử dụng tại hãng General
Motors, và năm 1976 cánh tay robot sử dụng khí nén đầu tiên trong không gian đã
được sử dụng trên tàu thám hiểm Viking của cơ quan Không Gian NASA của Hoa
Kỳ để lấy mẫu đất trên sao Hoả (hình 1.1).

Chân khí
nén

Hình 1.1. Tay robot trên tàu thám hiểm Viking 1.
Trong hoạt động sản xuất, đa số những robot công nghiệp có hình dạng của
“cánh tay cơ khí”, cũng chính vì vậy mà đôi khi ta gặp thuật ngữ người máy - tay
máy trong những tài liệu tham khảo và giáo trình về robot.
Năm 2010 Các kỹ sư tại phòng thí nghiệm Johns Hopkins vừa phát minh ra
một loại động cơ bước hoạt động bằng khí nén, được ứng dụng trong các robot y
học (hình 1.2 robot khí nén dùng trong y học) giúp lấy sinh thiết của các khối u
ung thư và chẩn đoán bằng hình ảnh qua máy MRI (máy chụp cắt lớp cộng hưởng
từ). Robot không sử dụng điện và được làm hoàn toàn bằng nhựa, cao su và
cramic, động cơ này - được đặt tên PneuStep - khá tương thích với máy MRI do an
toàn và khá chính xác. PneuStep gồm 3 piston liên kết với một hệ thống bánh răng.
Các bánh răng này quay bằng khí nén và được điều khiển hoàn toàn bằng máy tính
11


đặt bên ngoài máy MRI, giúp nó di chuyển khá vững và chính xác hơn so với tay
người.
Động cơ
khí nén

Bộ lọc
khí nén

Hình 1.2. Robot khí nén dùng trong y học
Vào năm 2011 Các nhà khoa học tại Trường ĐH California, Los Angeles
(UCLA) đã tạo ra một cánh tay máy khá nhỏ với kích thước chưa tới 1mm, được
điều khiển bằng khí nén, hoạt động khá an toàn và hiệu quả trong môi trường sinh
học (hình 1.3).

Hình 1.3. Cánh tay khí nén ứng dụng trong y học

12


Đây có thể coi là một bước tiến cho việc mở rộng ứng dụng của robot vào
những lĩnh vực mới như những ca vi phẫu thuật trong y học.
Tại phòng thí nghiệm ở UCLA, cơ cấu tay máy này đã gắp được một cái trứng
cá từ một ổ trứng dưới nước. Đây được xem là cánh tay máy nhỏ nhất trên thế giới
có thể phục vụ cho các ca vi phẫu thuật.
Dụng cụ này đặc biệt an toàn cho các ứng dụng trong lĩnh vực sinh học. Nó
không dùng động cơ điện để tạo ra chuyển động cho các cơ cấu gắp mà hoạt động
bằng khí nén. Với hệ thống khí nén này, cánh tay máy có thể hoạt động trong nhiều
môi trường khác nhau như khô, ẩm …
Cũng trong lĩnh vực này. Công ty chế tạo robot Squse giới thiệu bàn tay robot
mềm mại có 21 cơ nhân tạo, hoạt động nhờ được cung cấp lực bằng khí nén, có thể
co, duỗi từng khớp nối tất cả các ngón của bàn tay (hình 1.4).

Cánh tay
khí nén

Cánh tay
người

Hình 1.4. Cánh tay robot khí nén
Vì vậy, bàn tay robot có thể cầm nắm chặt các đồ vật giống như bàn tay của
con người. Hãng Squse làm bàn tay này để lắp vào các cánh tay nhân tạo cho
những người tàn tật, giúp họ khắc phục khó khăn trong cuộc sống.
1.2. Tình hình tiếp cận và ứng dụng robot công nghiệp ở việt nam
Trong giai đoạn trước năm 1990 trong nước hầu như hoàn toàn chưa du nhập

kỹ thuật robot, thậm chí chưa nhận được nhiều thông tin về kỹ thuật về lĩnh vực
này.
Tuy vậy với mục tiêu chủ yếu là tiếp cận kỹ thuật mới mẻ này, trong nước đã
triển khai đề tài khoa học cấp nhà nước: Đề tài 58-01-03 trong giai đoạn năm 8113


85 đề tài 52 - B03-01 trong giai đoạn năm 86 -89. Kết quả của những đề tài này
không những đáp ứng được nhu cầu tiếp cận mà còn có những ứng dụng ban đầu
trong kỹ thuật bảo hộ lao động và đào tạo cán bộ kỹ thuật nước ta.
Giai đoạn tiếp theo từ những năm 1990 các ngành công nghiệp trong nước bắt
đầu đổi mới.
Đặc biệt là ở một số cơ sở liên doanh với nước ngoài đã nhập ngoại về một số
loại robot: Tháo lắp dụng cụ cho các trung tâm gia công và các máy CNC, lắp ráp
các linh kiện điện tử...
Một sự kiện đáng quan tâm là 4/1998 nhà máy Rorze/robotech đã bước vào
hoạt động ở khu công nghiệp Nomura ở Hải Phòng, đây là nhà máy đầu tiên ở việt
nam chế tạo và lắp ráp robot. Đó là các loại robot có cấu trúc đơn giản nhưng rất
chính xác dùng trong sản xuất chất bán dẫn nhà máy này do nhật đầu tư với số vốn
46 triệu đô la Mỹ do nhật bản đầu tư.
Trong những năm gần đây đại học bách khoa hà nội đã chế tạo một số loại
robot như robot RP dùng chủ yếu trong lĩnh vực đào tạo, ngày nay RP có 2 mẫu,
RPS - 406 dùng để phun men có hệ thống truyền dẫn thủy lực với 5 bậc tự do, RPS
- 4102 dùng trong công nghệ bề mặt có 6 bậc tự do có 3 động cơ điện một chiều và
3 động cơ bước.
Ngoài ra đại học bách khoa còn nghiên cứu robot SCK mi ni do trung tâm
nghiên cứu tự động hóa đại học bách khoa hà nội thiết kế, chế tạo cung cấp cho
một số trường, chủ yếu dùng để giảng dạy, học tập, nhưng đồng thời có thể sử
dụng để lắp ráp hoặc sắp xếp các vật nhỏ dưới 1kg là robot SCK mi ni.
Ngoài ra trường đại học bách khoa hà nội còn đạt nhiều thành công trong
thiết kế chế tạo robot công nghiệp, tất cả những thành công đó đã góp phần đào tạo

nhân lực cho quá trình công nghiệp hóa, tự động hóa nước nhà, giảm được kinh phí
nhập khẩu robot từ nước ngoài.
1.3. Khái niệm robot
Theo viện nghiên cứu rôbôt Hoa Kỳ thì rôbôt được định nghĩa như sau:
Rôbôt là một tay máy có nhiều chức năng thay đổi được các chương trình
hoạt động, được dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho
14


những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập
trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng.
Định nghĩa rôbốt còn được Mikell P.groove, một nhà nghiên cứu rôbôt mở
rộng như sau:
Rôbốt công nghiệp là những máy hoạt động tự động được điều khiển theo
chương trình thể hiện việc thay đổi vị trí của những đối tượng thao tác khác nhau
với mục đích tự động hoá các qúa trình sản xuất.
Không dừng lại ở những định nghĩa trên, rôbôt còn được nhiều nhà khoa học
đưa ra các định nghĩa khác nhau với giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học tổng hợp
Tokyo) rôbôt phải thỏa mãn các yếu tố sau:
- Có khả năng thay đổi chuyển động.
- Có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác.
- Có số bậc chuyển động (bậc tự do cao).
- Có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động.
- Có khả năng hoạt động tương hỗ với đối tượng bên ngoài.
Còn với giáo sư Mosahiro Mori (viện công nghệ Tokyo) thì rôbôt công nghiệp
phải có những đặc điểm sau:
- Có khả năng thay đổi chuyển động .
- Có khả năng xử lý thông tin (biết suy nghĩ).
- Có tính vạn năng.
- Có những đặc điểm của người và máy.

Ngoài các ý trên, định nghĩa trong ΓOCT 25 686 - 85 còn bổ sung cho rôbôt
công nghiệp chức năng điều khiển trong quá trình sản xuất:
Rôbôt công nghiệp là máy tự động được đặt cố định hay di động, bao gồm cơ
cấu chấp hành dạng tay máy và có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều
khiển chương trình có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng vận động và
điều khiển trong quá trình sản xuất.
Qua rất nhiều định nghĩa trên thì rôbôt có thể hiểu là những thiết bị tự động linh

hoạt bắt trước các chức năng lao động công nghiệp của con người.
1.4. Phân loại robot
15


Căn cứ vào đặc điểm khác nhau của robot thì có 4 căn cứ khác nhau để phân
loại robot:
- Theo dạng hình học của không gian hoạt động.
- Theo thế hệ rôbôt.
- Theo hệ điều khiển.
- Theo nguồn đẫn động.
- Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động.
Rôbôt được phân theo sự phối hợp giữa 3 trục chuyển động cơ bản rồi sau đó
bổ sung để mở rộng thêm bậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt.
Vùng giới hạn tầm hoạt động của rôbôt được gọi là không gian làm việc.
Rôbôt loại này có 3 bậc chuyển động cơ bản gồm 3 chuyển động tịnh tiến dọc theo
3 trục vuông góc.
+ Rôbôt toạ độ trụ (hình 1.5).

Hình 1.5. Robot tọa độ trụ
Ba bậc chuyển động tịnh tiến và một bậc quay.
+ Rôbôt toạ độ cầu.

Ba bậc chuyển động cơ bản gồm 1 trục chuyển động tịnh tiến và 2 trục quay.

16


Hình 1.6. Robot tọa độ cầu
+Rôbôt bản lề.

Hình 1.7. Robot bản lề
- Phân loại rôbôt theo thế hệ robot.
Theo quá trình phát triển robot được chia ra 5 thế hệ:
+Rôbôt thế hệ thứ nhất.
Bao gồm các dạng rôbôt hoạt động lặp lại theo một chu trình không thay đổi.
Theo chương trình định trước.
Chương trình ở đây có 2 dạng chương trình “cứng” không thay đổi được như
điều khiển bằng hệ thống cam và điều khiển với chương trình điều khiển theo yêu
cầu công nghệ của môi trường sử dụng như các panel điều khiển hoặc máy tính.
Đặc điểm:
- Sử dụng các cơ cấu cam với công tắc giới hạn hành trình.
- Điều khiển vòng hở.

17


- Có thể sử dụng băng từ hoặc các băng đục lỗ để đưa chương trình vào hệ
điều khiển. Tuy loại này không đổi chương trình được.
- Sử dụng phổ biến trong công việc lắp đặt.
+ Rôbôt thế hệ thứ 2:
ở thế hệ này rôbôt được trang bị các thiết bị cảm biến (sensors) cho phép
cung cấp tín hiệu phản hồi trở lại hệ thống điều khiển về trạng thái.

Vị trí không gian của rôbôt cũng như thông tin từ môi trường bên ngoài như
trạng thái vị trí của đối tượng thao tác, của các máy công nghệ mà rôbôt phối hợp
nhiệt độ của môi trường vv... giúp cho bộ điều khiển có thể chọn thuật toán thích
hợp để điều khiển rôbôt thực hiện những thao tác xử lý phù hợp.
Nói cách khác đây cũng là rôbôt với điều khiển theo chương trình nhưng có
thể tự điều chỉnh hoạt động, thích ứng với những thay đổi của môi trường. Thao
tác với rôbôt trình độ điều khiển này còn được gọi là rôbôt thích nghi cấp thấp.
Rôbôt bao gồm các rôbôt sử dụng cảm biến trong điều khiển (sensorscoontrlled robôt). Cho phép tạo được những vòng điều khiển kín servo.
Đặc điểm:
- Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy.
- Có thể tự đưa ra chương trình đáp ứng dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến
nhờ các chương trình được cài từ trước.
- Hoạt động của rôbôt có thể lập trình được nhờ các công cụ như bàn phím,
panel điều khiển.
+ Rôbôt thế hệ thứ 3.
Đây là dạng phát triển cao nhất của rôbôt tự cảm nhận. Các rôbôt ở đây được
trang bị những thuật toán xử lý, những phản xạ logic thích nghi theo những thông
tin và tác động của môi trường lên chúng, nhờ đó rôbôt tự biết phải làm gì để hoàn
thành công việc được đặt ra cho chúng.
Hiện nay cũng có nhiều công bố về thành tựu trong lĩnh vực điều khiển này
trong các phòng thí nghiệm và được đưa ra thị trường dưới dạng những rôbôt giải
trí có hình dạng của những động vật máy. Rôbôt thế hệ này bao gồm các rôbôt

18


được trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh trong điều khiển (vision - controlled
robotl). Cho phép nhìn thấy và nhận dạng các đối tượng thao tác.
Đặc điểm:
- Có những đặc điểm như rôbôt thế hệ thứ 2 và điều khiển hoạt động trên cơ

sở xử lý thông tin thu nhận được từ hệ thống thu nhận hình ảnh.
- Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp như phân biệt các đối tượng có hình
dạng và kích thước khác nhau.
-Rôbôt thế hệ thứ 4.
Bao gồm các loại rôbôt sử dụng các thuật toán và cơ chế điều khiển thích nghi
(ada ptively) được trang bị bước đầu khái niệm lựa chọn các đáp ứng tuân theo một
mô hình tính toán xác định trước nhằm tạo ra những ứng xử phù hợp với điều kiện
của môi trường thao tác.
Đặc điểm:
- Có những đặc điểm tương tự như thế hệ 2 và 3, có khả năng tự động lựa
chọn chương trình hoạt động và lập trình lại cho các hoạt động dựa trên các tín
hiệu thu nhận được từ cảm biến.
- Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tương đối lớn để giải các bài toán tối ưu với
điều kiện biến không được xác định trước. Kết quả bài toán sẽ là tập hợp các tín
hiệu điều khiển đáp ứng các thao tác của rôbôt.
- Rôbôt thế hệ thứ 5.
Là tập hợp những rôbôt được trang bị những trí tuệ nhân tạo.
Đặc điểm:
- Rôbôt được trang bị các kỹ thuật của trí tuệ nhân tạo như nhận dạng tiếng
nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tượng tiếp xúc.
- Phân loại theo điều khiển:
Có 2 loại điều khiển rôbôt: Điều khiển hở và điều khiển kín.
+ Điều khiển hở:
Dùng truyền động bước (động cơ điện ,động cơ thuỷ lực hoặc khí nén) mà
quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển. Kiểu điều khiển
này có ưu điểm là kết cấu đơn giản nhưng đạt độ chính xác thấp.
19


+ Điều khiển kín (điều khiển servo):

Sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển. Có 2 kiểu
điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm và điều khiển đường.
Với điều khiển điểm - điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến
điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao (không làm việc). Nó chỉ làm việc tại
các điểm dừng. Kiểu điều khiển này được dùng trên các rôbôt hàn điểm, vận
chuyển, tán đinh, bắn đinh.
Điều khiển theo đường đảm bảo phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo
bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp kiểu điều khiển nay trên các
rôbôt hàn hồ quang.
Điều khiển điểm - điểm:
Phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với
tốc độ cao (không làm việc).
Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng. Kiểu điều khiển này được dùng trên các
robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, bắn đinh.
Điều khiển theo đường:
Đảm bảo phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ có thể
điều khiển được. Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các rôbôt hàn hồ quang.
- Phân loại theo nguồn dẫn động
+ Robot dùng nguồn cấp điện
Nguồn điện cấp cho rôbôt thường là DC để điều khiển động cơ DC. Hệ
thống nguồn AC cũng đổi thành DC. Các động cơ sử dụng thường là động cơ
bước, động cơ DC servo, động cơ AC servo. Rôbôt loại này có thiết kế gọn, chạy
êm, định vị rất chính xác. Các ứng dụng là hàn và sơn.
+ Robot dùng nguồn khí nén
Hệ thống cần được trang bị máy nén, bình chứa khí và động cơ kéo máy
nén. Rôbôt loại này thường được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng nhỏ có
tay máy là các xy lanh khí nén, thực hiện các chuyển động thẳng và chuyển động
quay. Do khí nén là lưu chất nén nên rôbôt loại này thường được sử dụng trong các
thao tác lắp đặt không cần độ chính xác cao.
20

+ Robot dùng nguồn thuỷ lực
Nguồn thuỷ lực sử dụng chất lưu không nén được là dầu ép. Hệ thống cần
được trang bị bơm để tạo áp lực dầu. Tay máy là các xy lanh thuỷ lực chuyển động
thẳng và quay, và các động cơ dầu. Rôbôt loại này được ứng dụng cho tải trọng
lớn.
1.5. ứng dụng của robot
1.5.1 Mục tiêu ứng dụng của rôbôt
Mục tiêu ứng dụng rôbôt trong công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng
suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh
tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Điều đó xuất phát từ
những ưu điểm cơ bản của rôbôt đã đúc kết lại qua nhiều năm được ứng dụng ở
nhiều nước trên thế giới, những ưu điểm cơ bản đó là :
Rôbôt có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn thợ lành
nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc. Vì thế rôbôt có thể góp phần
nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm. Hơn thế, rôbôt còn có
thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi với sự biến đổi mẫu mã, kích cỡ
sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh.
Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng rôbôt là vì giảm được
đáng kể chi phí cho người lao động, nhất là ở các nước có mức tiền lương cao cho
lao động, cộng các khoản phụ cấp và bảo hiểm xã hội.
Theo số liệu của Nhật Bản thì nếu một rôbôt làm việc thay cho môt người
thợ thì tiền mua rôbôt chỉ bằng tiền chi phí cho người thợ đó từ 3 đến 5 năm tuỳ
theo rôbôt làm việc mấy ca. Còn ở Mỹ, trung bình trong một giờ làm việc rôbôt
mang lại 13USD tiền lời.
ở nước ta trong những năm gần đây ở nhiều doanh nghiệp khoản chi phí lương bổng cũng
chiếm tỷ lệ cao trong giá thành

sản phẩm. Việc áp dụng rôbôt có thể làm tăng năng suất dây chuyền công

nghệ, sở dĩ như vậy vì nếu tăng nhịp độ khẩn trương của dây chuyền sản xuất, nếu
không thay thế con người bằng rôbôt thì người thợ sẽ không theo kịp hoặc rất

21


chóng mệt mỏi. Theo số liệu của hãng Funic Nhật Bản thì năng suất có khi tăng
đến 3 lần.
ứng dụng rôbôt có thể cải thiện điều kiện lao động, đó là ưu điểm nổi bật mà
chúng ta cần quan tâm.
Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao động phải làm việc nhiều
giờ trong môi trường mà điều kiện vệ sinh công nghiệp khó khăn, độc hại, hoặc ồn
ào quá mức cho phép nhiều lần. Việc ứng dụng robot trong môi trường sản suất
này sẽ đem lại hiệu quả cao.
1.5.2 Các bước ứng dụng
Việc ưu tiên đầu tư trước hết phải nhằm để đồng bộ hoá cả hệ thông thiết
bị, rồi tự động hoá và rôbôt hoá khi cần thiết. Để quyết định đầu tư việc rôbôt hoá
cho cả dây truyền công nghệ hoặc chỉ ở một vài công đoạn, người ta thường xem
xét các mặt sau:
- Nghiên cứu quá trình công nghệ được rôbôt hoá và phân tích toàn bộ hệ
thống sản xuất của xí nghiệp.
ở đây cần xét đến đầy đủ các chi phí và nếu hiệu quả tính ra cho toàn bộ hệ
thống không thể hiện rõ thì việc đầu tư rôbôt hoá là chưa cần thiết.
- Xác định các đối tượng cần rôbôt hoá.
Khi xác định thay thế rôbôt ở những nguyên công nào thì phải xem xét khả
năng liệu rôbôt đó có thay thế được không và có hiệu qủa hơn không.
Thông thường người ta ưu tiên ở những chỗ làm việc quá nặng nhọc, bụi
bặm, ồn ào, độc hại hoặc qúa đơn điệu. Xu hướng thay thế hoàn toàn bằng rôbôt
thực tế không hiệu quả bằng việc giữ lại một số công đoạn mà nó đồi hỏi sự khéo
léo của con người .

- Xây dựng mô hình quá trình sản xuất được rôbôt hoá:
Sau khi xác định sơ đồ tổng thể quá trình công nghệ, cần xác định dòng
chuyển dịch nguyên liệu và dòng thành phần để đảm bảo sự nhịp nhàng đồng bộ
của toàn hệ thống. Có thể phát huy hiệu quả vốn đầu tư.
- Chọn mẫu rôbôt thích hợp hoặc chế tạo rôbôt chuyên dùng.

22


Đây là bước quan trọng, vì rôbôt có nhiều loại với giá tiền khác nhau, nếu
không chọn đúng thì không những đầu tư quá đắt mà còn không phát huy được,
như kiểu dùng người không đúng chỗ, việc này thường xẩy ra khi mua rôbôt của
nước ngoài.
Có những chức năng của rôbôt được trang bị nhưng không được dùng cho
công việc cụ thể mà nó đảm nhận, trên dây truyền sản xuất. Vì thế mà giá thành
tăng lên chỉ có lợi cho nơi cung cấp thiết bị.
Cấu trúc rôbôt hợp lý nhất là cấu trúc theo modul hoá. Như thế có thể hạ
giá thành sản xuất, đồng thời áp dụng được nhu cầu phục vụ đa dạng. Cấu trúc
càng đơn giản càng dễ thực hiện độ chính xác cao và hạ giá thành. Ngoài ra còn có
thể tự tạo dựng các rôbôt thích hợp với công việc trên cơ sở mua lắp các modul
chuẩn hoá. Đó là hướng triển khai hợp lý với đại bộ phận các xí nghiệp trong nước
hiện nay cũng như trong tương lai.
1.5.3. Những ứng dụng điển hình của robot
Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Những ứng
dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn. Một trong những
công việc kém năng suất nhất của con người là rèn kim loại ở nhiệt độ cao. Các
công việc này đòi hỏi công nhân di chuyển phôi có khối lượng lớn với nhiệt độ cao
khắp nơi trong xưởng.
Việc tuyển dụng công nhân làm việc trong môi trường nhiệt độ cao như vậy
là một vấn đề khó khăn đối với ngành công nghiệp này, và robot ban đầu đã được

sử dụng để thay thế công nhân làm việc trong điều kiện môi trường ngặt nghèo như
trong lò đúc, xưởng rèn, và xưởng hàn.
Đối với robot thì nhiệt độ cao lại không đáng sợ. Trong các nhà máy sản
xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng robot nhiều nhất: khung xe được cố
định vào một xe được điều khiển từ xa di chuyển khắp nhà máy.
Khi xe đến trạm hàn, kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào vị trí cần hàn,
trong khi đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước .
Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khoẻ của con người,
nhưng lại hoàn toàn không nguy hiểm đối với robot.
23


Ngoài ra, con người phải mất hơn hai năm để nắm được kỹ thuật và kỹ năng
trở thành một thợ sơn lành nghề trong khi robot có thể học được tất cả kiến thức đó
chỉ trong vài giờ và có khả năng lặp lại một cách chính xác các động tác sơn phức
tạp. Điều đó thể hiện một bước tiến đáng kể trong việc kết hợp giữa năng suất và
chất lượng cũng như cải thiện chế độ làm việc cho con người trong môi trường độc
hại.
Tất cả robot phun sơn đều được ‘dạy’ bởi một thợ sơn chuyên nghiệp giữ
đầu phun và dịch chuyển nó đi đúng đường, đường đi đó được ghi lại, và khi robot
thực hiện công việc phun sơn thì nó chỉ việc đi theo đường đi đã được định sẵn đó.
Như thế, robot phun sơn phải có các khớp sao cho người thợ sơn có thể dễ dàng
dẫn hướng cho chúng. ứng dụng này đưa đến sự phát triển một loại tay robot dạng
‘vòi voi’ có độ linh hoạt cao.
Robot còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nữa như phục vụ cho
máy
công cụ, làm khuôn trong công nghiệp đồ nhựa, gắn kính xe hơi, gắp hàng ra khỏi
băng tải và đặt chúng vào các trạm chuyển trung gian. ở mục sau, ba ứng dụng của
robot trong công nghiệp được khảo sát ở các giai đoạn nghiên cứu khác nhau.
Robot trong công nghệ hàn đường (hàn theo vết hoặc đường dẫn liên tục).

Hàn đường thường được thực hiện bằng tay. Tuy nhiên năng suất thấp do
yêu cầu chất lượng bề mặt mối hàng liên quan đến các thao tác của đầu mỏ hàn với
môi
trường khắc nghiệt do khói và nhiệt độ phát ra trong quá trình hàn.
Không giống kỹ thuật hàn điểm, ở đó mối hàn có vị trí cố định, mối hàn
trong kỹ thuật hàn đường nằm dọc theo mối ghép giữa hai tấm kim loại. Những hệ
thống hàn đường thực tế phụ thuộc vào con người trong việc kẹp chặt chính xác
chi tiết được hàn, và sau đó robot di chuyển dọc theo quĩ đạo được lập trình trước.
Ưu điểm duy nhất so với hàn bằng tay là chất lượng mối hàn được ổn định.
Người vận hành chỉ còn thực hiện một việc đơn giản là kẹp chặt các chi tiết. Có thể
thực hiện tăng năng suất bằng cách trang bị hàn định vị quay nhờ đó người vận
hành có thể kẹp chặt một chi tiết trong khi thực hiện việc hàn chi tiết khác.
24


Tuy nhiên, luôn có vấn đề khó khăn trong việc lắp khít chi tiết do dung sai
trong chế tạo, chi tiết bị cong vênh, và các thiết kế cần lắp ghép theo đường cong
không đồng dạng. Các vấn đề đó làm cho việc kẹp chặt chi tiết khó khăn, đặc biệt
là đối với các chi tiết lớn và lắp tấm kim loại mỏng.
Hơn nữa, đường hàn có thể không xử lý được với mỏ hàn vì nó bị che khuất
bởi chi tiết khác. Thợ hàn tay phải xử lý khó khăn nhiều loại mối nối và vị trí các
chi tiết khác nhau.
Gần đây các nghiên cứu tập trung vào phương pháp dò vết đường hàn với
mục đích giảm bớt yêu cầu định vị chính xác, và do đó giảm chi phí hàn trong khi
chất lượng mối hàn lại tăng. Cảm biến trang bị trên các robot hàn đường phải có
khả năng xác định vị trí
đúng của đường hàn.
Như vậy, để mối hàn được đặt chính xác, đúng yêu cầu về hình dáng và kích
thước thì robot phải giữ điện cực theo hướng đúng của đường hàn với khoảng cách
đúng từ đường hàn đến đầu mỏ hàn và di chuyển với tốc độ không đổi sao cho

lượng vật liệu chảy vào mối nối không đổi.
Xác định đường hàn cho các vật thể ba chiều thì phức tạp hơn cho các tấm
phẳng vi thường cần phải mô hình hoá hình học để định ra đường di chuyển của
robot. (hình 1.13) trình bày một robot có trang bị cảm biến laser để dò đường đi
của đầu hàn. Thông thường để đào tạo một thợ hàn bậc cao phải mất nhiều năm,
nhưng việc đưa robot vào sản xuất nhà máy tạo khả năng có thể thu nhận công
nhân cả trẻ lẫn lớn tuổi, có kinh nghiệm nghề nghiệp rất khác nhau. Hàn đường,
một lãnh vực tiềm năng cho việc ứng dụng robot, được xếp vào lĩnh vực kỹ thuật
cao.
- ứng dụng robot trong nhà máy sản xuất
Trong sản xuất lớn, những robot này là những hệ thống được tự động hoá
hoàn toàn: Chúng đo đạc, cắt, khoan các thiết bị chính xác và còn có khả năng hiệu
chỉnh các công việc của mình, hầu như ở đây không cần sự giúp đỡ của con người
trừ chương trình điều khiển trong máy tính điện tử.

25