Tính toán động lực học kết cấu robot harmo

Luận văn Thạc sỹ khoa học

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................4
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................6
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ........................................................................6
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................8
CHƯƠNG 1: .............................................................................................................11
TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.1. Lịch sử phát triển của Robot công nghiệp ..................................................... 11
1.2. Khái niệm về Robot công nghiệp. ................................................................... 12
1.3. Phân loại Robot công nghiệp........................................................................... 15
1.3.1. Phân loại theo kết cấu ..............................................................................15
1.3.2. Phân loại theo phương pháp điều khiển...................................................18
1.3.3. Phân loại theo hệ thống động lực. ...........................................................18
1.3.4. Phân loại theo hệ thống truyền động. ......................................................19
1.3.5. Phân loại theo độ chính xác. ....................................................................19
1.4. Một số nghiên cứu về động học và động lực học Robot................................ 19
1.5. Nội dung và đối tượng nghiên cứu.................................................................. 22
1.5.1. Nghiên cứu động học và động lực học Robot .........................................22
1.5.2. Cơ sở thực tiễn và nội dung nghiên cứu ..................................................24
1.5.3. Đối tượng nghiên cứu ..............................................................................26
1.6. Kết luận ............................................................................................................. 28
CHƯƠNG 2: .............................................................................................................29
PHƯƠNG PHÁP LUẬN TRONG TÍNH TOÁN
ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT
2.1. Giải bài toán động học Robot.......................................................................... 29
2.1.1. Giải bài toán động học thuận Robot ........................................................29
2.1.2. Giải bài toán động học ngược Robot .......................................................35
2.2. Giải bài toán động lực học cho Robot. ........................................................... 37

1


Luận văn Thạc sỹ khoa học

2.2.1. Cơ học Lagrange với các vấn đề động lực học Robot. ............................38
2.2.2. Phương trình động lực học Robot............................................................39
2.2.3. Các phương trình chuyển động Newton - Euler .....................................43
2.3. Phương pháp tính toán động lực học bằng PTHH trên cơ sở ứng dụng
ADAMS .................................................................................................................... 44
2.4. Kết luận. ............................................................................................................ 45
CHƯƠNG 3: .............................................................................................................47
TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT HARMO
3.1. Bậc tự do ........................................................................................................... 47
3.2. Phân tích động học cho Robot Harmo ........................................................... 49
3.2.1. Hệ tọa độ của Robot Harmo theo phương pháp D-H ..............................49
3.2.2. Xây dựng chương trình tính bằng MATLAB ..........................................52
3.2.3. Giải bài toán động học thuận ...................................................................53
3.2.4. Giải bài toán động học ngược ..................................................................57
3.2.5. Ứng dụng MATLAB Guide giải bài toán động học cho Robot ..............60
3.3. Giải bài toán động học cho Robot Harmo bằng mô hình hóa phân tích
phần tử hữu hạn ...................................................................................................... 62
3.3.1. Mô hình hóa đối tượng trên phần mềm CATIA ......................................62
3.3.2. Thiết lập môi trường tính toán mô phỏng trên phần mềm ADAMS .......65
3.4. Mô phỏng động lực học trên ADAMS View .................................................. 76
3.5. Kết luận ............................................................................................................. 82
KẾT LUẬN ...............................................................................................................83
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................84
PHỤ LỤC: Chương trình tính toán động học Robot Harmo trên MATLAB ...........85

2


Luận văn Thạc sỹ khoa học

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan những nội dung mà tác giả viết trong Luận văn này là
do sự tìm hiểu, nghiên cứu của bản thân, cùng với sự hướng dẫn của TS. Lê Giang
Nam. Mọi số liệu và kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Trừ các phần tham khảo đã được
trích dẫn nguồn gốc cụ thể trong Luận văn.
Hà Nội, tháng 10 năm 2014
Tác giả

Đặng Vũ Vinh

3


Luận văn Thạc sỹ khoa học

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Tên ký hiệu

Đơn vị

AMF

Americal Machine and Foundry Company

IR

Industrial Robot

NC

Numerical Control

FMS

Flexible Manufacturing System

SCARA

Selective Compliant Articulated Robot Arm

D-H

Denavit-Hartenberg (phép biến đổi tọa độ thuần nhất)

R0

Vector bán kính

Ai

Ma trận mô tả vị trí và hướng của khâu thứ i so với
khâu thứ i-1.

Ti

Ma trận mô tả vị trí và hướng của khâu thứ i so với giá
cố định

Oi

Giao điểm của Ui và trục khớp i+1

Oi-1

Giao điểm của Ui-1 và trục khớp i

Xi

Vector dọc theo Ui

Yi

Vector xác định theo quy tắc bàn tay phải.

Zi

Vector dọc theo trục khớp i+1

Xi-1

Vector dọc theo trục Ui-1

Yi-1

Vector xác định theo quy tắc bàn tay phải

Zi-1

Vector dọc theo trục khớp i

ai

Khoảng cách giữa Oi và Oi dọc theo trục Xi

di

Khoảng cách giữa Oi-1 và Oi dọc theo trục Zi-1

i

Góc giữa trục Xi-1 và Xi

αi

Góc giữa trục Zi-1 và Zi

T(Zi-1, di)

Ma trận biến đổi cơ bản

T(Zi-1, θi)

Ma trận biến đổi cơ bản

T(Xi, ai)

Ma trận biến đổi cơ bản

T(Xi, αi)

Ma trận biến đổi cơ bản

4


Luận văn Thạc sỹ khoa học
i-1

Ai

Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất D-H

Tn

Ma trận trạng thái khâu thao tác

0

Ma trận phương trình động học

Af

C

Ma trận của phép quay Cardan mô tả hướng của
O3X3Y3Z3 so với hệ tọa độ O0X0Y0Z0

rE

Ma trận mô tả vị trí của O3X3Y3Z3 so với O0X0Y0Z0

q=[q1 … qn]T

Véc tơ suy rộng biến khớp

q=[q1 … qm]T

Véc tơ suy rộng của khâu thao tác

n

Số tọa độ suy rộng khớp (số bậc tự do của Robot)

m

Số tọa độ suy rộng của khâu thao tác (bàn tay kẹp)

Tn(x)

Ma trận cấu hình tọa độ khâu thao tác

x

Vị trí bàn tay kẹp

x

Vận tốc bàn tay kẹp

x

Gia tốc bàn tay kẹp

q

Tọa độ suy rộng

q

Vận tốc suy rộng

q

Gia tốc suy rộng

W

Số bậc tự do

5


Luận văn Thạc sỹ khoa học

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1:

Thông số Denavit - Hartenberg của Robot Harrmo.

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1.

Sơ đồ cấu trúc và chức năng của Robot.

Hình 1.2.

Robot kiểu tọa độ đề các.

Hình 1.3.

Robot kiểu tọa độ trụ.

Hình 1.4.

Robot kiểu tọa độ cầu.

Hình 1.5.

Robot kiểu tọa độ góc.

Hình 1.6.

Robot kiểu SCARA.

Hình 1.7.

Robot Harmo UE700W-2R trong phòng thí nghiệm Robot CN.

Hình 2.1.

Thông số (a, d, α, θ) của khâu.

Hình 2.2.

Khảo sát tốc độ của vi khối lượng dm.

Hình 2.3.

Khảo sát mô men quán tính hệ vật.

Hình 2.4.

Khảo sát hệ nhiều vật.

Hình 3.1.

Sơ đồ mô phỏng số khâu, số khớp của Robot Harmo.

Hình 3.2.

Hệ tọa độ của Robot Harmo.

Hình 3.3.

Sơ đồ giải bài toán động học thuận trên Matlab.

Hình 3.4.

Sơ đồ giải bài toán động học ngược trên Matlab.

Hình 3.5.

Đồ thị các biến khớp trên Matlab.

Hình 3.6.

Đồ thị bài toán vị trí xE, yE, zE trên Matlab.

Hình 3.7.

Quỹ đạo khâu thao tác trên Matlab.

Hình 3.8.

Đồ thị vận tốc và gia tốc động học thuận trên Matlab.

Hình 3.9.

Quỹ đạo yêu cầu cho bài toán động học ngược.

Hình 3.10.

Đồ thị các biến khớp trên Matlab.

Hình 3.11.

Đồ thị vận tốc và gia tốc động học ngược các khâu trên Matlab.

Hình 3.12.

Xây dựng giao diện hiển thị kết quả trên Matlab Guide.

6


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Hình 3.13.

Kết quả bài toán động học thuận Robot Harmo.

Hình 3.14.

Kết quả bài toán động học ngược Robot Harmo.

Hình 3.15.

Các modul tích hợp trong Mechanical Design.

Hình 3.16.

Mô hình hóa mô phỏng và lắp ráp bậc tự do Robot Harmo.

Hình 3.17.

Mô hình hóa mô phỏng và lắp ráp tổng thể Robot Harmo.

Hình 3.18.

Mô hình hóa Robot Harmo trên ADAMS View.

Hình 3.19.

Thao tác tạo liên kết cho các cụm chi tiết trục Y.

Hình 3.20.

Thao tác tạo gán chuyển động cho toàn khâu tịnh tiến trục Y.

Hình 3.21.

Thao tác tạo gán chuyển động cho toàn khâu tịnh tiến trục Z.

Hình 3.22.

Thao tác tạo gán chuyển động cho toàn khâu tịnh tiến trục X.

Hình 3.23.

Thao tác gán vật liệu có sẵn cho khâu.

Hình 3.24.

Thao tác gán vật liệu không có sẵn cho khâu.

Hình 3.25.

Thao tác lệnh Revolute Joint.

Hình 3.26.

Thao tác lệnh Translantional Joint.

Hình 3.27.

Thao tác lệnh Translantional Joint Motion.

Hình 3.28.

Quá trình lựa chọn khảo sát thông số động học khâu cuối Robot.

Hình 3.29.

Các kết quả từ chương trình (a, b, c, d, e, f, g, h, i).

Hình 3.30.

Thủ tục chia lưới cho chi tiết trên ADAMS.

Hình 3.31.

Thủ tục nhập dữ liệu chia lưới đã có của chi tiết

Hình 3.32.

Kết quả quá trình mô phỏng ĐLH Robot Harmo

7


Luận văn Thạc sỹ khoa học

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Việc nghiên cứu động học và động lực học Robot là lĩnh vực rất được quan
tâm trong các cơ sở sản xuất, các nhà khoa học, các trường học đại học, cao đẳng…
Vì khi đã nắm được được những quy luật về động học và động lực học sẽ giúp cho
quá trình thiết kế động trình cũng như lập trình điều khiển chu trình làm việc của
Robot được hiệu quả hơn. Kết quả bài toán rất quan trọng trong thiết kế và sử dụng
Robot như nâng cao độ cứng vững, độ chính xác, độ linh hoạt.
Việc nghiên cứu các bài toán liên quan đến động học và động lực học Robot
là các bài toán có ý nghĩa thực tiễn cao, nó làm cơ sở cho việc nghiên cứu chế tạo ra
các loại Robot mới. Đặc biệt là các Robot dùng trong công nghiệp có cấu trúc đơn
giản, điều khiển dễ dàng nhưng lại hoạt động hiệu quả có tính thích ứng cao trong
các dây truyền sản xuất.
Dựa trên thiết bị có sẵn tại phòng thí nghiệm Robot công nghiệp thuộc Bộ
môn Máy và Ma sát học, Viện cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, cũng là
đơn vị công tác của tác giả. Vậy nên tác giả chọn đề tài “Tính toán động lực học kết
cấu Robot Harmo”.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

2.1. Đối tượng nghiên cứu
Robot công nghiệp Harmo UE 700W-2R đặt tại phòng thí nghiệm Robot
Công nghiệp, Bộ môn Máy và Ma sát học, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội.
2.2. Phạm vi của đề tài
Trong đề tài tác giả đề xuất một hướng tính toán khác cho động học và động
lực học Robot. Đó là phương pháp dựa trên phần tử hữu hạn để đánh giá, kết xuất,
mô phỏng các kết quả thông qua sự hỗ trợ của các phần mềm CATIA, ADAMS…
Để đánh giá tính hiệu quả của phương pháp, tác giả đề xuất tính toán giải bài
toán động học và động lực học cho Robot Harmo UE 700W-2R hiện đang được đặt

8


Luận văn Thạc sỹ khoa học

tại phòng thí nghiệm Robot công nghiệp, thuộc Bộ môn Máy và Ma sát học, Viện
Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
3. Mục tiêu của đề tài
Việc tính toán động học và động lực học trong cơ cấu tay máy là rất cần thiết
để chọn công suất động cơ, kiểm tra độ bền, độ cứng vững, đảm bảo độ tin cậy của
robot. Mục tiêu phát triển thế hệ Robot có cấu hình tương đồng với robot Harmo,
tính toán khả năng chất tải của khâu chấp hành dụng cụ và khảo sát độ chính xác
động lực học điều khiển.
Nghiên cứu các yếu tố động học thiết lập mô hình hóa, mô phỏng, xác định
bài toán động học thuận - ngược, xác định miền không gian làm việc của robot.
Làm cơ sở cho việc xây dựng quá trình lập trình offline robot.
Nghiên cứu ứng xử động lực học kết cấu: Vận tốc, gia tốc khâu và mômen,
lực tác dụng lên kết cấu trong quá trình chuyển động của robot khi tính đến đặc tính
động lực học.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học: Hệ thống các phương pháp nghiên cứu động học và động
lực học Robot trên cơ sở nghiên cứu đối chứng và làm nổi bật ứng dụng của phương
pháp phần tử hữu hạn.
Ý nghĩa thực tiễn: Thực hiện khảo sát các ứng xử động học và động lực học
của kết cấu Robot Harmo tại phòng thí nghiệm Robot công nghiệp, Bộ môn Máy và
Ma sát học, nhằm mục đích khai thác có hiệu quả khả năng làm việc của Robot tại
các vùng tải trọng khác nhau.
5. Phương pháp nghiên cứu và cơ sở tài liệu
Luận văn được nghiên cứu trên cơ sở:
-

Phân tích các nghiên cứu trong và ngoài nước trong vấn đề động học và động

lực học cho Robot.
-

Nghiên cứu và phân tích động học kết cấu cho Robot tại phòng thí nghiệm.

-

Xây dựng mô hình mô phỏng và phân tích phần tử hữu hạn đối tượng nghiên

cứu với sự hỗ trợ của các phần mềm CATIA, ADAMS và MATLAB.

9


Luận văn Thạc sỹ khoa học

6. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm có ba phần: phần mở đầu, phần nội dung, phần kết luận.
Trong đó phần nội dung gồm ba chương. Toàn bộ luận văn được trình bày trong 90
trang, với 43 sơ đồ và hình vẽ.
Trong quá trình xây dựng đề tài của luận văn không tránh khỏi những thiếu
sót, tác giả mong nhận được sự quan tâm góp ý của tất cả các thầy, cô giáo và các
đồng nghiệp để sau này khi có điều kiện nghiên cứu sâu hơn tác giả có thể giải
quyết tốt và hoàn thiện hơn.
Đề tài được hoàn thành tại Bộ môn Máy và Ma sát học, Viện Cơ khí, Trường
Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Lê Giang Nam.
Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Lê Giang Nam đã cung cấp tài liệu và hướng
dẫn phương pháp nghiên cứu trong quá trình thực hiện đề tài. Tác giả chân thành
cám ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện của các thầy cô và đồng nghiệp Bộ môn Máy và
Ma sát học,Viện Cơ khí, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội.

10


Luận văn Thạc sỹ khoa học

CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1. Lịch sử phát triển của Robot công nghiệp
Với nhu cầu nâng cao năng xuất và chất lượng sản phẩm nên đòi hỏi ứng
dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá vào quá trình sản xuất. Xu hướng tạo ra
những dây truyền về thiết bị tự động có tính linh hoạt cao được hình thành. Các
thiết bị này đang thay thế dần các máy tự động “cứng” chỉ đáp ứng một việc nhất
định trong lúc thị trường luôn luôn đòi hỏi thay đổi mặt hàng về chủng loại, kích cỡ
và về tính năng v.v… Vì thế nhu cầu ứng dụng Robot để tạo ra các hệ thống sản

xuất tự động linh hoạt ngày càng tăng nhanh.
Theo tài liệu [1], từ năm 1921 trên sân khấu múa rối châu Âu đã xuất hiện
con rối Robota với tên gọi là “lực sĩ” (Force Man) do các nghệ sỹ Tiệp Khắc (trước
đây) trình diễn. Có lẽ đó là ý tưởng ban đầu cho các sáng chế kỹ thuật về những cơ
cấu máy móc bắt chước các thao tác cơ bắp của con người. Cho đến những năm
trước Đại chiến thế giới thứ 2, cùng với sự phát triển của khoa học hạt nhân thì việc
triển khai ứng dụng các cơ cấu như vậy trong kỹ thuật trở thành nhu cầu thực sự
bức thiết, nhằm đáp ứng những thao tác trong môi trường đặc biệt như phóng xạ
trong các thí nghiệm về hạt nhân. Những cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) ra
đời và ngày càng phát triển. Đó là các cơ cấu phỏng sinh học bao gồm các khâu,
khớp, dây chằng gắn liền với bộ điều khiển và được thao tác bởi cánh tay con người
thông qua các cơ cấu khuếch đại cơ khí và được gọi chung là “nhóm tay máy điều
khiển bằng tay” (Manuelle Manipulator). Cơ cấu là sự sao chép chuyển động của
tay người điều khiển với hệ điều khiển thuần túy là cơ học. Tuy khá khéo léo và
tinh vi nhưng tốc độ hoạt động chậm, lực tác dụng hạn chế.
Đầu những năm 1960, công ty Mỹ AMF (Americal Machine and Foundry
Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là Robot công nghiệp
(IR: Industrial Robot). Ngày nay, người ta đặt tên Robot công nghiệp cho những
loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự

11


Luận văn Thạc sỹ khoa học

động để thực hiện một số thao tác sản xuất. Về mặt kỹ thuật, những Robot công
nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ 2 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 Numerical Control). Những Robot đầu tiên thực chất là sự kết nối giữa các khâu cơ
khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển
số.

Tiếp theo Mỹ, các nước khác cũng bắt đầu sản xuất Robot công nghiệp: Anh
(1967), Thụy Điển, Nhật Bản (1968), Đức (1871), Pháp (1972), Ý (1973)… Tính
năng làm việc của rôbốt ngày càng được hoàn thiện và nâng cao hơn, nhất là khả
năng nhận biết và và xử lý các thông tin. Các rôbốt ngày nay được trang bị thêm các
loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường xung quanh và nhờ các thành tựu
to lớn trong các lĩnh vực như điều khiển học, tin học và điện tử học mà các rôbốt có
thêm nhiều tính năng đặc biệt. Nhờ vậy mà các rôbốt công nghiệp đã có một vị trí
quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại, nhất là trong các dây chuyền sản
xuất tự động linh hoạt (FMS).
Đến nay, trên thế giới có khoảng trên 200 công ty sản xuất IR trong số đó có
80 công ty của Nhật, 90 công ty của Tây Âu, 30 công ty của Mỹ và một số công ty
của Nga, Tiệp…

1.2. Khái niệm về Robot công nghiệp.
Trong các tài liệu về Robot [1, 2, 3, 4, 5] người ta đã đưa ra một số khái niệm
về Robot công nghiệp (IR: Industrial Robot). Dưới đây là một số khái niệm (định
nghĩa) điển hình:
-

Theo tiêu chuẩn AFNOR của 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 tọa độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng
vật chất như chi tiết, đạo cụ, gá lắp… theo những hành trình thay đổi đã được
chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.

12


Luận văn Thạc sỹ khoa học

-

Theo tiêu chuẩn VDI 1860/BRD: Robot công nghiệp là một thiết bị có nhiều

trục, thực hiện các chuyển động có thể chương trình hóa và ghép nối 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 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 nhau để thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp và gián tiếp.
-

Theo tiêu chuẩn RIA của Mỹ (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 dùng thông qua các chương trình chuyển
động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau.
-

Theo tiêu chuẩn ГOCT 25686-85 của 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 lặp đi lặp lại để hoàn thành các chức
năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.
Do đó, Robot công nghiệp có thể được hiểu là một máy tự động linh hoạt
được sử dụng để thay thế từng phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt
động trí tuệ của con người với nhiều khả năng thích nghi khác nhau dưới một hệ
thống điều khiển theo những chương trình đã lập sẵn. Để hiểu được về Robot công
nghiệp trước hết chúng ta quan sát sơ đồ cấu trúc và chức năng của Robot công
nghiệp như sau:

13


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Người vận hành

Thiết bị liên hệ với
người vận hành
Hệ thống điều khiển

Hệ thống

Hệ thống

Hệ thống

truyền động

chịu lực

cảm biến TH

Môi trường bên ngoài

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc và chức năng của Robot
Trong sơ đồ trên:
-

Các đường

chỉ mối quan hệ thông tin thuận, thông tin chỉ huy nhiệm

vụ Robot.
-

Các đường

chỉ mối liên hệ thông tin ngược, thông tin phản hồi về quá

trình làm việc của Robot.
-

Chức năng của Thiết bị liên hệ với người vận hành là thực hiện quá trình

“dạy học” cho Robot, nhờ đó Robot biết được nhiệm vụ phải thực hiện.
-

Chức năng của hệ thống điều khiển là thực hiện việc tái hiện lại các hành

động nhiệm vụ đã được “học”.
-

Bộ phận chấp hành giúp cho Robot có đủ “sức” chịu được tải trọng trong quá

trình làm việc, bộ phận này bao gồm:
+ Hệ thống truyền động là phần tạo các khả năng chuyển động cho Robot.
+ Hệ thống chịu lực thể hiện khả năng chịu tải của Robot.
-

Hệ thống cảm biến tín hiệu làm nhiệm vụ nhận biết, đo lường và biến đổi

thông tin các loại tín hiệu như: Nội tín hiệu trong bản thân Robot, đó là các tín hiệu

14


Luận văn Thạc sỹ khoa học

về vị trí, vận tốc, gia tốc, trong từng thành phần của bộ phận chấp hành. Và ngoại
tín hiệu, là các tín hiệu từ môi trường bên ngoài có ảnh hưởng tới hoạt động của
Robot.
Với cấu trúc và chức năng như trên, Robot phần nào mang tính “người” còn
phần máy chính là trạng thái vật lý của cấu trúc. Theo [1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9], cấu tạo
của Robot thường có 3 bộ phận chủ yếu, đó là:
-

Tay máy (manipulator): Là bộ phận cơ khí quan trọng, đóng vai trò là một bộ

phận chấp hành của Robot. Tay máy cấu tạo bởi các khâu và các khớp nhằm mô
phỏng theo nguyên tắc hoạt động của bàn tay con người.
-

Bộ phận dẫn động: gồm các động cơ (có thể là động cơ điện, khí nén hoặc

thủy lực) để tạo nên chuyển động cho các khớp của tay máy.
-

Bộ phận điều khiển: giữ vai trò quan trọng như là bộ não của con người. Bộ

điều khiển được dùng để điều khiển các hoạt động của rôbốt. Bộ phận điều khiển
thường được thực hiện thông qua một hệ thống chương trình điều khiển - mỗi
chương trình đảm nhận một nhiệm vụ cụ thể.
Để có thể khai thác, sử dụng một cách hiệu quả các Robot đã được trang bị,
cũng như để có thể tiến hành nghiên cứu, thử nghiệm, chế tạo các Robot mới đáp
ứng được nhu cầu đòi hỏi ngày càng cao của nền công nghiệp hiện đại thì việc
nghiên cứu Robot đang được các cơ sở sản xuất, các nhà khoa học, các trường học
đại học, cao đẳng quan tâm. Khi nghiên cứu về Robot chúng ta thường phải giải
quyết các bài toán về động học, động lực học và điều khiển.

1.3. Phân loại Robot công nghiệp
Để phân loại Robot có thể dựa trên những cơ sở kỹ thuật khác nhau, theo tài
liệu [1, 3] trình bầy một số cách phân loại chủ yếu:
1.3.1. Phân loại theo kết cấu
Các khâu của Robot thường thực hiện bởi 2 chuyển động cơ bản:
-

Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Đề các (Descard).

Thông thường tạo nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu là T

15


Luận văn Thạc sỹ khoa học

(Translation) hoặc P (Prismatic).
-

Chuyển động quay quanh các trục x, y, z ký hiệu là R (Rotation).
Tùy thuộc và số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (T và R) mà tay máy có

các kết cấu khác nhau. Các kết cấu thường gặp của Robot là: Robot kiểu tọa độ đề
các, Robot kiểu tọa độ trụ, Robot kiểu tọa độ cầu, Robot kiểu SCARA, Robot kiểu
hệ tọa độ góc (mô phỏng sinh học)…
1.3.1.1. 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 chữ nhật. Do kết cấu đơn
giản, loại tay máy 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…

Hình 1.2: Robot kiểu tọa độ Đề các
1.3.1.2. 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 bặc tự do cấu hình (R.T.T) như hình vẽ

Hình 1.3: Robot kiểu tọa độ trụ

16


Luận văn Thạc sỹ khoa học

1.3.1.3. Robot kiểu tọa độ cầu:
Vùng làm việc của Robot có dạng hình cầu, thường có độ cứng vững thấp so
với 2 loại trên. Ví dụ Robot 3 bậc tự do cấu hình (R.R.R) hoặc (R.R.T) như hình vẽ.

Hình 1.4: Robot kiểu tọa độ cầu
1.3.1.4. Robot kiểu tọa độ góc (Mô phỏng sinh học):

Đây là kiểu Robot được dùng nhiều hơn cả. Ba chuyển động đầu tiên là các
chuyển động quay, trục quay thứ nhất vuông góc với 2 trục kia, các chuyển động
định hướng khác cũng là các chuyển động quay. Vùng làm việc của tay máy gần
giống một khối cầu. Tất cả các khâu nằm trong mặt phẳng thẳng đứng nên các tính
toán có bản là bài toán phẳng. Ưu điểm nổi bật của các loại Robot hoạt động theo hệ
tọa độ góc là gọn nhẹ, độ linh hoạt cao, có vùng làm việc tương đối lớn so với kích
cỡ của bản thân Robot.

Hình 1.5: Robot kiểu tọa độ góc
1.3.1.5. Robot kiểu SCARA:
Robot SCARA (Selective Compliant Articulated Robot Arm) Ra đời năm
1979 tại trường đại học Yamanashi (Nhật Bản). Tay máy có độ mềm dẻo tùy ý,

17


Luận văn Thạc sỹ khoa học

thường được dùng trong công việc lắp ráp. Ba khớp đầu tiên có cấu hình (R.R.T)
các trục khớp đều theo phương thẳng đứng. Sơ đồ như hình vẽ.

Hình 1.6: Robot kiểu SCARA
1.3.2. Phân loại theo phương pháp điều khiển.
Có hai nguyên tắc điều khiển cơ bản:
-

Điều khiển điểm (point to point)

-

Điều khiển quỹ đạo liên tục (continuous path control)
Các phân loại này dựa vào tính chất đặc trưng của quỹ đạo điều khiển: Robot

điều khiển hở (mạch điều khiển không có quan hệ phản hồi), và Robot điều khiển
kín (hay điều khiển servo) có sử dụng cảm biến và mạch phản hồi để tăng độ chính
xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển.
1.3.3. Phân loại theo hệ thống động lực.
Các dạng truyền động phổ biến là:
-

Hệ truyền động điện: Thường dùng động cơ điện 1 chiều (DC: Direct

Current) hoặc các động cơ bước (Step motor). Loại truyền động này kết cấu gọn
gàng, dễ điều khiển, có độ tin cậy và chính xác.
-

Hệ truyền động thủy lực: Có thể đạt được công suất cao đáp ứng những điều

kiện làm việc nặng. Tuy nhiên có kết cấu cồng kềnh, tồn tại độ phi tuyến lớn khó xử
lý khi điều khiển.
-

Hệ truyền động khí nén: Có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần quá trình thu

hồi nhiên liệu nhưng vẫn cần hệ thống nén khí. Hệ này làm việc với công suất nhỏ
và trung bình, kém chính xác. Thường thích hợp với Robot hoạt động theo chương
trình định sẵn với thao tác đơn giản.

18

Luận văn Thạc sỹ khoa học

1.3.4. Phân loại theo hệ thống truyền động.
-

Truyền động gián tiếp: Thông qua cơ cấu truyền động cơ khí (bánh răng,

bánh đai, vít me,..) Dẫn đến tính phi tuyến, tính trễ và bị mòn, tạo khe hở động học
và làm giảm độ chính xác.
-

Truyền động trực tiếp: Cơ cấu nối trực tiếp nguồn động lực nên kết cấu nhỏ

gọn và loại được những hạn chế hệ truyền động gián tiếp. Nhược điểm: Yêu cầu
nguồn động lực phong phú về chủng loại, động cơ có số vòng quay thích hợp và
điều khiển vô cấp trên dải rộng.
1.3.5. Phân loại theo độ chính xác.
-

Độ chính xác tuyệt đối: Đánh giá mức độ tin cậy trong một chu kỳ đơn lẻ

làm việc 1 lần.
-

Độ chính xác lặp lại: Đánh giá độ tin cậy trong một quá trình làm việc lâu

dài (ta quan tâm chủ yếu đến loại này).

1.4. Một số nghiên cứu về động học và động lực học Robot

Như trình bày ở trên số lượng các thông số làm việc của hệ thống chấp hành
là rất lớn. Việc xác định nhanh chóng, chính xác các thông số này có ý nghĩa khoa
học và thực tiễn trong điều khiển Robot. Cấu trúc chấp hành của Robot là một hệ có
độ phức tạp cao, các nghiên cứu lý thuyết cổ điển bằng công cụ giải tích thường gặp
khó khăn ở điểm này. Chẳng hạn các mô hình động lực học dưới dạng giải tích
thường quá dài nên thiếu đi ý nghĩa thực tế trong sử dụng. Vì vậy với động lực học
hiện thời có hai hướng giải quyết cho vấn đề này:
-

Biểu diễn các phương trình động lực học dưới dạng số phức

-

Khảo sát thực nghiệm hệ thống để xác định các thông số làm việc.
Các đặc tính động lực học có thể đạt được bằng cách khảo sát hệ thực với

đầu đo gia tốc, dựa trên quan hệ tích phân giữa các đại lượng có thể xác định được
các thông tin liên quan.
Hiện nay mô phỏng và thực nghiệm là hai hướng nghiên cứu phát triển mạnh
trong lĩnh vực xác định các thông số làm việc của hệ thống chấp hành, điều này có

19


Luận văn Thạc sỹ khoa học

nguyên nhân một phần từ sự bế tắc của các nghiên cứu lý thuyết khi áp dụng các mô
hình giải tích vào một hệ cấu trúc phức tạp như Robot.
Do ý nghĩa đặc biệt quan trọng của thông số làm việc, nên đã và đang có khá
nhiều công trình nghiên cứu tập trung vào làm rõ hơn các bài toán cơ học cơ cấu

chấp hành. Bài toán động học và động lực học cơ cấu song song được cho là vẫn
còn nhiều vấn đề chưa rõ ràng khi khảo sát bằng giải tích.
Trong lĩnh vực động học Robot có thể nêu một số nghiên cứu như:
-

Phương pháp hoạ đồ véc tơ vị trí có thể sử dụng cho các cơ cấu phẳng đơn

giản.
-

Nghiên cứu của Pieper sử dụng phép biến đổi đồng nhất xác định các

phương trình ứng với các phần tử vuông góc, thể hiện ở hàm sin và cos thích hợp.
Từ đó tính góc thông qua hàm arctg hai biến, hàm này có thể nhận giá trị thực hoặc
giá trị phức nếu hàm nhận giá trị phức tương ứng với trường hợp vô nghiệm. Thông
thường phương pháp này áp dụng tốt với những Robot đơn giản.
-

Nghiên cứu của Nguyễn Thiện Phúc, năm 1996 “Về một phương pháp giải

bài toán ngược động học khi tổng hợp quỹ đạo chuyển động của người máy”.
-

Trong tài liệu [2], tác giả Nguyễn Thiện Phúc cũng trình bày về phương pháp

giải gần đúng nghiệm của hệ phương trình động học ngược Robot trên cơ sở khai
triển Taylor, đây là một trong các phương pháp số tìm ra kết quả thông qua một quá
trình lặp.
-

Nghiên cứu của Fu. K. S. Gonzater R. C., Lee C. S. G., năm 1987 “Giải bài

toán động học ngược của Robot Puma theo phương pháp hình học”.
-

Nghiên cứu của Paul R. P., năm 1981 “Phương pháp biến đổi ngược các ma

trận thuần nhất 4x4 giải bài toán động học ngược Robot Stanford”.
-

Nhược điểm của các phương pháp này là chưa có cách chung để xác định

một lời giải có thể thích hợp ngay trong số khá nhiều lời giải có thể tồn tại.
Cũng có thể thấy có rất nhiều học giả phát triển các phương pháp số mang
tên mình để giải bài toán động học ngược Robot như:
-

Phương pháp loại trừ thẩm tách Sylvester

20


Luận văn Thạc sỹ khoa học

-

Phương pháp Raghavan và Roth

-

Phương pháp Tsai-Morgan

-

Phương pháp Newton-Raphson.
Đặc điểm chung của các phương pháp số như trong tài liệu [6] nhận xét là

“Có thể không đưa đến lời giải vì các hàm siêu việt không phải lúc nào cũng có độ
hội tụ”.
Nhận thấy phương pháp Newton-Raphson có chi phí tính toán lớn và không
phải lúc nào cũng hội tụ vì phụ thuộc vào điều kiện đầu.
Có thể sử dụng chuỗi Taylor và ma trận Jacobi để viết phương trình xấp xỉ
toạ độ đầu, dùng phương trình xấp xỉ đó để xây dựng thuật toán hội tụ tới nghiệm
yêu cầu. Thuật toán hội tụ có 2 kiểu là sai phân tới và sai phân lùi. Sử dụng lược đồ
sai phân tới khi muốn có kết quả nhanh song sai số tích lũy sẽ khá lớn qua nhiều
bước lấy mẫu vì phương pháp này không cho kết quả chính xác theo yêu cầu cho
trước. Sử dụng lược đồ sai phân lùi có thể cho kết quả chính xác tùy ý, tuy nhiên
phải giải lặp lại từng bước lấy mẫu.
Gần đây xuất hiện thêm phương pháp dịch chuyển vi phân giải bài toán động
học ngược, trong cách làm này các chuyển động giả thiết là rất nhỏ nhằm tuyến tính
hoá các đại lượng siêu việt bằng cách xấp xỉ chúng với giá trị thực trong hàm khi
tính góc bằng đơn vị Radian.
Đầu tiên đặt trục tọa độ lên các khớp theo phương pháp đã biến đổi (hệ tọa
độ khớp i đặt trên trục khớp i, thay vì dùng phương pháp chính tắc hệ toạ độ i đặt
trên trục i-1). Phương pháp này đơn giản ở chỗ khi tính ma trận xoay giữa các khớp,
ở cột thứ 4 sẽ ko có biến xoay nên không có các hàm siêu việt cos hay sin.
Sau đó lựa chọn khớp có đặc trưng nhất cho Robot. Khi tính phương trình
động học thuận Tn = 0A1.1A2.2A3...n-1An, từ đó nhân nghịch đảo các ma trận để tìm
động học ngược, có thể thấy một đặc điểm là phải nhân nghịch đảo đến khi nào mà
ở cột thứ 4 của ma trận kết quả của 1 trong 2 vế phương trình xuất hiện một thành

phần là hằng số. Tại đó, khớp đã nhân nghịch đảo ở phép tính trước được gọi là
khớp đặc trưng nhất của Robot.

21


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Phương pháp này không giải thích được làm thế nào tìm khớp đặc trưng của
Robot, đây cũng là một yếu tố mang tính kinh nghiệm thực hành. Phương pháp này
cũng có khó khăn với các tay máy mà có hệ quy chiếu O6 không trùng với các hệ
trước đó (thường gặp ở tay máy Nhật).
Trong lĩnh vực động lực học Robot có thể nêu một số nghiên cứu như:
-

Trần Thiên Phúc (ĐHBK TP HCM), năm 2007, “Nghiên cứu tính toán và mô

phỏng động lực học cho cơ hệ Robot di động nhiều bậc tự do dạng bánh xe”.
-

Phạm Anh Tuấn (Viện Cơ học VN), năm 2008, “Nghiên cứu thiết kế, mô

phỏng động lực học và điều khiển Robot thông minh và vệ tinh siêu nhỏ”.
-

Nguyễn Văn Khang (ĐHBK Hà Nội), năm 2009, “Tính toán động lực học và

điều khiển các hệ nhiều vật hỗn hợp bằng phương pháp số”.
-

Nguyễn Văn Khang, Nguyễn Quang Hoàng, Trần Hoàng Nam (ĐHBK Hà

Nội), năm 2009, “Về bài toán động lực học ngược Robot dư dẫn động”.
Tất cả các nghiên cứu nêu trên từ các công trình được công bố từ rất lâu cho
đến các công trình gần nhất, với những quan điểm và các cách thực hiện khác nhau
với nhiều công cụ hỗ trợ song có thể thấy việc tìm kiếm một phương pháp có tính
tổng quát cho bài toán động học và động lực học Robot vẫn là một vấn đề rất được
quan tâm.

1.5. Nội dung và đối tượng nghiên cứu.
1.5.1. Nghiên cứu động học và động lực học Robot
Mặc dù Robot và Robot công nghiệp đã, đang được sử dụng rộng rãi song
bản thân Robot là thiết bị giao thoa của nhiều lĩnh vực kỹ thuật mũi nhọn, không
ngừng phát triển nên luôn có những giới hạn bị đẩy lên cao hơn. Bên cạnh đó các
vấn đề động học, động lực học của Robot vẫn được coi là còn nhiều yếu tố chưa rõ
khi phân tích khảo sát theo phương pháp giải tích thông dụng. Điều đó thể hiện
những tác động của cấu trúc trong quá trình làm việc chưa được hiểu biết đầy đủ.
Để có thể ứng dụng Robot vào những công việc đòi hỏi cao về độ chính xác thao

22


Luận văn Thạc sỹ khoa học

tác, cần có thêm nhiều nỗ lực nhằm làm chủ các quá trình động học và động lực
học.
Động học nghiên cứu chuyển động nhưng không xét đến các lực hoặc các
mômen gây ra chuyển động. Động học chỉ xét vị trí, vận tốc, gia tốc và các đạo hàm
cấp cao của các biến vị trí theo thời gian hoặc theo các biến khác. Do đó động học
chỉ đề cập các tính chất hình học và thời gian của chuyển động. Các biến khớp của

cơ cấu chấp hành liên quan đến vị trí và định hướng của nguồn tác động theo các
ràng buộc của các khớp đó. Các quan hệ động học này là tiêu điểm nghiên cứu động
học các cơ cấu chấp hành Robot. Nghiên cứu này có thể tiếp cận theo hai quan điểm
giải tích động học và tổng hợp động học, có liên quan chặt chẽ với nhau.
Giải tích động học nghiên cứu về đạo hàm, vi phân, tích phân của các chuyển
động tương đối. Có hai kiểu bài toán giải tích động học là động học thuận và động
học ngược. Trong lập trình cơ cấu chấp hành, tập hợp các vị trí và định hướng mong
muốn, các đạo hàm thời gian của vị trí và định hướng của đầu tác động, được
chuyên biệt trong không gian. Vấn đề là tìm mọi tập hợp khả dĩ của các biến khớp
động, là các đạo hàm thời gian tương ứng của chúng để đầu tác động đạt vị trí và
định hướng mong muốn với các đặc tính chuyển động theo yêu cầu. Vấn đề này
được gọi là động học ngược. Mặt khác, đôi khi các biến khớp động và các đạo hàm
thời gian của chúng có thể nhận được từ các cảm biến lắp trong khớp, từ đó có thể
tìm mọi tập hợp khả dĩ về vị trí và định hướng của đầu tác động và các đạo hàm thời
gian tương ứng của chúng. Điều này được gọi là động học thuận. Vấn đề về động
học thuận và động học ngược đều có thể giải quyết bằng nhiều phương pháp giải
tích, chẳng hạn giải tích véc tơ hình học, đại số ma trận,…
Nghiên cứu giải bài toán động lực học Robot là công việc cần thiết khi phân
tích cũng như tổng hợp quá trình điều khiển chuyển động. Việc nghiên cứu động
lực học Robot thường giải quyết hai nhiệm vụ sau:
-

Xác định mô men và lực xuất hiện trong quá trình chuyển động, khi đó qui

luật biến đổi của biến khớp coi như đã biết. Việc tính toán lực trong cơ cấu tay máy

23


Luận văn Thạc sỹ khoa học

là rất cần thiết để chọn công suất động cơ, kiểm tra độ bền, độ cứng vững, đảm bảo
độ tin cậy của Robot.
-

Xác định các sai số động, tức là sai lệch so với qui luật chuyển động theo

chương trình. Lúc này cần khảo sát phương trình chuyển động của Robot có tính
đến đặc tính động lực của động cơ và các khâu.
Có nhiều phương pháp nghiên cứu động lực học Robot như đông lực học
Lagrange và động lực học Newton…, nhưng thường gặp hơn cả là phương pháp cơ
học Lagrange, cụ thể là dùng phương trình Lagrange - Euler. Đối với các khâu khớp
của Robot, các nguồn động lực và các kênh điều khiển riêng biệt không thể bỏ qua
các hiệu ứng ảnh hưởng đến cơ hệ như: lực trọng trường, lực quán tính, lực tương
hỗ, lực ly tâm… Cơ học Lagrange nghiên cứu các vấn đề trên như một hệ thống
khép kín nên đây là nguyên lý cơ học thích hợp đối với các bài toán động lực học
Robot.
1.5.2. Cơ sở thực tiễn và nội dung nghiên cứu
Như trình bày ở trên, việc nghiên cứu động học và động lực học Robot là
lĩnh vực rất được quan tâm trong các cơ sở sản xuất, các nhà khoa học, các trường
học đại học, cao đẳng… Những quy luật về động học và động lực học sẽ giúp cho
quá trình thiết kế động trình cũng như lập trình điều khiển chu trình làm việc của
Robot được hiệu quả hơn, nâng cao độ cứng vững, độ chính xác, độ linh hoạt. Tuy
nhiên với các phương pháp giải các bài toán động học và động lực học nêu trên thì
phần nào gặp khó khăn cho người nghiên cứu và sử dụng vì sự phức tạp và chi tiết
của phương pháp. Ngày nay với sự hỗ trợ rất hiệu quả của công nghệ thông tin đã
góp phần giảm bớt những khó khăn cho người nghiên cứu, như các phần mềm hỗ
trợ tính toán: MATLAB, MAPLE… Những phần mềm này đòi hỏi người sử dụng
phải có kiến thức và khả năng lập trình hóa các công thức toán học, ưu điểm của
phần mềm là cho các kết quả gần đúng, sát với quy luật thực tiễn. Kết quả của

chương trình đưa ra là những biểu đồ, đồ thị mô phỏng rất hữu ích và thân thiện với
người sử dụng để so sánh và đánh giá các phương án trong thiết kế và sử dụng.

24


Luận văn Thạc sỹ khoa học

Ngoài phương pháp cổ điển trên, trong quá trình nghiên cứu và tham khảo,
tác giả đề xuất một hướng tính toán khác cho động học và động lực học Robot. Đó
là phương pháp dựa trên phần tử hữu hạn để đánh giá, kết xuất, mô phỏng các kết
quả thông qua sự hỗ trợ của các phần mềm CATIA, ADAMS… Để đánh giá tính
hiệu quả của phương pháp, tác giả đề xuất tính toán giải bài toán động học và động
lực học cho Robot Harmo UE 700W-2R hiện đang được đặt tại phòng thí nghiệm
Robot công nghiệp, thuộc Bộ môn Máy và Ma sát học, Viện Cơ khí, Trường Đại
học Bách khoa Hà Nội.

Hình 1.7: Robot Harmo UE 700W-2R trong phòng thí nghiệm Robot công nghiệp
(C10-104, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội)
Robot Harmo UE 700W-2R đặt tại phòng thí nghiệm là thiết bị hiện đang
hoạt động phục vụ công tác thí nghiệm, thực tập và nghiên cứu cho sinh viên. Mục
đích giúp cho sinh viên chuyên ngành nắm bắt được những kiến thúc cơ bản của kết
cấu cũng như điều khiển đối tượng Robot công nghiệp trong thực tế sản xuất.
Nhưng do thiếu độ chính xác về vị trí bởi các vấn đề về động lực học do các ảnh
hưởng của rung động trong quá trình di chuyển nên khó đạt được sự chính xác, đáp
ứng với các công việc phức tạp hơn. Do vậy Robot Harmo cần được nghiên cứu về
các vấn đề liên quan đến động học và động lực học.
25