Nghiên cứu ứng dụng robot hàn để hàn một số đường cong phức tạp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------NGUYỄN VĂN CÔNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ROBOT HÀN ĐỂ HÀN MỘT SỐ ĐƯỜNG
CONG PHỨC TẠP

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1/ TS. ĐINH VĂN CHIẾN
2/ GS.TS. TRẦN VĂN ĐỊCH

HÀ NỘI – 2011

2


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa ................................................................................................................2
MỤC LỤC....................................................................................................................3
Lời cam đoan.................................................................................................................6
Danh mục các bảng .......................................................................................................7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị........................................................................................8
PHẦN MỞ ĐẦU..........................................................................................................12
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP (IR)...............................14
1.1 Sự ra đời của Robot công nghiệp ( Inductrial Robot).............................................15

1.2 Định nghĩa về Robot công nghiệp ..........................................................................22
1.3 Phân loại Robot.......................................................................................................23
1.3.1 Phân loại theo hình học......................................................................................23
1.3.2 Phân loại theo điều khiển ...................................................................................28
1.4 Ứng dụng Robot công nghiệp trong sản xuất .........................................................28
1.5 Ứng dụng Robot trong ngành hàn...........................................................................29
Chương 2: GIỜI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ HÀN..................................................31
2.1 Lịch sử phát triền của ngành hàn ............................................................................32
2.2 Bản chất, đặc điểm và ứng dụng của hàn kim loại .................................................33
2.2.1 Bản chất................................................................................................................33
2.2.2 Đặc điểm ..............................................................................................................33
2.2.3 Ứng dụng..............................................................................................................34
2.3 Phân loại các phương pháp hàn...............................................................................34
2.3.1 Phân loại theo dạng năng lượng sử dụng .............................................................34
2.3.2 Phân loại theo trạng thái kim loại mối hàn ở thời điểm hàn ................................34
2.4 Phân loại các liên kết hàn........................................................................................35
2.4.1 Khái niệm .............................................................................................................35
2.4.2 Phân loại...............................................................................................................36
2.5 Mối hàn và sự hình thành mối hàn..........................................................................36

3


2.5.1 Mối hàn ................................................................................................................36
2.5.2 Chuyển dịch kim loại lỏng từ que hàn vào vũng hàn...........................................37
2.5.3 Sự tạo thành vũng hàn..........................................................................................38
2.5.4 Tổ chức kim loại mối hàn ....................................................................................39
2.5.5 Vùng ảnh hưởng nhiệt..........................................................................................40
2.5.6 Phân loại mối hàn.................................................................................................41
2.6 Hồ quang hàn ..........................................................................................................43

2.6.1 Khái niệm về hồ quang hàn..................................................................................43
2.6.2 Sự cháy và phân bố nhiệt hồ quang .....................................................................43
2.7 Ứng suất và biến dạng hàn ......................................................................................44
2.7.1 Khái niệm về ứng suất và biến dạng hàn .............................................................44
2.7.2 Ứng suất và biến dạng dọc ...................................................................................45
2.7.3 Ứng suất và biến dạng ngang ...............................................................................47
2.7.4 Biến dạng góc và cục bộ ......................................................................................48
2.7.5 Các biện pháp giảm ứng suất và biến dạng khi hàn.............................................49
2.8 Khuyết tật của mối hàn và phương pháp kiểm tra .................................................52
2.8.1 Khuyết tật của mối hàn ........................................................................................52
2.8.2 Phương pháp kiểm tra khuyết tật mối hàn ...........................................................56
2.9 Giới thiệu một số công nghệ hàn ............................................................................58
2.9.1 Hàn tự động và bán tự động dưới lớp thuốc ........................................................58
2.9.2 Hàn MIG, MAG ...................................................................................................58
2.9.3 Hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi trường khí trơ....................59
2.9.4 Hàn điện tiếp xúc .................................................................................................60
Chương 3: KẾT CẤU ROBOT HÀN ........................................................................62
3.1 Tại sao và khi nào dùng Robot hàn? .......................................................................63
3.1.1 Khi nào dùng Robot hàn ......................................................................................63
3.1.2 Tại sao hàn bằng Robot........................................................................................63
3.2 Các bộ phận cơ bản và tính năng của hệ thống Robot Kuka ..................................65
3.2.1 Các bộ phận cơ bản của hệ thống robot Kuka .....................................................65

4


3.2.2 Thông số động học của robot ...............................................................................67
3.2.3 Tay máy cơ khí.....................................................................................................68
3.3 Các phương pháp điều khiển robot .........................................................................70
3.3.1 Các hệ toạ độ và các kiểu chuyển động của robot Kuka .....................................70

3.3.2 Các phương pháp điều khiển................................................................................73
3.3.3 Giao diện Người – Máy .......................................................................................77
3.3.4 Các phương pháp điều khiển................................................................................80
Chương 4: ỨNG DỤNG CỦA ROBOT HÀN VÀ MỘT SỐ MÔ HÌNH ...............83
4.1 Ứng dụng của robot Kuka .......................................................................................84
4.2 Các mô hình ứng dụng ............................................................................................87
4.2.1 Mô hình I..............................................................................................................87
4.2.2 Mô hình II ............................................................................................................100
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................110
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................................112

5


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp của tôi hoàn toàn do tôi tự làm, tự tìm
hiểu dưới sự hướng dẫn của TS. Đinh Văn Chiến – Trường đại học Mỏ và GS.TS
Trần Văn Địch – Trường đại học Bách Khoa Hà Nội.
Tôi xin cam đoan không sao chép, nhờ, thuê, mua hay tải tài liệu từ trang
Web cũng như bất kỳ hình thức nào để biến luận văn này thành của tôi.
Tôi xin chịu trách nhiệm về lời cam đoan trên.
Người cam đoan

Nguyễn Văn Công

6


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1-1: Tình hình sản xuất robot ở mốt số nước công nghiệp phát triển

Bảng 1-2: Ước tính sự phát triển của robot trên thế giới
Bảng 3-1: Bảng các thông số động học

7


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1-1: Victor Scheinman và Cánh tay Robot Stanford
Hình 1-2: Robot Shakey
Hình 1-3: Robot Stanford Cart
Hình 1-4: Robot 8 chân Dante
Hình 1-5: Robot Asimo
Đồ thị 1-1: Ước tính robot công nghiệp hoạt động trên toàn thế giới
Đồ thị 1-2: Cung ứng robot công nghiệp hàng năm của một số quốc gia.
Hình 1-6: Robot có không gian làm việc dạng hình chữ nhật
Hình 1-7: Robot có không gian làm việc dạng trụ θ
Hình 1-8: Robot có không gian làm việc dạng cầu
Hình 1-9: Robot kiểu nối
Hình 1-10: Robot SCARA
Hình 2-1: Phân loại các phương pháp hàn theo trạng thái hàn
Hình 2-2: Một số liên kết hàn thường gặp
Hình 2-3: Các vùng quy ước trên mặt cắt ngang của liên kết hàn giáp mối
Hình 2-4: Tác dụng nén của điện trường lên que hàn khi nóng chảy
Hình 2-5: Sơ đồ vũng hàn; A,B: Phần đầu và phần đuôi của vũng hàn
Hình 2-6: Sơ đồ kết tinh của kim loại mối hàn
Hình 2-7: Tổ chức vùng ảnh hưởng nhiệt mối hàn giáp mối thép ít Cacbon
Hình 2-8: Phân loại mối hàn theo vị trí trong không gian
Hình 2-9: Phân loại mối hàn theo phương của ngoại lực.
Hình 2-10: Cấu tạo của hồ quang
Hình 2-11: Sự phân bố nhiệt của hồ quang

Hình 2-12: Ảnh hưởng của chiều dài mối hàn đến đại lượng ứng suất dọc dư khi
hàn giáp mối các tấm dày 25mm
Hình 2-13: Các biến dạng dọc khi hàn
Hình 2-14: Sự xuất hiện các ứng suất ngang do độ co dọc của mối hàn.
Hình 2-15: Ảnh hưởng trình tự hàn đến việc phân bố các ứng suất ngang

8


Hình 2-16: Các biến dạng góc
Hình 2-17: Biến dạng chung (a) và biến dạng cục bộ (b) của dầm chữ T
Hình 2-18: a- Đúng; b- Sai
Hình 2-19: a- Đúng; b- Sai
Hình 2-20: Trình tự hàn các mối hàn kết cấu tấm
Hình 2-21: Phương pháp hàn lùi dần
Hình 2-22: Đặt vật hàn ngược chiều với chiều biến dạng
Hình 2-23: Nứt
Hình 2-24: Lỗ hơi
Hình 2-25: Lẫn xỉ hàn
Hình 2-26: Hàn chưa ngấu
Hình 2-27: Khuyết cạnh
Hình 2-28: Đóng cục
Hình 2-29: Kiểm tra bằng tia X
Hình 2-30: Kiểm tra bằng tia γ
Hình 2-31: Sơ đồ hàn dưới lớp thuốc
Hình 2-32: Sơ đồ hàn hồ quang nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ
Hình 2-33: Sơ đồ nguyên lý hàn hồ quang điện cực không nóng chảy trong môi
trường khí trơ (hàn TIG)
Hình 2-34: Sơ đồ nguyên lý hàn điện tiếp xúc giáp mối
Hình 3-1: Biểu đồ phát triển của Robot Kuka

Hình 3-2: Các chủng loại robot và tải trọng của Robot Kuka
Hình 3-3: Robot trượt trên băng tải
Hình 3-4: Robot treo trên dầm
Hình 3-5: Hình dáng chung của Robot Kuka
Hình 3-6: Các trục toạ độ trên cánh tay robot
Hình 3-7: Các khâu của cánh tay robot Kuka
Hình 3-8: Khớp nối các khâu của robot
Hình 3-9: Một số hình ảnh về các công đoạn lắp ráp robot

9


Hình 3-10:Các loại robot Kuka
Hình 3-11: Chiều các trục toạ độ trên robot
Hình 3-12: Hệ toạ độ gốc cố định
Hình 3-13: Hệ tọa độ đề các cố định gốc tại tâm của dụng cụ
Hình 3-14: Hệ tọa độ đề các cố định gốc tại phôi
Hình 3-15: Các trục chuyển động của robot Kuka
Hình 3-16: Các kiểu chuyển động nội suy của robot
Hình 3-17: Cấu trúc điều khiển của robot
Hình 3-18: Tủ điều khiển với bộ phận PC
Hình 3-19: Tủ điều khiển và các BUS
Hình 3-20: Điều khiển rô bốt với thiết bị camera
Hình 3-21: Màn hình và thiết bị máy tính điều khiển rô bốt
Hình 3-22: KUKA Control Panel (KCP)
Hình 3-23: Bảng các nút trạng thái
Hình3-24: Bảng dạy học Teach Pendant
Hình3-25: Khối các chữ số các ký tự bảng mã ASCII
Hình 4-1: Robot hàn
Hình 4-2: Robot phun sơn

Hình 4-3: Robot gắp bao thức ăn chăn nuôi
Hình 4-4: Robot lắp ráp
Hình 4-5: Robot cắt kim loại
Hình 4-6: Robot hàn các thiết bị
Hình 4-7: Robot nâng tải
Hình 4-8: Robot vận chuyển phôi
Hình 4-9: Robot trong phân xưởng đúc
Hình 4-10: Mô hình hàn ôtô 2D
Hình 4-11: Các robot Kuka KR125 trong hệ thống sản xuất
Hình 4-12: Hệ thống đèn chiếu sang
Hình 4-13: Hệ thống rào chắn

10


Hình 4-13: Hệ thống rào chắn
Hình 4-14: Hệ thống khung ôtô
Hình 4-15 : Các robot hàn
Hình 4-16 : Phòng điều khiển hệ thống
Hình 4-17 : Mô hình 3D hệ thống sản xuất hàn khung ô tô
Hình 4-18: Mô hình 2D hệ thống sản xuất kính
Hình 4-19: Robot Kuka KR125
Hình 4-20: Giá đỡ các tấm kính
Hình 4-21: Hệ thống hàng rào
Hình 4-22: Băng tải vận chuyển kính

Hình 4-23: Bố trí hệ thống bàn xoay khung đỡ quanh Robot
Hình 4-24: Hệ thống giá đỡ
Hình 4-25: Mô hình 3D hệ thống sản xuất

11


PHẦN MỞ ĐẦU
Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước vấn đề tự động hoá
quá trình sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng.
Mục tiêu ứng dụng Robot công nghiệp là nhằm nâng cao năng suất dây
chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng
thời cải thiện điều kiện lao động. Sự cạnh tranh hàng hoá đặt ra một vấn đề thời sự
là làm sao để hệ thống tự động hoá sản xuất phải có tính linh hoạt cao nhằm đáp
ứng sự biến động thường xuyên của thị trường hàng hoá cạnh tranh. Robot công
nghiệp là bộ phận cấu thành không thể thiếu trong việc tạo ra những hệ thống sản
xuất linh hoạt đó.
Gần nửa thế kỷ có mặt trong sản xuất, Robot công nghiệp đã có một lịch sử
phát triển hấp dẫn. Ngày nay Robot công nghiệp đã được áp dụng rộng rãi ở nhiều
lĩnh vực sản xuất. Ở giai đoạn trước những năm 1990 hầu như trong nước ta hoàn
toàn chưa du nhập về kỹ thuật Robot, thậm chí còn chưa nhận được nhiều thông tin
kỹ thuật về lĩnh vực này. Từ năm 1990 nhiều cơ sở công nghiệp đã bắt đầu nhập
ngoại nhiều loại Robot để phục vụ sản xuất như tháo lắp dụng cụ cho các trung tâm
gia công CNC, lắp ráp các linh kiện điện tử, thao tác ở các máy ép nhựa, hàn vỏ xe
ôtô, xe máy, phun sơn v.v…
Ở nhiều trường đại học, cao đẳng và cao đẳng nghề đã bắt đầu giảng dạy về
Robot. Đặc biệt trong những năm gần đây xu thế nhập Robot công nghiệp ở các
trường nghề ngày càng gia tăng để phục vụ cho học sinh, sinh viên thực tập, tiếp
cận dần với nền sản xuất hiện đại. Tuy nhiên sự chuyển giao công nghệ của nhà sản
xuất chưa thật như ý muốn, chưa tận dụng khai thác triệt để của thiết bị. Là một kỹ
sư tôi mong muốn đóng góp một phần nhỏ bé của mình vào công việc chung của sự
nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá sản xuất. Tôi mạnh dạn chọn đề tài này làm
luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu ứng dụng robot hàn để hàn một số đường cong
phức tạp”.

Tôi rất vinh dự được học tập và nghiên cứu tại khoá đào tạo thạc sĩ khoá
2009 của trường, đề tài tốt nghiệp của tôi được hoàn thành đúng thời hạn với sự

12


hướng dẫn tận tình của TS. Đinh Văn Chiến và GS.TS Trần Văn Địch, các thầy
cô giáo trong và ngoài nhà trường, các bạn đồng nghiệp và sự nỗ lực của bản thân,
và tôi hy vọng rằng đề tài của tôi được áp dụng vào thự tế trong công nghiệp hiện
đại hoá dây chuyền sản xuất đa dạng ngày này…
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn, các thầy cô trong khoa Cơ
khí, phòng đào tạo Sau đại học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi
trong quá trình học tập cũng như trong quá trình làm luận văn. Tôi lấy làm biết ơn
lãnh đạo Công ty Cổ phần Kết cấu Kim loại và Lắp máy Dầu khí (PVC-MS) và
Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam (PVN) đã tạo điều kiện cho tôi học tập, mở
mang kiến thức. Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 30 tháng 9 năm 2011
Học viên

Nguyễn Văn Công

13


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP (IR)
Chương này giới thiệu lịch sử ra đời của Robot công nghiệp, định nghĩa, ứng dụng
và phân loại Robot
1.1 Sự ra đời của Robot công nghiệp
1.2 Định nghĩa về Robot công nghiệp
1.3 Phân loại Robot

1.3.1 Phân loại theo hình học
1.3.2 Phân loại theo điều khiển
1.4 Ứng dụng của Robot công nghiệp trong sản xuất
1.5 Ứng dụng Robot trong ngành hàn

14


1.1 Sự ra đời của Robot công nghiệp (Industrial Robot)
Thuật ngữ “ROBOT” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công
việc tạp địch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào
năm 1921. Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra
những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người. Có lẽ đó là
một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt
chước các hoạt động cơ bắp của con người.
Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company)
quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp”
(Industrial Robot). Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay
Robot công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng
như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất.
Về mặt kỹ thuật, những Robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh
vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và
các máy công cụ điều khiển số (NC – Numerically Controlled machine tool).
Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ - tớ) đã phát triển mạnh
trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ.
Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một
hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong.
Ngày nay trong sản xuất, việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm là hết
sức quan trọng, giải pháp cho vấn đề này là ứng dụng rộng rãi các phương tiện
tự động hoá trong các quá trình sản xuất. Trên thế giới hiện nay nói chung và

các nước phát triển nói riêng đã xuất hiện xu hướng tạo ra những dây chuyền và
thiết bị tự động có tính linh hoạt cao và hiện nay xu hướng này đã đạt được khá
nhiều kết quả khả quan. Chính vì thế nhu cầu ứng dụng robot để tạo ra các hệ
thống tự động linh hoạt ngày càng trở nên cấp thiết.
Từ thời xa xưa, khi mới làm ra được những chiếc máy đầu tiên con người đã mơ
ước về những kiểu máy móc bắt chước được con người và các sinh vật khác. Ở
Trung Quốc, từ thời cổ xưa cũng đã có những hình tượng con người biết đi, biết

15


cúi chào, biết chơi đàn, biết múa hát trên những chiếc đồng hồ báo thức hoặc
trên những hộp nhạc tinh xảo.
Ở nước ta, theo sử sách còn ghi lại thì năm 1029, nhà Lý xây điện Phụng Tiên
trước sân rồng trong hoàng thành. Trên điện Phụng Tiên dựng lầu Chính
Dương, trong lầu Chính Dương có đặt đồng hồ báo canh, báo khắc. Trong các
ngày hội Quảng Chiếu ở kinh thành Thăng Long thường có dựng đài Quảng
Chiếu. Trên đài có chú tiểu đánh chuông, đặt máy ngầm ở dưới đất khiến đài lúc
nào cũng xoay tròn như bánh xe quay. Vặn máy thì hình chú tiểu biết giơ dùi
đánh chuông; nghe tiếng sáo chú tiểu biết quay mặt lại; trông thấy vua chú tiểu
biết cúi chào.
Trên thế giới, năm 1921, nhờ sự trình diễn của các nghệ sĩ Tiệp Khắc với con
rối Tobota có tên gọi “lực sĩ” (Force Man) đã giúp cho các nhà kỹ thuật có ý
tưởng sáng chế ra cơ cấu máy móc bắt chước thao tác lao động cơ bắp của con
người. Cho đến những năm trước Đại chiến Thế giới thứ II, việc triển khai ứng
dụng những cơ cấu như vậy trong kỹ thuật trở thành nhu cầu thật sự, nhằm đáp
ứng những thao tác cần thiết trong môi trường phóng xạ ở các viện nghiên cứu
năng lượng nguyên tử. Teleoperator là một cơ cấu phỏng sinh học con bao gồm
những khâu, những khớp và những dây chằng gắn liền với hệ điều hành là cánh
tay của người thao tác thông qua các cơ cấu khuếch đại cơ khí. Teleoperator có

thề cầm nắm, nâng hạ, dịch chuyển, đảo lật, buông thả các đối tượng trong một
không gian hoạt động xác định.
Năm 1950 cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển theo chương trình số
với chỗ dựa là các cơ cấu điều phối vô cấp (servo mechanism) và các hệ điện
toán (computation), ngay lập tức các ý tưởng kết hợp hệ điều khiển NC với các
cơ cấu điều khiển từ xa đã được hình thành và triển khai nghiên cứu… Sự kết
hợp tuyệt vời giữa khả năng linh hoạt khéo léo của teleoperator với độ nhạy bén
của hệ điều khiển NC đã đưa ra kết quả là một thế hệ máy móc tự động mới ra
đời với tên gọi “Người máy”.

16


Năm 1956, Engelberger xây dựng một công ty sản xuất robot đầu tiên có tên là
Unimation (Universal Automation) nhằm sản xuất những robot công nghiệp đầu
tiên dựa trên sáng chế của George Devol. Năm 1961, họ cho ra đời robot đầu
tiên có tên là Unimate. Với thành công này, Engelberger được gọi là cha đẻ của
robot học.
Trên thực tế hầu hết các robot Unimate bán ra là để làm công việc lấy khuân ra
khỏi các máy dập khuân và để hàn điểm trên ôtô. Đây là hai loại công việc mà
công nhân không bao giờ muốn làm. Tuân theo các lệnh tuần tự được lưu trữ
trong một trống từ, một cánh tay nặng 4000 pound đủ linh hoạt để có thể làm
được rất nhiều loại tác vụ.
Cả hai ứng dụng này đã thành công rất lớn về thương mại cụ thể là những robot
làm việc rất đáng tin cậy và tiết kiệm tiền thuê nhân công. Một công nghiệp mới
ra đời với rất nhiều các công việc do robot thực hiện. Robot công nghiệp
Unimate là một trong những robot cho phép lập trình chuyển động hoàn toàn
trên 6 trục và được thiết kế để có thể nâng trọng lượng 500 pound với tốc độ
nhanh. Sau hơn 20 năm cái tiến, robot này có độ tin cậy cao và rất dễ sử dụng.

Hình 1-1: Victor Scheinman và Cánh tay Robot Stanford
Năm 1969, Victor Scheinman – một sinh viên chế tạo máy làm việc tại phòng
thí nghiệm trí thông minh nhân tạo Stanford đã chế tạo ra cánh tay Stanford.
Thiết kế này đã trở thành chuẩn mực và vẫn đang ảnh hưởng nhiều đến những
thiết kế của những cánh tay robot ngày nay. Đây là cánh tay robot đầu tiên chạy
bằng điện và điều khiển bằng máy tính thành công. Robot này có 6 khớp, cho
phép giải động học ngược cho robot (Arm solution). Robot này có thể đi theo

17


một lộ trình tuỳ ý và mở rộng khả năng cho các ứng dụng phức tạp hơn như
robot lắp ráp và hàn hồ quang. Cũng chính là robot này đã được sử dụng để phát
triển những kỹ thuật lắp ráp công nghiệp cho các cánh tay robot thương mại.
Victor Scheinman sau đó đã bán thiết kế này cho Unimation, hãng này với sự
giúp đỡ của General Motors đã phát triển robot này thành dòng robot công
nghiệp PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly) được sử dụng
rộng rãi trong các dây truyền lắp ráp tự động và rất nhiều các tác vụ công nghiệp
khác.
Từ năm 1966 cho đến năm 1972, Trung tâm trí tuệ nhân tạo của SRI (nay là
viện nghiên cứu Stanford, Menlo park, California) đã nghiên cứu và phát triển
robot di động đầu tiên có thể suy luận hoạt động của nó là robot Shakey.

Hình 1-2: Robot Shakey
Shakey có một camera vô tuyến, một máy đo khoảng cách bằng phương pháp ba
điểm, một cảm biến chấn động. Shakey được kết nối với hai máy tính DEC
PDP-10 và PDP-15 thông qua song radio và song vô tuyến, sử dụng các chương
trình để nhận biết, lập mô hình thế giới xung quanh và các hoạt động. Các lệnh
con bậc 1 điều khiển các hoạt động di chuyển, quay và xác dịnh đường đi; các
lệnh bậc 2 phối hợp các lệnh 1 để thực hiện được các lệnh phức tạp hơn những

18


mục tiêu mà người sử dụng đưa ra. Hệ thống cũng khái quát và giữ lại các lệnh
này để có thể sử dụng lại trong tương lai.
Từ năm 1979, phòng thí nghiệm Stanford tiếp tục đưa ra một thiết kế mới, xe tự
định vị Stanford Cart , được xây dựng với mục đích ban đầu là tạo ra một thiết
bị điều khiển từ xa lưu động (Rover) trên mặt trăng.

Hình 1-3: Robot Stanford Cart
Từ năm 1967 cho đến 1970, nó được thiết kế lại để có thể tự động đi theo một
vạch kẻ màu trắng trên đường. Một máy tính từ xa điều khiển hoạt động của xe
này nhờ thông tin truyền về từ một camera vô tuyến gắn trên xe. Năm 1977
Hans Moravec tiếp tục thiết kế lại, trang bị cho nó một camera vô tuyến gắn trên
đỉnh để chụp ảnh từ các góc độ khác nhau và chuyển về cho máy tính. Máy tính
sẽ tính toán khoảng cách xe và chướng ngại vật sau đó điều khiển xe đi vòng
qua những chướng ngại vật này. Năm 1979, Stanford cart chỉ mất gần 5 giờ len
lỏi qua một căn phòng đầy bàn ghế - không hề có sự trợ giúp của con người.
Đây quả là cột mốc đánh dấu thành quả mới cho những cỗ xe tự định vị.
Năm 1992 Robot 8 chân Dante thực hiện thám hiểm núi lửa Erebus ở
Antarctica. Nó được điều khiển từ Mỹ và đã thu thập được một ít dữ liệu. Tuy
những khó khăn về cơ khí đã khiến thử nghiệm này đã phải ngừng lại, nhưng

19


những cột mốc nó đặt ra đã khuyến khích những người đi đầu trong một kỷ
nguyên mới: Robot thám hiểm những khu vực nguy hiểm thay cho con người.

Hình 1-4: Robot 8 chân Dante
Năm 2000, sau 14 năm dài nghiên cứu và thử nghiệm, Hoda đã cho ra đời
Asimo (ASIMO là viết tắt của Advanced Step in Innovative Mobility, có nghĩa
là “Bước đột phá về khả năng di chuyển sáng tạo”) – người máy thông minh và
giống người thật nhất thế giới. Asimo cao 1.2m nặng 52kg, có thể di chuyển với
tốc độ 1.6km/giờ, có thể biểu lộ cử chỉ giống con người như khóc, giận, khoái
chí, vui mừng, ngạc nhiên,…Asimo thực sự là niềm tự hào không chỉ của riêng
Honda mà của toàn nước Nhật. Cùng với Honda, Asimo đã đi khắp nơi trên thế
giới để truyền bá thông điệp cho những người trẻ tuổi: Dũng cảm theo đuổi
những ước mơ và không ngừng vươn tới những đỉnh cao mới của trí tuệ con
người.

20


Hình 1-5: Robot Asimo
Một vài số liệu về số lượng Robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp
phát triển như sau
Bảng 1-1: Tình hình sản xuất robot ở mốt số nước công nghiệp phát triển
Nước SX

Năm 1990

Năm 1994

Năm 1998

Nhật

60.118

29.756

67.000

Mỹ

4.327

7.634

11.100

Đức

5.845

5.125

8.600

Ý

2.500

2.408

4.000

Pháp

1.488

1.197

2.000

Anh

510

1.086

1.500

Hàn quốc

1.000

1.200

Mỹ là nước đầu tiên phát minh ra robot, nhưng nước phát triển cao nhất trong
lĩnh vực nghiên cứu chế tạo và sử dụng robot là Nhật.
Những số liệu cho thấy robot công nghiệp ngày càng được ứng dụng ngày càng
nhiều về tất cả các lĩnh vực

21


Bảng 1-2: Ước tính sự phát triển của robot trên thế giới

Năm

Năm

Năm

Năm

Năm

Năm

Năm

Năm

1973

1983

1990

1995

2000

2005

2007

2011*

3.000 66.000 454.000 605.000 750.000 923.000 994.000 1.186.000
(*) Ước lượng

Đồ thị 1-1: Ước tính robot công nghiệp hoạt động trên toàn thế giới

Đồ thị 1-2: Cung ứng robot công nghiệp hàng năm của một số quốc gia.
1.2 Định nghĩa về Robot công nghiệp
Hiện nay có nhiều định nghĩa về robot, có thể điểm qua một số định nghĩa như
sau:

22


¾ Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): Robot công nghiệp là một cơ
cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng
hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị,
định hướng, 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.
¾ Định nghĩa theo RIA (Robot institute of America): Robot là một tay máy
vạn năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật
liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dụng thông qua các
chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ
khác nhau.
¾ Định nghĩa theo GOCT 25686-85 (Nga): Robot công nghiệp là một máy
tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy
và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn
thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.

¾ Định nghĩa theo tiêu chuẩn VDI2860/BRD: Robot là một thiết bị có
nhiều trục, thực hiện các chuyển động tự động có thể chương trình hoá 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 hợp nhất
ghép nối với nhau, có khả năng học nhớ các chương trình; chúng được
trang bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác nhau thực hiện
các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp và gián tiếp.
1.3 Phân loại Robot
Có hai phương pháp phân loại robot. Một là theo tính chất vật lý hay hình học
của chúng. Hai là theo cách chúng được điều khiển
1.3.1 Phân loại theo hình học
Ngành công nghiệp dùng các thiết kế các robot khác nhau với các ưu nhược
điểm riêng. Về cơ bản, một robot phải có 3 bậc tự do để tiếp cận tới tất cả
các điểm trong không gian. Tuy nhiên nó phải có 3 bậc tự do để kẹp 1 vật thể

23


trong không gian. Có 5 loại robot có tính chất không gian làm việc khác
nhau, đó là:
1. Loại có dạng đề các (chữ nhật) (x,y,z)
2. Loại có dạng trụ (kiểu trụ) (r,θ,z)
3. Loại có dạng cầu (kiểu toạ độ cực) (r,θ, )
4. Kiểu nối (nhân hình hoá hay nhân tạo) (θ1, θ2, θ3)
5. SCARA (cánh tay máy có kết cấu lắp chọn) (θ1, θ2, θ3)
Mỗi loại robot trên được mô tả theo 3 khớp nối đầu tiên bao gồm bậc tự do
của khớp. Mỗi khớp có thể mô tả bằng toán học hoặc theo chính hệ toạ độ
của chúng, mô tả này có thể vẽ trong hệ toạ độ đề các. Chú ý rằng chuyển
động tịnh tiến và quay của cánh tay Robot bị hạn chế bởi thiết kế robot.
1. Kiểu đề các (Hình 1-6)

Robot kiểu này còn gọi là tay máy kiểu giàn, có các khớp dịch chuyển
theo hướng dạng hình chữ nhật. Đây là dạng mô hình hoá và về dạng toán
học vì các hệ toạ độ tương ứng với hệ trục toạ độ đề các. Robot này được
dùng ở những nơi cần độ chính xác rất cao, tuy nhiên không gian làm
việc của nó rất hạn chế.

Hình 1-6: Robot có không gian làm việc dạng hình chữ nhật

24


2. Kiểu trụ (Hình 1-7)
Robot này có một khớp quay và khớp tịnh tiến, 3 khớp đầu tiên của loại
này ứng với 3 biến cơ bản của hệ toạ độ trụ.
Chuyển động quay: θ
Chuyển động cao: h
Tầm với: r

Hình 1-7: Robot có không gian làm việc dạng trụ θ
Nếu vị trí của điểm tham chiếu của tay ký hiệu là (θ, h, r) khi đó vị trí sẽ
dễ dàng xác định tại tất cả các thời điểm, nhưng nếu vị trí được cho ở một
thời điểm, tức là (x, y, z) như trong trường hợp bình thường, sau đó cần
thực hiện một vài phép biến đổi tay 2 hệ trục toạ độ, áp dụng phép tiếp
cận mềm và giải bài toán cho 3 khớp đầu tiên, trục z có vẻ giống như trục
thẳng đứng của Robot:
z=h

(1)

Mặt phẳng xy vuông góc với trục z và do đó song song với mặt phẳng ở

đó θ quay (quanh trục z) và khoảng cách r.
x=rcosθ , y=rsinθ

25

(2)


Loại robot này đa năng hơn loại đề các. Tuy nhiên nó có độ chính xác
thấp hơn.
3. Kiểu không gian làm việc hình cầu (Hình 1-8)
Loại robot này có một khớp tịnh tiến và 2 khớp quay, 3 khớp đầu tiên của
robot này tương ứng với 3 biến cơ bản của một hệ toạ độ cầu
Chuyển động quay:

1

Chuyển động quay vuông góc với mặt phẳng của

(quay quanh trục z):

θ
Tầm với: z

Hình 1-8: Robot có không gian làm việc dạng cầu
Để biết vị trí của tay robot, phải giữ nguyên các giá trị ( , θ, r). Tuy
nhiên nếu chúng ta có vị trí tay robot ở dạng (x, y, z) chúng ta phải thực
hiện phép chuyển hệ.
Theo cách ít chặt chẽ hơn giống như trong trường hợp của robot loại 2,
chúng ta có thể xác định toạ độ khớp ( , θ, r) phải nằm vị trí của tay máy

26