Mô hình hóa và điều khiển robot 6 bậc tự do ứng dụng trong hàn tự động

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn “Mô hình hóa và điều khiển robot 6 bậc tự do ứng
dụng trong hàn tự động” này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS
Phan Bùi Khôi. Các số liệu và kết quả trình bày trong luận văn là do tôi phát triển và
chưa từng được công bố trong bất kì một tài liệu nào.
Hà Nội, Ngày

tháng

năm 2013

Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Trường

1


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ 1
MỤC LỤC ....................................................................................................................... 2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................. 4
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................. 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ......................................................................... 6
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 9
CHƯƠNG I ................................................................................................................... 11
TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN TỰ ĐỘNG .............................................................. 11
1.1 Giới thiệu về robot ...................................................................................................11
1.1.1 Robot và roboctis .............................................................................................11
1.1.2 Robot công nghiệp ...........................................................................................13
1.1.3 Phân loại robot .................................................................................................17

1.2 Robot hàn tự động ...................................................................................................20
1.2.1 Hệ thống hàn tự động .......................................................................................20
1.2.2 Phân loại robot hàn...........................................................................................21
1.2.3 Đặc điểm khai thác sử dụng robot hàn .............................................................22
1.3 Cấu trúc, nguyên lý, thiết kế robot hàn tự động ......................................................23
1.3.1 Các yêu cầu, chức năng của robot hàn .............................................................23
1.3.2 Cấu trúc của robot hàn .....................................................................................23
1.3.3 Nguyên lý thiết kế tổng thể robot hàn ..............................................................25
1.4 Tóm tắt chương 1.....................................................................................................33
CHƯƠNG 2 ................................................................................................................... 34
KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT HÀN ..................................................................... 34
2.1 Cơ sở lý thuyết.........................................................................................................34
2.1.1 Phương pháp ma trận truyền Denavit-Hartenberg ...........................................34
2.1.2 Phương pháp tam diện trùng theo ....................................................................37
2.1.3 Thiết lập phương trình động học robot ............................................................39
2.2 Khảo sát động học robot hàn ...................................................................................41
2.2.1 Thiết lập phương trình động học robot hàn .....................................................41
2.2.2 Động học thuận robot hàn ...............................................................................45
2.2.3 Động học ngược robot hàn ..............................................................................48
2.2.4 Các phương pháp giải bài toán động học ngược robot hàn ............................49
2.3 Chương trình tự động tính toán và mô phỏng robot hàn .........................................57
2


2.3.1 Chương trình tính toán động học robot hàn .....................................................57
2.3.2 Chương trình mô phỏng hoạt động robot .........................................................60
2.4 Tóm tắt chương 2.....................................................................................................64
CHƯƠNG 3 ................................................................................................................... 65
KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT HÀN ........................................................... 65
3.1 Cơ sở lý thuyết.........................................................................................................65

3.1.1 Phương pháp Lagrange II ................................................................................65
3.1.2 Phương pháp Newton-Euler .............................................................................69
3.2 Động lực học robot hàn theo phương pháp Lagrange II .........................................72
3.2.1 Sơ đồ động lực học robot. ................................................................................72
3.2.2 Thiết lập các tham số động lực học robot hàn .................................................74
3.2.3 Hệ phương trình động lực ................................................................................78
3.3 Khảo sát các bài toán động lực học robot................................................................80
3.3.1 Bài toán động lực học thuận.............................................................................80
3.3.2 Bài toán động lực học ngược ...........................................................................84
3.4 Tổng kết chương 3 ...................................................................................................87
CHƯƠNG 4 ................................................................................................................... 88
TÍNH TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT HÀN ........................................................ 88
4.1 Khái quát về điều khiển tay máy .............................................................................88
4.2 Điều khiển phản hồi với bộ điều khiển PD .............................................................88
4.2.1 Luật điều khiển .................................................................................................88
4.2.2 Mô phỏng kết quả trên Matlab .........................................................................92
4.2.3 Phân tích kết quả điều khiển ............................................................................95
4.3 Điều khiển moment tính toán với bộ điều khiển PID ..............................................96
4.3.1 Nội dung phương pháp .....................................................................................96
4.3.2 Bộ điều khiển PID ............................................................................................98
4.3.3 Mô phỏng điều khiển trên Matlab Simulink/Simmechanics ..........................100
4.4 Tổng kết chương 4 .................................................................................................105
KẾT LUẬN ................................................................................................................. 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 107
PHỤ LỤC .................................................................................................................... 108

3


k

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Tỷ số truyền của bộ truyền bánh răng sóng.

Z1

Số răng của bánh răng sóng.

Z2

Số răng của bánh răng trụ trong.

i-1

Ma trận Denavit-Hartenberg địa phương.

Hi

Dn

Ma trận cho biết vị trí và hướng của khâu thao tác đối với hệ quy chiếu cố định.

O fi fi fi  fi

Tam diện gắn vào mỗi điểm trên đường hàn.

Ok k k k

Trạng thái mỏ hàn tại mỗi vị trí thao tác.

RBCN

Robot công nghiệp.

0

An

Ma trận cosin chỉ hướng.

f(p,q) Phương trình động học robot.
J

Ma trận Jacobian.

M(q) Ma trận khối lượng suy rộng của robot.
T

Động năng của robot.



Thế năng của robot.

(q) Momen động cơ.

C

Ma trận ly tâm – Coriolis.

Fi,i-1 và Mi,i-1 Lực và ngẫu lực liên kết do vật rắn thứ i-1 tác dụng lên vật rắn thứ i.
Fi+1,i và Mi+1,i Lực và ngẫu lực liên kết do vật rắn thứ i tác dụng lên vật rắn thứ i+1.

4


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Quá trình thiết kế Robot ................................................................................26
Bảng 1.2 Thông số làm việc của Robot hàn ..................................................................29
Bảng 2.1 Các tham số xác định trạng thái đường gia công trong hệ tọa độ chi tiết ......38
Bảng 2.2 Bảng tham số D-H của robot hàn ...................................................................41
Bảng 2.3 Thông số cơ bản của robot hàn ......................................................................42
Bảng 2.4 Giới hạn các góc của robot hàn ......................................................................42
Bảng 3.1 Bảng tham số động lực học của các khâu ......................................................65
Bảng 3.2 Bảng tham số động lực học của các khâu robot hàn. .....................................74

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Vở kịch Rossum’s Universal Robots .............................................................11
Hình 1.2 Robot Asimo của Nhật Bản ............................................................................12
Hình 1.3 Robot Big Dog của Hoa Kỳ............................................................................12
Hình 1.4 Robot công nghiệp Kuka của Đức..................................................................12
Hình 1.5 Hình 1.5 Robot Tosy của Việt Nam ...............................................................12
Hình 1.6 Các thành phần cơ bản của cơ điện tử ............................................................13
Hình 1.7 Robot công nghiệp ABB của Thụy Điển........................................................14
Hình 1.8 Sản lượng robot công nghiệp trên thế giới .....................................................14
Hình 1.9 Các lĩnh vực robot công nghiệp được sử dụng ...............................................15
Hình 1.10 Cấu trúc chung của RBCN ...........................................................................15

Hình 1.11 Cánh tay, cổ tay RBCN ................................................................................16
Hình 1.12 Mô hình hệ thống robot ................................................................................16
Hình 1.13 Cấu trúc robot hàn OTC AX21 ....................................................................17
Hình 1.14 Robot kiểu toạ độ Đề các..............................................................................17
Hình 1.15 Robot kiểu toạ độ trụ ....................................................................................17
Hình 1.16 Robot kiểu toạ độ cầu ...................................................................................17
Hình 1.17 Robot hoạt động theo tọa độ góc ..................................................................17
Hình 1.18 Robot kiểu SCARA ......................................................................................17
Hình 1.19 Sơ đồ điều khiển robot theo mạch hở ...........................................................19
Hình 1.20 Sơ đồ điều khiển robot theo vòng kín ..........................................................19
Hình 1.21 Hệ thống robot hàn hồ quang của ABB .......................................................20
Hình 1.22 Nguồn hàn cho robot hàn hồ quang ..............................................................20
Hình 1.23 Súng hàn .......................................................................................................20
Hình 1.24 Bộ làm sạch súng hàn ...................................................................................21
Hình 1.25 Bộ cấp dây hàn .............................................................................................21
Hình 1.26 Robot hàn hồ quang ......................................................................................21
Hình 1.27 Robot hàn điểm Presto..................................................................................21
Hình 1.28 Robot hàn ma sát ..........................................................................................22
Hình 1.29 Robot hàn dưới lớp thuốc bảo vệ .................................................................22
Hình 1.30 Sơ đồ động học robot hàn .............................................................................22
Hình 1.31 Robot cơ cấu vai người.................................................................................24
6


Hình 1.32 Cơ cấu cổ tay ................................................................................................24
Hình 1.33 Sơ đồ hệ thống Robot ..................................................................................24
Hình 1.34 Đế Robot .......................................................................................................27
Hình 1.35 Khâu 1...........................................................................................................27
Hình 1.36 Khâu 2...........................................................................................................27
Hình 1.37 Khâu 3...........................................................................................................27

Hình 1.38 Khâu 4...........................................................................................................27
Hình 1.39 Khâu 5...........................................................................................................27
Hình 1.40 Khâu 6...........................................................................................................27
Hình 1.41 Mô hình Robot hàn 6DOF ............................................................................28
Hình 1.42 Cấu tạo hộp giảm tốc bánh răng sóng ..........................................................31
Hình 1.43 Cổ tay Robot Scorbot hai bậc tự do..............................................................32
Hình 1.44 Cơ cấu cổ tay với ba trục đồng quy .............................................................32
Hình 2.1 Biểu diễn các thông số Denavit – Hartenberg của khớp quay .......................35
Hình 2.2 Robot n khâu. ..................................................................................................36
Hình 2.3 Mối hàn thực hiện bởi robot hàn ....................................................................37
Hình 2.4 Sơ đồ hệ tọa độ D-H .......................................................................................41
Hình 2.5 Vị trí tâm cổ tay ..............................................................................................50
Hình 2.6 Lưu đồ thuật toán giải bài toán động học ngược ............................................53
Hình 2.7 Quỹ đạo khâu thao tác của Robot ...................................................................54
Hình 2.8 Kết quả bài toán động học ngược ...................................................................54
Hình 2.9 Sơ đồ thuật toán Newton-Raphson .................................................................56
Hình 2.10 Giao diện chương trình tính toán ..................................................................58
Hình 2.11 Thủ tục giải hệ phương trình phi tuyến ........................................................58
Hình 2.12 Kết quả tính toán thu được ...........................................................................59
Hình 2.13 Modul lập trình .............................................................................................59
Hình 2.14 Giao diện chương trình Simulator khi khởi động.........................................61
Hình 2.15 Simulator cho phép tùy chỉnh hiển thị..........................................................61
Hình 2.16 Các chức năng cơ bản của Simulator ...........................................................62
Hình 2.17 Giao diện chương trình khi đưa robot vào ...................................................62
Hình 2.18 Tùy chỉnh đặc tính robot trong Simulator ....................................................62
Hình 2.19 Mô phỏng hoạt động robot ...........................................................................63
Hình 2.20 Robot vẽ hình xoắn ốc ..................................................................................63
7

Hình 3.1 Mô hình vật rắn thứ i được tách riêng ra ........................................................69
Hình 3.2 Mô hình động lực học của robot.....................................................................72
Hình 3.3 Vị trí trọng tâm khâu 1 ...................................................................................73
Hình 3.4 Bộ tham số động lực học của khâu 1 ..............................................................73
Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán Runge-Kuttan ....................................................................81
Hình 3.6 Đồ thị góc quay của các khớp ........................................................................82
Hình 3.7 Đồ thị góc quay (rad) của các khớp................................................................83
Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán giải bài toán động lực học ngược ......................................85
Hình 3.9 Quỹ đạo chuyển động của Robot....................................................................86
Hình 3.10 Góc quay và moment đặt trên các khớp .......................................................86
Hình 4.1 Hệ điều khiển tay máy phi tuyến ....................................................................90
Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển Robot hàn với bộ điều khiển PD .....................92
Hình 4.3 Quỹ đạo mong muốn ......................................................................................93
Hình 4.4 Đồ thị các biến khớp đặt và các biến khớp sau khi điều khiển ......................94
Hình 4.5 Quỹ đạo của khâu thao tác sau khi điều khiển ...............................................95
Hình 4.6 Phóng to quỹ đạo khi điều khiển ....................................................................95
Hình 4.7 Sơ đồ điều khiển dùng động lực học ngược với bộ điều khiển PID ..............96
Hình 4.8 Bộ điều khiển PID ..........................................................................................98
Hình 4.9 Mô hình hệ thống điều khiển PID ..................................................................99
Hình 4.10 Sơ đồ hệ thống điều khiển ............................................................................99
Hình 4.11 Quỹ đạo đặt góc khớp .................................................................................102
Hình 4.12 Vận tốc đặt ..................................................................................................102
Hình 4.13 Gia tốc đặt...................................................................................................103
Hình 4.14 Các thông số khâu đế ..................................................................................103
Hình 4.15 Mô hình khâu đế trong Simulink ................................................................104
Hình 4.16 Sai số góc khớp...........................................................................................104

8

LỜI MỞ ĐẦU
Công nghiệp hóa và hiện đại hóa nền sản xuất là một chủ trương lớn của đất nước ta
hiện nay. Với xu thế chung của thế giới, để có thể đẩy mạnh sự nghiệp công nghiệp
hóa và hiện đại hóa cần ưu tiên áp dụng các tiến bộ của khoa học kỹ thuật vào đời sống
sản xuất. Trong đó việc ứng dụng công nghệ tự động hóa vào các quá trình sản xuất
công nghiệp đóng vai trò quan trọng. Đây cũng là một đòi hỏi cấp bách liên quan đến
việc giải phóng con người khỏi sự nặng nhọc, sự nhàm chán của công việc (do sự lặp
đi lặp lại các thao tác của một công việc giản đơn nào đó), sự nguy hiểm của môi trường
lao động, sự lây lan của các bệnh hiểm nghèo tại các cơ sở y tế, sự ô nhiễm do bụi
bặm của các hầm mỏ, sự nguy hiểm ở duới đáy đại dương và trên không gian vũ trụ…
Trên thế giới, các nước tiên tiến như: Hoa kỳ, Đức, Nhật… đã và đang ứng dụng công
nghệ hàn tự động bằng Robot vào trong sản xuất công nghiệp. Đặc biệt trong ngành
công nghiệp sản suất ô tô. Tuy nhiên, ở Việt Nam, việc triển khai ứng dụng còn hạn chế.
Công việc hàn còn phải thực hiện nhiều bằng tay. Với hàn đường thực hiện bằng tay có
năng suất thấp do yêu cầu chất lượng bề mặt mối hàn liên quan đến các thao tác của đầu
mỏ hàn với môi trường khắc nghiệt do khói và nhiệt phát ra trong quá trình hàn.
Ứng dụng robot trong hàn tự động cho phép nâng cao chất lượng mối hàn cũng như tăng
năng suất và tiến tới thay thế lao động của con người trong các công việc độc hại. Khả
năng robot hàn thực hiện được các mối hàn phức tạp phụ thuộc vào khả năng chuyển
động tương đối giữa mỏ hàn và chi tiết được hàn. Có nhiều phương pháp để tạo khả
năng chuyển động tương đối giữa mỏ hàn và đối tượng hàn nhằm nâng cao khả năng
thực hiện các mối hàn có hình dạng phức tạp.
Với các phân tích ở trên, việc tìm hiểu đặc điểm thiết kế, tính toán động lực học và điều
khiển robot hàn có ý nghĩa quan trọng trong việc khai thác, làm chủ và tiến tới thiết kế,
chế tạo robot hàn. Với bài toán động học chúng ta sẽ thiết lập được mối quan hệ giữa
các biến khớp và vị trí của khâu thao tác. Kết quả của bài toán động học là các tham số
đầu vào để khảo sát động lực học robot, phục vụ cho việc tính chọn các cơ cấu chấp
hành, thiết kế xây dựng bộ điều khiển. Chính vì vậy việc xây dựng mô hình, tính toán
động học, động lực học, đưa ra thuật toán điều khiển một cách chính xác là một yêu cầu
quan trọng đối với việc tính toán thiết kế robot hàn.

Xuất phát từ những phân tích trên, tác giả luận văn lựa chọn đề tài: “Mô hình hóa và
điều khiển robot 6 bậc tự do ứng dụng trong hàn tự động” nhằm chuẩn hóa các modul
thiết kế sản phẩm, hoàn thiện từ thiết kế cơ khí tới điều khiển. Luận văn cũng hướng tới
việc tạo ra một tài liệu chuẩn, nhất quán trong thiết kế robot.
Luận văn tập trung phân tích đưa ra mô hình robot hàn hồ quang; thiết kế, tối ưu hóa kết
cấu cơ khí ; Tính toán, lựa chọn bộ truyền dẫn động cho robot; tính toán động học, động
lực học; tính toán, thiết kế bộ điều khiển; mô phỏng robot trên Matlab Simulink và mô
phỏng quá trình hoạt động trên VC++ kết hợp thư viện đồ họa Open GL.
Nội dung luận văn gồm 4 phần:
9


Chương 1. Tổng quan về robot hàn tự động.
Chương 2. Khảo sát động học robot hàn.
Chương 3. Khảo sát động lực học robot hàn.
Chương 4. Tính toán điều khiển cho robot hàn.
Tuy đã rất nỗ lực hoàn thành và kiểm tra các tính toán nhưng luận văn chắc chắn không
tránh khỏi thiếu sót và hạn chế. Rất mong nhận được sự đánh giá, đóng góp của quý
thầy cô và bạn bè để có thể giúp đỡ tôi hoàn thiện hơn trong các nghiên cứu sau này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô và các bạn đồng môn đã giúp đỡ tôi hoàn thành
luận văn này, đặc biệt là sự tận tình chỉ dạy, giúp đỡ của PGS.TS Phan Bùi Khôi. Tôi
xin chân thành cảm ơn.
.

TÁC GIẢ

Nguyễn Văn Trường

10

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÀN TỰ ĐỘNG
1.1 Giới thiệu về robot
1.1.1 Robot và roboctis
a. Lịch sử ra đời và khái niệm về robot.
Kể từ cuộc cách mạng công nghiệp, nhu cầu về cải tiến chất lượng sản phẩm và giảm
chi phí sản xuất ngày càng tăng và robot đã ra đời trên mục đích đó. Thuật ngữ “robot”
lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong các tác phẩm “Rossum’s Unisersal Robots” của
Karel Capek. Hơn 20 năm sau, ước mơ của Kerel Capek bắt đầu được thực hiện. Ngay
sau chiến tranh thế giới thứ 2, ở Hoa Kì đã xuất hiện những cánh tay máy chép hình điều
khiển từ xa. Vào giữa những năm 50 bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đã xuất
hiện các loại tay máy chép hình thuỷ lực và điện từ, như tay máy Minotaur I hoặc tay
máy Handyman của General Electric. Năm 1954 George C. Devol đã thiết kế một thiết
bị có tên là “cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo chương trình”. Đến năm 1956 Devol
cùng với Joseph F. Engelber, một kỹ sư trẻ của công nghiệp hàng không đã tạo ra loại
robot công nghiệp đầu tiên năm 1959.

Hình 1.1 Vở kịch Rossum’s Universal Robots
Robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên, năm 1961, ở một nhà máy ô tô của
General Motors tại Trenton, New Jersey Hoa Kì. Năm 1967 Nhật Bản mới nhập Robot
công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Hoa kỳ. Đến năm 1990 có hơn 40 công ty
Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như công ty Hitachi và công ty Mitsubishi
đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng.
Từ những năm 70 việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý đến nhiều sự
lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc. Tại trường
đại học tổng hợp Stanford 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 và thị giác.
Từ những năm 80, nhất là vào những năm 90, do áp dụng rộng rãi 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, có nhiều tính năng vượt bậc. Nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan
trọng trong các dây chuyền tự động sản xuất hiện đại.

11


Hiện nay có nhiều định nghĩa về Robot, có thể điểm qua một số định nghĩa như sau:
Theo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp:
Robot là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương trình hoá, lặp lại các chương
trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị, di
chuyển các đối tượng vật chất; chi tiết, dao cụ, gá lắp … theo những hành trình thay
đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.
Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD:
Robot là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển động có thể chương trình hóa
và nối ghép các chuyển động của chúng trong những khoảng cách tuyến tính hay phi
tuyến của động trình. Chúng được điều khiển bởi các bộ phận hợp nhất ghép kết nối với
nhau, có khả năng học và nhớ các chương trình; chúng được trang bị dụng cụ hoặc các
phương tiện công nghệ khác để thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp hay gián tiếp.
Theo tiêu chuẩn GHOST 1980:
Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình
hoá, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay
thế những chức năng tương tự của con người.

Hình 1.2 Robot Asimo của Nhật Bản

Hình 1.3 Robot Big Dog của Hoa Kỳ

Hình 1.4 Robot công nghiệp Kuka của Đức

12

Hình 1.5 Robot Tosy của Việt Nam


b. Robotics
Robotics là một ngành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu về thiết kế, chế tạo các robot
và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người như
nghiên cứu khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh.

Hình 1.6 Các thành phần cơ bản của cơ điện tử
Robotics là một khoa học liên ngành gồm: cơ học, cơ khí, kỹ thuật điện – điện tử, kỹ
thuật điều khiển – lập trình và công nghệ thông tin. Robot là một sản phẩm đặc thù của
ngành cơ điện tử (mechatronics).
1.1.2 Robot công nghiệp
a. Định nghĩa robot công nghiệp.
Hiện nay có nhiều định nghĩa về robot công nghiệp.
Theo định nghĩa của tổ chức ISO:
RBCN là một tay máy đa mục đích có thể điều khiển tự động, lập trình lại được,
có nhiều hơn hoặc bằng 3 trục.
Theo Viện nghiên cứu robot của Mĩ :
RBCN là tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại
để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công
nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng
khác.
Theo định nghĩa GHOST 25686 – 85:
RBCN là tay máy được đặt cố định hay di động, bao gồm thiết bị thừa hành dạng
tay máy có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chương trình, có thể
tái lập trình để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản
xuất.
b. Ứng dụng robot công nghiệp

Theo thống kê đến năm 2011 thế giới có khoảng 180.000 robot công nghiệp được sử
dụng. Sản lượng robot công nghiệp có xu hướng năm sau cao hơn năm trước. Ước tính
13


năm 1994 có khoảng hơn 40.000 robot công nghiệp được sử dụng trên toàn thế giới thì
đến năm 2011 con số này đã tăng lên hơn 6 lần là 180.000 robot.

Hình 1.7 Robot công nghiệp ABB của Thụy Điển

Hình 1.8 Sản lượng robot công nghiệp trên thế giới
Với những ưu việt của mình: năng suất cao, làm việc tin cậy, thay thế con người trong
những công việc độc hại, nguy hiểm, lặp đi lặp lại, nhàm chán, thay đổi chương trình
nhanh, đa mục đích…robot công nghiệp ngày càng được sử dụng nhiều vào tất cả các
lĩnh vực trong công nghiệp cũng như đời sống.

14


Hình 1.9 Các lĩnh vực robot công nghiệp được sử dụng
c. Cấu trúc chung của robot công nghiệp
Một RBCN bao gồm các phần cơ bản sau:

Hình 1.10 Cấu trúc chung của RBCN
Tay Máy (Manipulator): là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh
tay (arm) để tạo các chuyển động cơ bản, Cổ tay (Wrist) tạo nên sự khéo léo, linh hoạt
15


và bàn tay (Hand) hoặc phần công tác (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao

tác trên đối tượng.

Hình 1.11 Cánh tay, cổ tay RBCN
Hệ thống cảm biến: gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu khác. Các robot cần
hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các
sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường.

Hình 1.12 Mô hình hệ thống robot
Cơ cấu chấp hành: tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của
các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: Điện, thuỷ lực, khí nén hoặc kết hợp giữa
chúng.
Hệ thống điều khiển (controller): hiện nay thường là hệ thống điều khiển số có máy
tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot.

16


Hình 1.13 Cấu trúc robot hàn OTC AX21
1.1.3 Phân loại robot

a. Phân loại theo kết cấu
Lấy hai hình thức chuyển động nguyên thủy làm chuẩn:
- Chuyển động thẳng theo các hướng X, Y, Z trong không gian ba chiều thông thường
tạo nên những khối hình có góc cạnh, gọi là T (Translation) hoặc P (Prismatic).
- Chuyển động quay quanh các trục X, Y, Z kí hiệu (R).
Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có các kết
cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thường gặp của robot là: robot
kiểu toạ độ Đề các, toạ độ trụ, toạ độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ toạ độ góc (phỏng
sinh) ...
Robot kiểu tọa độ Đề các: là tay máy có 3

chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của
các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình T.T.T). Trường
công tác có dạng khối hình chữ nhật. Do kết
cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững
cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó
thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp,
hàn trong mặt phẳng,…

T.T.T

Hình 1.14 Robot kiểu toạ độ Đề các

17


Robot kiểu tọa độ trụ: Vùng làm việc của robot có
dạng hình trụ rỗng. Thường khớp thứ nhất chuyển
động quay. Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.T.T
như hình vẽ 1.15. Có nhiều robot kiểu toạ độ trụ như
: robot Versatran của hãng AMF (Hoa Kỳ).
Robot kiểu tọa độ cầu: Vùng làm việc của robot có
dạng hình cầu, thường độ cứng vững của loại robot
này thấp hơn so với hai loại trên. Ví dụ robot 3 bậc tự
do, cấu hình R.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu toạ
độ cầu (hình 1.16).

R.T.T

Hình 1.15 Robot kiểu toạ độ trụ

R.R.T

R.R.R

Hình 1.16 Robot kiểu toạ độ cầu
Robot kiểu toạ độ góc (Hệ toạ độ phỏng sinh)
: đây là robot dùng nhiều hơn cả. Ba chuyển
động đầu tiên là các chuyển động quay, trục
quay thứ nhất vuông góc với hai trục kia. Các
chuyển động định hướng khác cũng là các
chuyển động quay. Vùng làm việc của tay máy
này gần giống một phần khối cầu. Tất cả các
khâu đều nằm trong mặt phẳng thẳng đứng nên
các tính toán cơ bản là bài toán phẳng. Ưu
điểm nổi bật của các loại robot hoạt động theo
hệ toạ độ góc là gọn nhẹ, tức là có vùng làm
việc tương đối lớn so với kích cỡ của bản thân
robot, độ linh hoạt cao.

Hình 1.17 Robot hoạt động theo hệ
toạ độ góc.

Các robot hoạt động theo hệ toạ độ góc như: Robot PUMA của hãng Unimation - Nokia
(Hoa Kỳ - Phần Lan), IRb-6, IRb-60 (Thụy Điển), Toshiba, Mitsubishi, Mazak (Nhật
Bản),...
Ví dụ một robot hoạt động theo hệ toạ độ góc (Hệ toạ độ phỏng sinh), có cấu hình
RRR.RRR như hình 1.17

18

Robot kiểu SCARA : Robot SCARA ra
ra đời vào năm 1979 tại trường đại học
Yamanashi (Nhật Bản) là một kiểu robot
mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các
quá trình sản xuất. Tên gọi SCARA là
viết tắt của "Selective Compliant
Articulated Robot Arm": Tay máy mềm
dẻo tuỳ ý. Loại robot này thường được
dùng trong công nghiệp lắp ráp, nên
SCARA đôi khi được giải thích là từ viết
Hình 1.18 Robot kiểu SCARA
tắt của "Selective Compliance Assembly
Robot Arm". Ba khớp đầu tiên của kiểu
Robot này có cấu hình R.R.T, các trục khớp đều theo phương thẳng đứng.

b. Phân loại theo phương pháp điều khiển
Theo phương pháp điều khiển robot công nghiệp được phân ra làm 2 loại: điều khiển
theo mạch hở và điều khiển theo vòng kín.
 Điều khiển theo mạch hở
Hệ thống

Tay máy

Môi trường

điều khiển

Robot công nghiệp

làm việc

Hình 1.19 Sơ đồ điều khiển robot theo mạch hở
Đây là phương pháp điều khiển không có phản hồi về trạng thái cũng như môi trường
làm việc của tay máy robot công nghiệp. Do đó độ chính xác không cao. Phương pháp
điều khiển này tương đối đơn giản, thường được áp dụng trong những trường hợp không
đòi hỏi cao về độ chính xác, như vận chuyển phôi liệu hay hàng hóa… Động cơ được
sử dụng trên tay máy robot thường là động cơ bước, động cơ điện thông thường không
phản hồi.
 Điều khiển theo vòng kín
Hệ thống

Tay máy

Môi trường

điều khiển

Robot công nghiệp

làm việc

Hệ thống
cảm biến
Hình 1.20 Sơ đồ điều khiển robot theo vòng kín
Khác với phương pháp điều khiển theo mạch hở, ở phương pháp điều khiển theo vòng
kín có phản hồi về trạng thái làm việc của tay máy cũng như môi trường mà tay máy
19

tương tác. Do đó điều khiển tay máy robot công nghiệp sẽ chính xác hơn. So với phương
pháp điều khiển theo mạch hở, phương pháp điều khiển này phức tạp hơn do phải trang
bị hệ thống cảm biến để đo các giá trị trạng thái của tay máy như: vị trí, vận tốc, gia tốc,
mô men…và các thông số môi trường làm việc.
Với ưu điểm là có độ chính xác cao, tin cậy trong quá trình làm việc nên phương pháp
điều khiển theo vòng kín ngày càng được sử dụng nhiều trên các tay máy robot công
nghiệp.

c. Phân loại theo ứng dụng
Cách phân loại này dựa vào ứng dụng của robot. Ví dụ: robot công nghiệp, robot dùng
trong nghiên cứu khoa học, robot dùng trong kỹ thuật vũ trụ, robot dùng trong quân sự…
Ngoài những kiểu phân loại trên còn có : Phân loại theo hệ thống năng lượng, phân loại
theo hệ thống truyền động, phân loại theo độ chính xác…
1.2 Robot hàn tự động
1.2.1 Hệ thống hàn tự động
Một hệ thống hàn hồ quang tự động gồm các thành phần điển hình sau:
 Robot hàn hồ quang: thường có dạng tay máy có từ 3 đến 6 bậc tự do và lập trình
được.

Hình 1.21 Hệ thống robot hàn hồ quang của ABB
 Nguồn hàn: cung cấp dòng điện điều khiển với điện áp thích hợp cho quá trình hàn,
thường là 10-35V và 5-100A.

Hình 1.22 Nguồn hàn cho robot hàn hồ quang
20

Hình 1.23 Súng hàn


 Súng hàn: dùng để truyền dòng điện hàn từ cáp hàn tới điện cực và tạo ra lớp cách

ly quanh mối hàn. Súng hàn có thể được làm nguội bằng nước luân chuyển hoặc không
khí. Quá trình hàn dùng điện cực tự tiêu như hàn hồ quang kim loại khí hoặc hàn hồ
quang lõi thuốc, có thể dùng hoặc không dùng khí cách ly.
 Bộ làm sạch súng hàn
Để làm việc chính xác và tin cậy, súng hàn hồ quang phải được làm sạch liên tục. Chu
kỳ làm việc cao độ của hàn tự động nên quá trình làm sạch súng hàn cũng phải được tự
động hóa. Chất tách vảy hàn được phun vào mũi súng hàn. Ngoài ra, bộ làm sạch còn
có thể chà sát mũi súng hàn để loại bỏ vẩy hàn bám vào và cắt dây hàn.

Hình 1.25 Bộ cấp dây hàn
Hình 1.24 Bộ làm sạch súng hàn
 Bộ cấp dây hàn: dùng để bổ sung kim loại điền đầy trong quá trình hàn tự động.
Thông thường, bộ cấp dây hàn được mắc trên cánh tay robot, độc lập với nguồn hàn.
 Khung hàn và tay hàn.
 Bộ định tâm: Quá trình căn chỉnh trọng tâm là yếu tố cơ bản để thực hiện thành công
hệ thống hàn tự động. Bộ định tâm giúp căn chỉnh chính xác trọng tâm.
1.2.2 Phân loại robot hàn
Có nhiều cách để phân loại robot hàn:
a. Phân loại theo phương pháp hàn
Dựa theo phương pháp hàn, ta có thể phân robot thành các loại: Robot hàn điểm, robot
hàn hồ quang, robot hàn ma sát xoay…

Hình 1.26 Robot hàn hồ quang

Hình 1.27 Robot hàn điểm Presto

21


Hình 1.28 Robot hàn ma sát

Hình 1.29 Robot hàn dưới lớp thuốc bảo vệ

b. Phân loại theo điều khiển
Điều khiển kín 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 theo đường (contour).
Với kiểu điều khiển điểm - điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm
kia theo đường thẳng với tốc độ không cao (không làm việc). Nó chỉ làm việc tại các
điểm dừng. Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm.
Điều khiển contour đảm bảo cho 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 robot hàn hồ
quang.
1.2.3 Đặc điểm khai thác sử dụng robot hàn
Cũng như hàn bằng tay, để tạo điều kiện cho mối hàn kết tinh (đông đặc) tốt, tránh được
một số khuyết tật chúng ta phải chuẩn bị các mép hàn trước khi hàn. Khâu chuẩn bị bao
gồm các bước:
 Làm sạch mép vật hàn.
 Đối với thép mỏng cần gấp mép.
 Đối với thép có chiều dày lớn cần tiến hành vát mép.
 Chọn khe hở giữa hai vật hàn.
Đối với Robot cần phải chuẩn bị:
 Lập trình quỹ đạo hàn cho robot. Các robot hàn hiện nay thường có hai chế độ lập
trình. Chế độ lập trình bằng tay (chế độ dạy học cho robot), ở chế độ này người vận hành
robot điều khiển khâu công tác của robot đến vị trí mong muốn rồi lưu lại vị trí đó vào
bộ nhớ của robot. Sau khi được dạy học, robot sẽ chạy đến chính xác các vị trí đã được
lưu trước. Ưu điểm của chế độ lập trình này là đơn giản, trực quan, không cần có kiến
thức về lập trình. Nhưng với chế độ lập trình dạy học này chỉ áp dụng đối với các mối
hàn đơn giản có dạng đường thẳng (trong mặt phẳng hoặc trong không gian) hoặc các
đường cong phẳng, chế độ hàn điểm - điểm. Robot hàn OTC AX-V6 có khả năng nhớ
200000 điểm vào bộ nhớ của nó. Chế độ lập trình thứ hai đó là lập trình bằng máy tính.

22


Với chế độ này không nhất thiết phải lập trình trực tiếp trên robot mà có thể lập trình
trước quỹ đạo hàn trên máy tính rồi nạp vào bộ nhớ của robot. Chế độ lập trình bằng
máy tính, quỹ đạo mối hàn thường có dạng các đường cong phức tạp. Với dạng quỹ đạo
này việc thiết lập phương trình cho nó tương đối khó khăn, người ta thường thiết kế
trước quỹ đạo trên các phần mềm hỗ trợ thiết kế CAD/CAM như: Pro/ENGINEER,
Solid Work… rồi xuất ra các toạ độ dưới dạng file STL và nạp vào robot.
 Cài đặt các thông số công nghệ: điện áp, dòng điện hàn, vận tốc hàn, số lớp cần
hàn… Công việc chuẩn bị này rất quan trọng vì chất lượng mối hàn phụ thuộc rất lớn
vào các thông số trên.
So với hàn bằng tay, hàn tự động sử dụng Robot có các ưu điểm:
 Có độ chính xác và năng suất cao. Hàn bằng robot nâng cao độ tin cậy của mối
hàn. Một khi được lập trình hợp lý, các robot sẽ tạo ra những mối hàn y như nhau trên
các vật hàn cùng kích thước và quy cách.
 Giảm phế phẩm và khối lượng công việc phải làm lại. Robot không những làm
việc nhanh hơn mà còn có thể hoạt động liên tục suốt ngày đêm, hiệu quả hơn nhiều so
với một hệ thống hàn tay.
 Giải phóng người công nhân khỏi những tác hại khi hàn do tiếp xúc với bức xạ hồ
quang, vẩy hàn nóng chảy, khí độc.
1.3 Cấu trúc, nguyên lý, thiết kế robot hàn tự động
1.3.1 Các yêu cầu, chức năng của robot hàn
a. Chức năng của Robot hàn:
 Thay thế con người đảm nhiệm công việc hàn.
 Các mối hàn Robot có thể thực hiện được: hàn điểm, hàn đường trong mặt phẳng
(nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn), hàn các đường phức tạp trong không gian.
 Hàn theo chương trình.
 Các chế độ hàn: hàn tự động, hàn bằng tay.
b. Yêu cầu:

 Robot phải linh hoạt, có khả năng vươn tới mọi vị trí trong vùng làm việc của nó.
 Đảm bảo về độ cứng vững, khử rơ cho các truyền động cơ khí.
 Dễ dàng vận hành, điều khiển, giao tiếp người-máy phải thân thiện.
1.3.2 Cấu trúc của robot hàn
Dựa trên các yêu cầu, chức năng của robot hàn, ngoài ra để đảm bảo robot hàn được các
chi tiết lớn, ví dụ: các chi tiết dạng trụ, được gá trên bàn quay ngang và thực hiện chuyển
động quay để có thể thao tác trên toàn bộ bề mặt chi tiết. Để đảm bảo yêu cầu của mình,
robot cần có khả năng đưa đầu hàn tới mọi vị trí trong một khoảng không gian thao tác
trên bề mặt của vật, điều này yêu cầu 3 bậc tự do. Đồng thời tiếp cận bề mặt chi tiết theo
hướng vuông góc và di chuyển tiếp tuyến với đường hàn, yêu cầu này cần 2 bậc tự do
(một bậc tự do để quay vuông góc với bề mặt hàn và một bậc tự do để xoay mũi hàn tiếp
tuyến với đường hàn). Như vậy để thực hiện, chúng ta cần 5 bậc tự do.
Trong trường hợp này, tôi sử dụng robot hàn 6 bậc tự do vì:
 Đề phòng các trường hợp bó kẹt khớp.
23


 Tận dụng khi hàn các đường hàn nhỏ, chi tiết sẽ không cần thực hiện chuyển động
quay, sẽ làm giảm được sai số vì quán tính của chi tiết rất lớn, khó điều khiển theo quy
luật phức tạp.
 Có thể mở rộng để trở thành robot hàn CNC cho mọi dạng chi tiết mà chỉ cần thay
đổi luật diều khiển. Đồng thời thêm các nhiệm vụ khác ngoài nhiệm vụ hàn.
 Các robot hàn hồ quang trên thị trường đều là các robot 6 bậc tự do. Ta sẽ dễ dàng
đặt mua hơn khi không trực tiếp sản xuất và khách hàng của chúng ta sẽ dễ dàng chọn
lựa và đặt mua.
q5

q4
q3
q6

q2

q1

Hình 1.30 Sơ đồ động học robot hàn

Hình 1.31 Robot cơ cấu vai người

Hình 1.32 Cơ cấu cổ tay

Cấu trúc robot hàn (hình 1.30) chỉ gồm các khớp quay (R-R-R-R-R-R). Trong đó, Robot
được nối với giá bởi ba khớp vai (một quay quanh trục thẳng đứng, khớp thứ hai và
khớp thứ ba để nâng tay máy lên xuống so với mặt phẳng ngang). Khớp khuỷu thường
có trục khớp song song với khớp vai thứ hai. Cổ tay được cấu tạo bởi ba khớp quay để
cho khâu công tác linh hoạt.
24


Nói chung với cấu trúc trên Robot hàn khá linh hoạt, khâu công tác có thể với đến tất cả
các vị trí trong vùng làm việc, giảm thiểu ảnh hưởng của kết cấu đối với vùng công tác.
1.3.3 Nguyên lý thiết kế tổng thể robot hàn
Trong thiết kế Robot, các giải pháp thiết kế đều được phát triển dựa trên các đặc tả về
chức năng – yêu cầu cơ bản đặt ra. Xây dựng các giải pháp thiết kế đáp ứng yêu cầu –
chức năng cho trước là quá trình vừa trực quan vừa có tính hệ thống. Quá trình này nhằm
từng bước tiếp cận đến giải pháp thiết kế tối ưu.
Người ta cũng hay chia tách hệ thống Robot thành các cụm, khối, mô đun để tiện cho
quá trình thiết kế. Các nguyên tắc giải pháp thiết kế các mô đun, cụm được phân tích,
so sánh, đánh giá trong khuôn khổ chung để tìm giải pháp thiết kế hệ thống tổng thể. Đa
phần các hệ thống Robot đều được cấu trúc ở dạng mô đun hóa như hình vẽ sau:

Hình 1.33 Sơ đồ hệ thống Robot
Quá trình thiết kế Robot được chia thành ba giai đoạn (Bảng 1.1). Giai đoạn sau chi tiết
hóa hơn giai đoạn trước.
Giai đoạn thiết kế ý niệm (ý tưởng) sử dụng cách tiếp cận từ trên xuống dưới (Top Down). Là một quá trình phát triển dần dần từ cấu trúc động học hệ thống đến kết cấu
của Robot. Giai đoạn thiết kế kết cấu và tối ưu kết cấu nhằm cụ thể hóa các ý tưởng của
giai đoạn trước. Giai đoạn thiết kế chi tiết là giai đoạn chi tiết hóa toàn bộ các sản phẩm
thiết kế. Các sản phẩm này đủ để phục vụ chế tạo, lắp ráp, vận hành, bảo dưỡng thiết bị.
Thiết kế Robot rất cần sự trợ giúp của các công cụ phần mềm. Các công cụ phần mềm
sẽ giúp người thiết kế đưa ra các giải pháp nhanh chóng và hiệu quả hơn, ở tất cả các
bước thiết kế. Hiện nay các công cụ phần mềm rất đa dạng, hỗ trợ hầu hết toàn bộ các
bước thiết kế sản phẩm Robot, từ khâu thực hiện các bản vẽ, tính toán phân tích cơ học,
mô phỏng, thiết kế mạch điện, lập trình,... Các công cụ phần mềm có thể được chia thành
các nhóm như sau:
 Nhóm trợ giúp vẽ các bản vẽ. Hầu hết tất cả các bản vẽ hiện nay kể cả cơ khí, điện
tử,... đều có thể thực hiện trên máy tính. Các công cụ này giảm phần lớn gánh nặng cho
người thiết kế từ khâu biểu diễn các đường nét, xây dựng kích thước, lắp ráp,...
 Nhóm trợ giúp mô hình hóa, phân tích, mô phỏng động học, động lực học.
 Nhóm trợ giúp phân tích độ bền và các tính toán thiết kế khác.
25