Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình robot ba bậc tự do tọa độ cầu điều khiển bằng máy tính phục vụ đào tạo

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là: Trần Trọng Dương học viên cao học lớp 13BCĐT.KT khóa 2013B
Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình Robot ba bậc tự do tọa độ cầu
điều khiển bằng máy tính phục vụ đào tạo.
Giáo viên hướng dẫn: TS. Trần Thị Thanh Hải
Tôi xin cam đoan các nghiên cứu, thiết kế và chế tạo trong luận văn này là do
chính tác giả thực hiện.
Hà Nội, tháng 9 năm 2015
Tác giả luận văn

Trần Trọng Dƣơng


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan ............................................................................................................. 1
Danh mục bảng biểu ................................................................................................. 4
Danh mục hình .......................................................................................................... 5
Phần mở đầu .............................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP ................................. 3
1.1. Lịch sử phát triển của Robot công nghiệp ................................................... 3
1.1.1. Quá trình hình thành của Robot công nghiệp ............................................. 3
1.1.2. Quá trình phát triển của robot công nghiệp ................................................ 3
1.2. Định nghĩa và phân loại Robot công nghiệp ................................................ 6
1.2.1. Định nghĩa về Robot công nghiệp .............................................................. 6
1.2.2. Phân loại Robot công nghiệp ...................................................................... 7

1.3. Tình hình ứng dụng và phát triển robot công nghiệp trên thế giới và
trong nƣớc ............................................................................................................ 14
1.4. Kết luận ......................................................................................................... 17
CHƢƠNG 2: ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO ... 18
2.1. Mô hình Robot 3 bậc tự do .......................................................................... 18
2.2. Động học Robot............................................................................................. 20
2.2.1. Bài toán động học thuận ........................................................................... 20
2.2.2. Bài toán động học ngược .......................................................................... 23
2.3. Động lực học Robot ...................................................................................... 25
2.4. Mô phỏng số .................................................................................................. 33
2.5. Mô phỏng hoạt động Robot ......................................................................... 34
2.6. Kết luận ......................................................................................................... 34
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT 3 BẬC TỰ DO .................... 35
3.1. Thiết kế điều khiển Robot 3 bậc tự do trên phần mềm Matlab ............... 35
3.1.1. Trình tự thiết kế trong giao diện Guide .................................................... 35
3.1.2. Giải bài toán động học thuận .................................................................... 39


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

3.1.3. Giải bài toán động học ngược ................................................................... 39
3.1.4. Thiết kế quỹ đạo ....................................................................................... 40
3.1.5. Tính momen động cơ ................................................................................ 40
3.1.6. Thiết kế điều khiển ................................................................................... 41
3.2. Thiết kế hệ thống cơ khí ............................................................................... 42
3.2.1. Tính chọn động cơ .................................................................................... 42
3.2.2. Tính trục ................................................................................................... 43
3.2.3. Thiết kế khung cho robot cầu RRR .......................................................... 47
3.2.4. Tính cánh tay robot ................................................................................... 47
3.2.5. Tính chọn ổ bi ........................................................................................... 49

3.2.6. Tính chọn bộ truyền động đai răng robot RRR ........................................ 49
3.2.7. Chế tạo hệ thống cơ khí ............................................................................ 52
3.3. Thiết kế, thi công mạch điều khiển ............................................................. 56
3.3.1. Nguyên lý điều khiển động cơ .................................................................. 56
3.3.2. Thiết kế mạch điều khiển ......................................................................... 61
3.4. Kết quả chế tạo mô hình Robot ba bậc tự do ............................................ 64
3.5. Kết luận ......................................................................................................... 66
CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG BÀI THỰC HÀNH CHO SINH VIÊN CAO ĐẲNG
NGHỀ ....................................................................................................................... 67
4.1. Bài thực hành 1: Dạy học cho Robot 3 bậc tự do ...................................... 67
4.2. Bài thực hành 2: Điều khiển Robot 3 bậc tự do theo phƣơng trình động
học thuận .............................................................................................................. 75
4.3. Bài thực hành 3: Điều khiển Robot 3 bậc tự do theo phƣơng trình động
học ngƣợc.............................................................................................................. 76
4.4. Kết luận ......................................................................................................... 77
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 79
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 80


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Bảng thông số Denavit – Hartenberg .....................................................20
Bảng 2.2. Bảng thông số D-H cho Robot 3 bậc tự do ............................................22
Bảng 2.3. Bảng thông số động học DH ..................................................................33
Bảng 3.1. Các ký hiệu L, H, XL và bước đai tương ứng .......................................49
Bảng 3.2. Các chi tiết điển hình trên robot .............................................................56
Bảng 3.3. Bảng chân trị của mạch logic cho driver L298D ...................................61

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1.
Hình 1.2.
Hình 1.3.
Hình 1.4.
Hình 1.5.
Hình 1.6.
Hình 1.7.
Hình 1.8.
Hình 1.9.
Hình 1.10.
Hình 1.11.
Hình 1.12.
Hình 1.13.
Hình 1.14.
Hình 1.15.
Hình 1.16.
Hình 2.1.
Hình 2.2.
Hình 2.3.
Hình 2.4.
Hình 2.5.
Hình 2.6.
Hình 2.7.
Hình 2.8.
Hình 2.9.
Hình 2.10.

Hình 2.11.
Hình 3.1.
Hình 3.2.
Hình 3.3.
Hình 3.4.
Hình 3.5.
Hình 3.6.
Hình 3.7.

Robot tạp dịch nổi loạn trong vở kịch của Karel Capek - 1920 ..............3
Tay máy robot tọa độ Đề Các..................................................................7
Tay máy robot tọa độ trụ .........................................................................8
Tay máy robot tọa độ cầu ........................................................................8
Tay máy robot dạng phỏng sinh ..............................................................9
Tay máy robot dạng SCARA ..................................................................9
Sơ đồ điều khiển robot theo mạch hở ....................................................10
Sơ đồ điều khiển robot theo vòng kín ...................................................10
Robot trong ngành luyện kim ...............................................................11
Robot hàn ..............................................................................................13
Robot sơn ..............................................................................................13
Robot lắp ráp .........................................................................................14
Sản lượng robot công nghiệp trên thế giới ............................................15
Biểu đồ thị trường robot công nghiệp Châu Á/Úc, Chấu Âu và Châu Mỹ .15
Biểu đồ sử dụng robot tại các nước .......................................................16
Biểu đồ robot phục vụ trong các ngành công nghiệp ............................17
Sơ đồ động Robot ..................................................................................18
Cấu tạo Robot được thiết kế trên Solidworks .......................................18
Thân dưới ..............................................................................................19
Khâu thứ 2 .............................................................................................19
Khâu thứ 3 .............................................................................................19

Mô phỏng robot RRR ............................................................................23
Biểu diễn góc quay q1............................................................................24
Sơ đồ hình học của tay máy ..................................................................24
Loại trừ chuyển động của tay máy ........................................................25
Giao diện động học thuận......................................................................34
Giao diện động học ngược ....................................................................34
Cửa sổ bắt đầu matlab ...........................................................................35
Giao diện thiết kế ..................................................................................36
Lấy các đối tượng ..................................................................................37
Thuộc tính của đối tượng ......................................................................38
Giao diện bài toán động học thuận ........................................................39
Giao diện bài toán động học ngược.......................................................39
Giao diện quỹ đạo chuyển động ............................................................40


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Hình 3.8.
Hình 3.9.
Hình 3.10.
Hình 3.11.
Hình 3.12.
Hình 3.13.
Hình 3.14.
Hình 3.16.
Hình 3.17.
Hình 3.18.
Hình 3.19.
Hình 3.20.
Hình 3.21.

Hình 3.22.
Hình 3.23.
Hình 3.24.
Hình 3.25.
Hình 3.26.
Hình 3.27.
Hình 3.28.
Hình 3.29.
Hình 3.30.
Hình 3.31.
Hình 3.32.
Hình 3.33.
Hình 3.34.
Hình 3.35.
Hình 3.36.
Hình 3.37.
Hình 3.38.
Hình 3.39.
Hình 3.40.
Hình 3.41.
Hình 3.42.

Giao diện tính momen động cơ .............................................................40
Giao diện điều khiển chính....................................................................41
Bảng điều khiển .....................................................................................41
Bảng Teaching Mode ............................................................................42
Thông báo chương trình chạy của robot ...............................................42
Trục tại khớp 3 ......................................................................................43
Biểu đồ momen trục 1 ...........................................................................44
Biểu đồ momen trục 2 ...........................................................................45

Trục tại khớp 1 ......................................................................................46
Biểu đồ momen trục 3 ...........................................................................46
Khung robot ...........................................................................................47
Cánh tay 1 ..............................................................................................48
Cánh tay 2 ..............................................................................................48
Tay kẹp ..................................................................................................49
Hình lựa chọn bộ truyền đai ..................................................................50
Thông số pulley nhỏ ..............................................................................50
Mô hình pulley nhỏ trong SolidWork ...................................................51
Thông số pulley lớn ...............................................................................51
Mô hình pulley to trong SolidWork ......................................................51
Chọn loại đai .........................................................................................52
Động cơ .................................................................................................57
Nguyên lý điều khiển ............................................................................57
Mạch nguyên lý .....................................................................................58
Mạch công suất ......................................................................................58
Chip L298 ..............................................................................................59
Mạch logic .............................................................................................61
Khối vi điều khiển AVR........................................................................62
Khối kết nối máy tính ............................................................................62
Khối nguồn ............................................................................................62
Khối cách ly quang ................................................................................63
Khối logic ..............................................................................................63
Mạch nguyên lý .....................................................................................63
Mạch in ..................................................................................................64
Sản Phẩm Robot hoàn thiện ..................................................................64


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Chúng ta luôn mong muốn chương trình đào tạo đại học và cao đẳng gắn liền
với thực tế công nghiệp. Đặc biệt với sinh viên hệ cao đẳng nghề, vấn đề này càng
quan trọng. Trong đó, Robot công nghiệp là thiết bị được sử dụng phổ biến tại các
nước công nghiệp phát triển và bắt đầu được sử dụng ở Việt Nam.
Sinh viên hệ cao đẳng nghề khi ra trường cần được kiến thức và kỹ năng làm
việc tốt nên các môn học về Robot và Robot công nghiệp cũng như các bài thực
hành trong các trường cao đẳng cần phải đáp ứng được yêu cầu thực tế công nghiệp.
Do đó việc xây dựng các thiết bị thực nghiệm trong các trường đại học, cao đẳng
nói chung và các trường cao đẳng nghề nói riêng là rất cần thiết để phục vụ đào tạo.
Trường cao đẳng nghề Bách Khoa Hà Nội là một trong các trường đào tạo
nghề và chưa có Robot phục vụ công tác đào tạo. Việc chế tạo Robot và xây dựng
các bài thực hành là rất quan trọng. Hơn nữa, bản thân tác giả là giảng viên trường
cao đẳng nghề Bách Khoa Hà Nội. Tác giả cũng như các đồng nghiệp luôn tâm
huyết với chất lượng đào tao…Vì vậy, tác giả đã chọn đề tài „Nghiên cứu, thiết kế
và chế tạo mô hình Robot ba bậc tự do tọa độ cầu điều khiển bằng máy tính phục vụ
đào tạo” làm luận văn cao học.
2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận văn
- Mục đích: Thiết kế, chế tạo được mô hình Robot ba bậc tự do tọa độ cầu điều
khiển bằng máy tính để phục vụ mục đích đào tạo.
- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
+ Đối tượng nghiên cứu là Robot 3 bậc tự do: Kết cấu cơ khí, động cơ servo,
van khí nén, vi điều khiển và Matlab .
+ Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tổng quan về robot công nghệp, Bài toán
động học và động lực học cho robot. Thiết kế và chế tạo robot 3 bậc tự do tọa độ
cầu. Thiết kế hệ thống điều khiển robot bằng vi điều khiển có kết nối máy tính.
3. Tóm tắt điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Luận văn được trình bày gồm 4 chương: Chương 1, nghiên cứu tổng quan về
Robot công nghiệp. Tìm hiểu lịch sử phát triển, phân loại robot công nghiệp theo

1


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

các cách khác nhau. Phần cuối của chương phân tích tình hình phát triển robot công
nghiệp trên thế giới và tình hình sử dụng robot công nghiệp cũng như xu hướng
phát triển robot công nghiệp ở Việt nam. Chương 2, nghiên cứu, tính toán động học
và động lực học cho Robot 3 bậc tự do để làm cơ sở cho việc thiết kế robot ba bậc
tự do chuyển động quay. Bài toán động học thuận và động học ngược robot được
giải theo phương pháp Denavit-Hartenberg. Bài toán động lực học robot được giải
theo phương pháp sử dụng định lý động năng, phương trình Lagrange II, NewtonEuler. Chương 3, thiết kế và chế tạo Robot 3 bậc tự do. Robot 3 bậc tự do được thiết
kế bằng phần mềm Matlab qua việc giải các bài toán động học, động lực học, thiết
kế điều khiển. Tính và tính chọn các chi tiết cho hệ thống cơ khí. Phần điều khiển
được thiết kế và chế tạo gồm điều khiển động cơ Servo bằng vi điều khiển AVR 16
có kết nối máy tính. Cuối chương 3 trình bày kết quả thực nghiệm việc chế tạo
Robot 3 bậc tự do, các khâu 1, 2, 3 có chiều dài l1 = 240mm, l2 = 230mm và l3=
245mm, giới hạn các góc quay cho các khâu,

= -1000 ÷ 1000,

= 00 ÷ 900,

=-

1000÷ 00 . Chương 4, xây dựng các bài thực hành phục vụ đào tạo.
Đóng góp mới của tác giả: Luận văn đã chế tạo được mô hình Robot 3 bậc tự
do phục vụ đào tạo và xây dựng các bài thực hành (Bài 1: Dạy học cho Robot; Bài
2: Điều khiển Robot theo phương trình động học thuận; Bài 3: Điều khiển Robot

theo phuơng trình động học ngược) cho môn học Robot công nghiệp.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết chung về tính toán, thiết kế, chế tạo Robot 3 bậc tự do
và xây dựng các bài thực hành
- Nghiên cứu tổng quan về Robot và Robot công nghiệp, các bài toán động
học, động lực học Robot và điều khiển robot. Từ đó có cơ sở tính toán, thiết kế và
chế tạo Robot 3 bậc tự do, xây dựng các bài thực với Robot thực nghiệm phục vụ
đào tạo.
- Tính toán, thiết kế phần mềm điều khiển Robot 3 bậc tự do trên Matlab
- Tính và tính chọn các chi tiết điển hình cho Robot 3 bậc tự do
- Xây dựng các bài thực hành phục vụ đào tạo.

2


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.1. Lịch sử phát triển của Robot công nghiệp
1.1.1. Quá trình hình thành của Robot công nghiệp
Thuật ngữ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1921 trong tác phẩm“Rossum‟s
Universal Robots” của nhà văn Tiệp Khắc có tên là Karel Capek như hình 1.1.
Trong tác phẩm này Rossum và con trai của ông đã chế tạo ra những chiếc máy gần
giống với con người để phục vụ con người. Năm 1922, trên sân khấu múa rối Châu
Âu đã xuất hiện con rối Robota với tên gọi là lực sỹ do các nghệ sỹ Tiệp Khắc trình
diễn. Từ đó xuất hiện ý tưởng sáng chế kỹ thuật những cơ cấu máy có khả năng bắt
chước các hoạt động của con người với mục đích robot công nghiệp thay cho cơ
bắp con người [1] [2] [3].

Hình 1.1. Robot tạp dịch nổi loạn trong vở kịch của Karel Capek - 1920
1.1.2. Quá trình phát triển của robot công nghiệp
Robot công nghiệp hình thành và phát triển mạnh mẽ trên thế giới. Quá trình
phát triển của robot công nghiệp được chia làm 3 thời kỳ sau [2] [3]:
- Thời kỳ sơ khai (Trước năm 1946):
Đây là giai đoạn phát triển sản xuất tiến dần đến tự động hóa cơ khí (tự động
hóa sản xuất cứng).
3


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

- Thời kỳ tiền robot (1946 – 1960):
Trong thời kỳ này, các robot đầu tiên phục vụ cho công nghiệp nguyên tử, đây
là giai đoạn phát triển mạnh của Kỹ thuật – Công nghiệp – Sản xuất. Cụ thể như
sau:
Năm 1946: Xuất hiện máy tính điện tử đầu tiên có tên là ENIAC (Electronic
Numerical Integrator and Caculartor).
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 cữ hành trình.
Năm 1950: Chế tạo thành công “Máy phay điều khiển số NC” tại viện công
nghệ Massachuset MIT, đây là thời kỳ phát triển Công nghệ khoa học – Kỹ thuật
thông tin – Điều khiển với khởi đầu quá trình NC trí tuệ nhân tạo. Từ đó ý tưởng
“Kết hợp hệ điều khiển NC với các cơ cấu điều khiển từ xa với độ thông minh nhạy
bén của hệ điều khiển NC đã đưa ra một thế hệ máy tự động cao cấp. Đó là người
máy.
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.
Năm 1956: Hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc

khảo sát đáy biển.
- Thời kỳ kỷ nguyên của robotic(Từ năm 1960):
Đây là thời kỳ phát triển mạnh mẽ của robot công nghiệp:
Năm 1961: Robot Unimate – USA của hãng General Motors được sử dụng
trong phân xưởng đúc, đây là thời kỳ của robot thế hệ thứ nhất. Lập trình điều khiển
để robot lặp lại các thao tác đã được định trước. Nhờ vậy mà robot có các khả năng:
+ Một là: Làm việc liên tục trong 24 giờ và nắm vững các công việc trong
vòng vài phút.
+ Hai là: Làm việc trong mọi điều kiện: nóng bức, khó chịu, nguy hiểm và độc
hại.
Trên cơ sở bản quyền phát minh sáng chế của Mỹ, các nước trên thế giới cũng

4


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

bắt đầu chế tạo robot công nghiệp. Ví dụ: nước Anh (1967) với robot Scara; Thụy
điển, Nhật Bản (1968) với robot Fanuc; Đức(1971), Pháp(1972), Ý(1973) với robot
Sigma.
Năm 1967: Nhật Bản nhập robot công nghiệp đầu tiên của Hoa Kỳ. Đến nay
đã có hơn 40 công ty Nhật Bản chế tạo robot như công ty Panasonic, Hitachi,
Mitsubishi…
Từ năm 1960 – 1970: Ra đời robot công nghệ mạch tích hợp IC (Integrated
Circuit), LSIC (Large Scale Integrated Circuit), bộ vi xử lý (Microprocessor) và
máy vi tính PC (Personal Computer)
Từ năm 1968 – 1972: Đây là giai đoạn phát triển mạnh mẽ của robot trong
công nghiệp ô tô, đặc biệt tại Nhật Bản với công ty YASKAWA – một trong những
nơi đầu tư và nghiên cứu ứng dụng robot hàng đầu thế giới. Thuật ngữ Cơ – Điện tử
(Mechatronics) đã xuất hiện và luôn gắn liền với robot CN, CNC. Năm 1970 xe tự

hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1 được điều khiển từ trái đất.
Từ năm 1972: Viện nghiên cứu thuộc Trường đại học Stanford đã thiết kế
robot Shakey di động tinh vi 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. Do đó, robot thể hiện được sự tổng hợp của Khoa
học – Kỹ thuật – Công nghệ cơ khí – Điện –Điện tử - Tự động điều khiển – Máy
tính – Tin học. Vì vậy, đây chính là thời kỳ của các robot thế hệ thứ hai: robot điều
khiển bằng máy tính có các cảm biến liên hệ ngược. Năm 1972 cũng là năm hội
nghị đầu tiên của thế giới về robot được tổ chức tại Chicago Hoa Kỳ
Từ đó, robot bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực từ sản xuất
đến nghiên cứu khoa học, y tế và đời sống hàng ngày.
Năm 1976: Ra đời máy công cụ CNC được điều khiển bằng Microcomputer,
từ đó bắt đầu một thời kỳ ra đời ý tưởng Robot thông minh và thích nghi.
Từ năm 1980 – 1990: Đây là giai đoạn phát triển như vũ bão của Khoa học –
Kỹ thuật – Công nghệ - Quy mô sản xuất và nghiên cứu khoa học, đặc biệt về máy

5


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

tính và tin học nhờ đó mà robot ngày càng chính xác, mạnh, linh hoạt, thích nghi và
điều khiển thân thiện hơn. Nhiều hiệp hội nghiên cứu về robot trên thế giới được
hình thành và phát triển như hiệp hội RIA(Hoa Kỳ), BRA(Anh), AFRI (Pháp), SIRI
(Italia), JIRA (Nhật Bản), SWIRA (Thụy Điển).
Thế kỷ 21 là thế kỷ của robot với sự phát triển theo các thế hệ sau:
+ Robot điều khiển theo chương trình đường dẫn: điều khiển theo thao tác,
điều khiển dẫn dạy.
+ Robot có lập trình điều khiển thích nghi, thông minh.

+ Robot có trí khôn nhân tạo.
Hiện nay, trên thế giới có khoảng trên 500 công ty và hàng nghìn mẫu robot;
robot ngày càng hiện đại, đa dạng về chủng loại và lĩnh vực ứng dụng rất phong
phú.
1.2. Định nghĩa và phân loại Robot công nghiệp
1.2.1. Định nghĩa về Robot công nghiệp
Có nhiều cách định nghĩa về Robot công nghiệp, có thể điểm qua một số định
nghĩa như sau[1] [2] [3]:
Theo tiêu chuẩn ISO 8373: Robot công nghiệp là một tay máy đa mục đích
có thể điều khiển tự động, lập trình lại được, có nhiều hơn hoặc bằng 3 trục. (“ An
industrial robot is defined by ISO as an automatically controlled, reprogrammable,
multipurpose manipulator programmable in three or more axes”- ISO)
Theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển
động tự động có thể lập trình, lặp đi lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương
trình đặt ra trên các trục tọa độ: Có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối
tượng, chi tiết, dao cụ…theo những hành trình thay đổi đã được lập trình trước để
hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau
Theo định nghĩa của 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 dung thông qua các chương trình chuyển động
có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau

6


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Theo định nghĩa của ΓOCT 25686-85 (Nga): Robot công nghiệp là một máy
tự động được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ
thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức năng

vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.
1.2.2. Phân loại Robot công nghiệp
Có nhiều tiêu chí để phân loại robot công nghiệp, với mỗi một tiêu chí ta sẽ có
các loại robot tương tự, với cùng một robot nhưng với các tiêu chí khác nhau sẽ có
tên gọi khác nhau, sau đây là một số tiêu chí phân loại robot công nghiệp điển hình.
1.2.2.1. Phân loại theo hình dạng hình học của không gian hoạt động
Dựa vào kết cấu của tay máy người ta phân robot công nghiệp ra thành các
loại [2] [3]:
a. Robot tọa độ Đề các

Hình 1.2. Tay máy robot tọa độ Đề Các
Robot công nghiệp này có kết cấu tay máy gồm 3 khớp tịnh tiến, không gian
làm việc trong thể tích của một hình hộp chữ nhật. Kích thước của hình hộp chữ
nhật này phụ thuộc vào lượng dịch chuyển của các khâu trên tay máy. Robot có tọa
độ đề các thường được sử dụng để làm việc với các đối tượng thuộc các mặt phẳng
vuông góc trong không gian.

7


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

b. Robot tọa độ trụ

Hình 1.3. Tay máy robot tọa độ trụ
Robot công nghiệp này có kết cấu tay máy gồm 3 khớp: 1 khớp quay và 2
khớp tịnh tiến (RTT). Không gian làm việc trong thể tích một hình trụ. Chiều cao
của hình trụ phụ thuộc lượng tịnh tiến của khớp thứ 2, độ rộng của hình trụ phụ
thuộc lượng tịnh tiến của khớp thứ 3.
c. Robot tọa độ cầu

Hình 1.4. Tay máy robot tọa độ cầu
Robot công nghiệp này có kết cấu tay máy gồm 3 khớp: 3 khớp quay RRR)
hoặc 2 khớp quay và 1 khớp tịnh tiến (RRT). Không gian làm việc trong thể tích
một hình cầu. Bán kính hình cầu phụ thuộc vào góc quay, lượng tịnh tiến và kích
thước của hai khâu cuối.
Robot thường được sử dụng khi làm việc với các chi tiết, bề mặt trong không
gian. Tùy vào trang bị của tay máy mà robot có thể dùng để sơn, hàn, lăp ráp…

8


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

d. Robot dạng phỏng sinh

Hình 1.5. Tay máy robot dạng phỏng sinh
Cánh tay robot dạng phỏng sinh 6 bậc tự do RRRRRR đang được sử dụng rất
nhiều trong thực tế. Với cánh tay robot dạng này cho phép điều khiển được cả vị trí
và hướng của khâu tác động cuối.
Với cấu trúc của mình, tùy vào trang bị của tay máy, robot 6 bậc tự do
RRRRRR có thể sử dụng làm robot hàn, robot sơn, robot lắp ráp hay robot phục vụ
cho máy CNC trong các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS, hệ thống sản xuất tích
hợp CIM.
e. Robot dạng Scara

Hình 1.6. Tay máy robot dạng SCARA
Robot công nghiệp SCARA là cụm từ viết tắt của Selective Compliance
Assemply Robot Arm hay Selective articulates Robot Arm. Tức là cánh tay robot
lắp ráp chọn lọc. Robot được ra đời năm 1981 tại đại học Yamanashi Nhật Bản

Cánh tay robot gồm 3 bậc tự do RRT, sau này phát triển thêm các biến thể

9


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

RRTR hoặc TRRT. Robot có kết cấu đơn giản, tốc độ làm việc cao, làm việc tin cậy
được sử dụng phổ biến để lắp ráp, phân loại sản phẩm trên các băng tải, dây chuyền
tự động.
1.2.2.2. Phân loại theo phƣơng 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 [2] [3].
a. Điều khiển theo mạch hở

Hình 1.7. 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. 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.
b. Điều khiển theo vòng kín

Hình 1.8. 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

10

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

mà tay máy 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, mômen…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.
1.2.2.3. Phân loại theo ứng dụng
Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Nhưng ứng
dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn…[2] [3]
a. Robot trong ngành luyện kim

Hình 1.9. Robot trong ngành luyện kim
Một trong những công việc kém năng suất nhất của con người là rèn luyện
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.
b. Robot hàn
11


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Hàn đường thường được thực hiện bằng tay. Tuy nhiên 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 nhiệt do khói hàn 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 quỹ đạo được lập trình trước. Ưu điểm duy nhất so với hàn
bằng tay là chất lượng mối hàn được ổn định. 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. Tuy nhiên, luôn có vẫn 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 phải có khả
năng xác định vị trí đúng của đường hàn. Như vậy, để mối hàn được chính xác,
đúng yêu cầu về hình dáng và kích thước thì robot phải giữ theo đúng hướng 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 vì thường
cần phải mô hình hóa hình học để định ra đường di chuyển của robot. 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 lĩnh vực tiềm năng cho việc
ứng dụng robot, được xếp vào lĩnh vực kỹ thuật cao.

12

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.10. Robot hàn
c. Robot sơn
Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khỏe của con người,
nhưng lại hoàn toàn không nguy hiểm đối với robot. 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. Tất cả robot 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.

Hình 1.11. Robot sơn
d. Robot trong lắp ráp
Robot được sử dụng chủ yếu vào các việc tháo lắp phôi và sản phẩm cho các
máy gia công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động…Trong ngành chế tạo

13


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

máy và dụng cụ đo, chi phí lắp ráp thường chiếm đến 40% giá thành sản phẩm,
trong khi đó mức độ cơ khí hóa trong lắp ráp không quá 10 – 15% đối với sản
phẩm hàng loạt và 40% đối với sản xuất hàng loạt lớn. Bởi vậy việc chế tạo và sử
dụng robot lắp ráp có ý nghĩa rất quan trọng và được thực hiện từ khá sớm.

Hình 1.12. Robot lắp ráp

e. Ứng dụng robot trong nhà máy sản xuất
Trong sản xuất lớn, những robot này là những hệ thống được tự động hóa 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. Các robot làm tất cả các công việc
như vận chuyển sản phẩm từ công đoạn sản xuất này tới công đoạn sản xuất khác kể
cả việc đưa và sắp xếp các sản phẩm vào kho.
f. Ứng dụng robot trong tƣơng lai
Robot ngày càng thay thế nhiều lao động bởi những ưu điểm vượt trội về năng
suất, mức độ ổn định, độ chính xác giá thành sản phẩm, khả năng làm việc đáp ứng
được những yêu cầu cao trong sản xuất. Trong tương lai, kỹ thuật robot sẽ tận dụng
hơn nữa các thành tựu khoa học liên ngành, phát triển cả về phần cứng, phần mềm
và ngày càng chiếm lĩnh nhiều lĩnh vực trong công nghiệp.
1.3. Tình hình ứng dụng và phát triển robot công nghiệp trên thế giới và trong nƣớc
a) Tình hình ứng dụng và phát triển robot công nghiệp trên thế giới:
Tổng quan về tình hình ứng dụng robot công nghiệp trên thế giới có thể được

14


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

biểu hiện rõ nét qua các cuộc điều tra khảo sát của các tổ chức quốc tế có uy tín như
Hiệp hội Robotics quốc tế (IFR- International Federation of Robotics) phối hợp với
ủy ban kinh tế châu Âu của Liên hợp quốc (UNECE- United Nations Economic
Commission for Europe). Theo thống kê đến năm 2011 thế giới có khoảng 180.000
robot công nghiệp được sử dụng. Sản lượng robot công nghiệp như trong hình 1.15
có xu hướng năm sau cao hơn nămtrước. Ước tính 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 [3]

Hình 1.13. Sản lượng robot công nghiệp trên thế giới

Hình 1.14. Biểu đồ thị trường robot công nghiệp Châu Á/Úc, Chấu Âu và Châu Mỹ
Nhìn vào biểu đồ thị trường robot công nghiệp ta thấy. Trong năm 2010, gần 70.000
robot đã được cung cấp cho các nước Châu á (bao gồm cả Australia và New
Zealand) tăng 127% so với năm 2009 và chủ yếu đầu tư cho công nghiệp ô tô và

15


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

công nghệ lắp ráp hàng điện tử. Ở các nước Châu âu, năm 2010 gần 30.000 robot đã
được sử dụng tăng 45% so với năm 2009. Còn các nước Châu mỹ, năm 2010 số
lượng robot được sử dụng là gần 20.000 tăng 87% so với năm 2009.
Ở Nhật Bản năm 2007 số lượng robot được sử dụng là hơn 35.000 nhưng đến
năm 2010 số lượng đã giảm còn hơn 20.000. Trong khi đó ở Hàn Quốc năm 2007
số lượng robot sử dụng là gần 10.000 nhưng đến năm 2010 số lượng đã là gần
25.000, dẫn đầu thế giới trong việc sử dụng robot.

Hình 1.15. Biểu đồ sử dụng robot tại các nước
Việc sử dụng robot trong các ngành nghề cũng rất đa dạng, dựa vào biểu đồ
robot phục vụ trong các ngành công nghiệp ta thấy lĩnh vực điện, điện tử ứng dụng
robot nhiều nhất với hơn 25.000 chiếc trong năm 2010. Lĩnh vực ô tô cũng sử dụng
gần 20.000 chiếc trong năm 2010. Bên cạnh đó việc sử dụng robot trong các ngành
cao su- nhựa, kim loại máy móc, thực phẩm, dược, thủy tinh- gốm sứ cũng ngày
càng cao hơn.

16

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.16. Biểu đồ robot phục vụ trong các ngành công nghiệp
b) Tình hình ứng dụng và phát triển robot công nghiệp ở Việt Nam.
Tại Việt Nam, việc phát triển robot công nghiệp chỉ dừng lại ở mức nghiên
cứu và thử nghiệm, việc ứng dụng vào sản xuất là chưa có mà hoàn toàn nhập khẩu
từ các nước đang phát triển.
Có rất nhiều công trình khoa học cấp nhà nước nghiên cứu về robot như đề tài
KC.03.02 thuộc chương trình khoa học công nghệ tự động hóa của Nhà nước, có tên
gọi „‟ Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi
trường độc hại và không an toàn‟‟. Đề tài này có sản phẩm là 5 loại robot công
nghiệp. Đó là robot hàn cắt các tấm kim loại và được thử nghiệm tại nhà máy đóng
tàu Hà Nội. Robot vạn năng cấp phôi cho nhà máy tôi cao tần ở công ty cơ khí Sài
Gòn, tay máy lấy sản phẩm phôi PET trên máy ép nhựa tại công ty CP nhựa Đô
Thành, Tp Hồ Chí Minh, tay máy phục vụ việc vận chuyển đạn súng cối 81mm
trong dây chuyền nạp thuốc đạn, Robot camera phục vụ trường quay phim truyền
hình [3].
1.4. Kết luận
Chương này đã nghiên cứu tổng quan về Robot công nghiệp, lịch sử phát triển,
phân loại và ứng dụng của nó từ trước cho đến nay. Để nghiên cứu sâu hơn và về
Robot công nghiệp, chương tiếp theo sẽ trình bày về động học và động lực học
Robot ba bậc tự do.

17


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

CHƢƠNG 2
ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO
2.1. Mô hình Robot 3 bậc tự do
a) Sơ đồ động Robot: Để hiểu rõ mô hình Robot 3 bậc tự do ta xét sơ đồ động
hình 2.1

Hình 2.1. Sơ đồ động Robot
Khâu 1 quay quanh trục Z0 góc θ1; Khâu 2 quay quanh trục Z1 góc θ2; Khâu 3
quay quanh trục Z2 góc θ3.
Độ dài khâu 1: l1 = 240 mm; khâu 2: l2 = 230 mm; khâu 3: l3= 245 mm
b) Mô hình được thiết kế như hình 2.2, hình 2.3, hình 2.4, hình 2.5 trên
solidworks

Hình 2.2. Cấu tạo Robot được thiết kế trên Solidworks

18


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Khối lượng toàn bộ canh tay: 11,1 kg (tính theo solidworks)

Hình 2.3. Thân dưới
Khối lượng thân dưới (khâu 1): 9295,54 g (tính theo solidworks)

Hình 2.4. Khâu thứ 2
Khối lượng khâu thứ 2: 1594,9 g (tính theo solidworks)

Hình 2.5. Khâu thứ 3

19