xây dựng mô hình toán học, mô phỏng cánh tay robot và nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển cánh tay robot

LỜI CẢM ƠN
Đồ án tốt nghiệp hoàn thành cũng là lúc sinh viên năm cuối trường Đại học Sư
phạm Kỹ thuật Hưng Yên chuẩn bị tốt nghiệp ra trường và bước sang một cánh cửa
mới của cuộc đời. Sau bốn năm học tập và rèn luyện, chắc hẳn mỗi chúng ta cũng tích
lũy cho mình những kinh nghiệm và bài học quý giá trong học tập cũng như trong cuộc
sống, nó chính là hành trang để sau này chúng ta một phần nhỏ vào công cuộc xây
dựng đất nước.
Để hoàn thành được đồ án này, nếu không có sự giúp đỡ động viên từ nhiều
phía chắc chắn chúng em khó đạt được thành quả như vậy. Đó là sự hướng dẫn nhiệt
tình của các thầy cô khoa Điện – Điên tử, các thầy cô tổ bộ môn và đặc biệt là thầy
Đào Minh Tuấn, đã tạo điều kiện, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình chúng em rất nhiều
trong quá trình tìm hiểu cũng như thực hiện đề tài. Các thầy cô cũng luôn khuyến
khích về mọi mặt giúp chúng em có tinh thần thoải mái để làm việc.
Đó là sự ủng hộ động viên về vật chất và tinh thần từ phía gia đình, bạn bè là chỗ dựa
vững chắc giúp chúng em lấy lại động lực để tiếp tục hoàn thành mỗi khi gặp khó
khăn.
Không chỉ có vậy mà qua đồ án tốt nghiệp này, chúng em đã học hỏi và trưởng thành
lên rất nhiều từ thái độ đối với công việc, tác phong làm việc, cộng tác nhóm hay cách
xử lý tình huống…
Chúng em xin chân thành cảm ơn!

1


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN........................................................................................................1
MỤC LỤC.............................................................................................................2
DANH MỤC KÝ HIỆU.........................................................................................4
DANH MỤC HÌNH ẢNH.....................................................................................5
DANH MỤC BẢNG BIỂU...................................................................................5

MỞ ĐẦU...............................................................................................................6
1. Tính cấp thiết của đề tài..........................................................................................6
2. Mục tiêu nghiên cứu...............................................................................................7
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài...............................................................7
4. Phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa của đề tài...........................................................7
5. Nội dung của đề tài.................................................................................................7

Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN.................................................................9
1.1. Robotics............................................................................................................9
1.1.1. Tự động hoá và robot công nghiệp.............................................................9
1.1.2. Lịch sử phát triển của Robot.....................................................................12
1.1.3. Các khái niệm và định nghĩa về robot công nghiệp..................................14
1.1.4. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp.....................................................18
1.1.5. Kết cấu của tay máy.................................................................................19
1.1.6. Phân loại Robot công nghiệp....................................................................21
1.2. Bài toán động học thuận.................................................................................22
1.2.1. Phương pháp Denavit-Hartenberg............................................................22
1.2.2. Phương pháp Craig...................................................................................25
1.4. Động lực học robot.........................................................................................29
1.5. Phương pháp điều khiển PD bù trọng trường..................................................30

Chương 2 ỨNG DỤNG TOOLBOX XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ
MÔ PHỎNG CÁNH TAY ROBOT.....................................................................34
2


2.1. Cấu trúc động học của Robot..........................................................................34
2.2. Bài toán động học thuận.................................................................................34
2.2.1. Thiết lập hệ phương trình động học..........................................................34
2.2.2 Tính toán động học thuận cánh tay robot...................................................37

2.2.3 Mô phỏng cánh tay robot...........................................................................37
2.3. Bài toán động học ngược................................................................................40
2.3.1. Giải bài toán động học ngược bằng phương pháp giải tích.......................40
2.3.2. Mô phỏng cánh tay robot..........................................................................42
2.4. Xây dựng mô hình toán học của robot công nghiệp........................................44
2.4.1. Tọa độ các điểm trọng tâm của thanh nối trên hệ tạo độ O(x,y,z).............44
2.4.2. Vận tốc dài tại các điểm trọng tâm của các thanh nối...............................44
2.4.3. Vân tốc góc của các khớp.........................................................................45
2.4.4. Động năng của các khâu...........................................................................45
2.4.5. Thế năng của các khâu..............................................................................46

Chương 3 ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT BẰNG PHƯƠNG PHÁP PD BÙ
TRỌNG TRƯỜNG..............................................................................................49
3.1. Sơ đồ sử dụng thuật toán điều khiển chuyển động của cánh tay robot RRR
trong không gian khớp...........................................................................................49

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................................53
1. Kết quả đạt được:..................................................................................................53
2. Những hạn chế:.....................................................................................................54
3. Hướng phát triển của để tài:..................................................................................54
4. Kiến nghị............................................................................................................... 54

PHỤ LỤC............................................................................................................56

3


DANH MỤC KÝ HIỆU
STT

Ký hiệu

Ý nghĩa

1

C1

Cos ( q1 )

2

C2

Cos ( q2 )

3

C3

Cos ( q3 )

4

C22

Cos ( 2q2 )

5

C23

Cos ( q2 + q3 )

6

C223

Cos ( 2q2 + q3 )

7

C2223

Cos ( 2q2 + 2q3 )

8

S1

Sin ( q1 )

9

S2

Sin ( q2 )

10

S3

Sin ( q3 )

11

S 22

Sin ( 2q2 )

12

S 23

Sin ( q2 + q3 )

13

S 223

Sin ( 2q2 + q3 )

14

S 2223

Sin ( 2q2 + 2q3 )

4

DANH MỤC HÌNH ẢNH
DANH MỤC BẢNG BIỂU

5


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Robot công nghiệp từ khi mới ra đời đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới
góc độ thay thế sức người. Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp là nhằm góp phần
nâng cao năng suất, giảm giá thành, tăng chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản
phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Đạt được các mục tiêu trên là nhờ vào
những khả năng to lớn của robot như: làm việc không biết mệt mỏi, chịu được phóng
xạ và các môi trường làm việc độc hại, nhiệt độ cao... Trong ngành cơ khí, robot được
sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ hàn, cắt kim loại, sơn, phun phủ kim
loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm...
Ngoài các phân xưởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng được sử dụng trong việc khai
thác thềm lục địa, đại dương, y học, quốc phòng, vũ trụ, công nghiệp nguyên tử và các
lĩnh vực xã hội khác... Rõ ràng là khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện
cụ thể vượt trội hơn khả năng của con người; do đó nó là phương tiện hữu hiệu để tự
động hoá, nâng cao năng suất lao động, giảm nhẹ cho con người trong những công
việc nặng nhọc và độc hại.
Để có được sản phẩm robot hoàn thiện đòi hỏi sự kết hợp nghiên cứu của nhiều
lĩnh vực khoa học khác nhau như: cơ khí, điện, điện tử, kỹ thuật điều khiển, công nghệ
thông tin, ... Chính vì vậy robot thực sự là kết hợp hoàn hảo của công trình nghiên cứu
đa lĩnh vực.
Cánh tay robot là một trong những đối tượng được sử dụng phổ biến và mang lại
hiệu quả trong sản xuất và sinh hoạt. Các bài toán động học, động lực học là các vẫn
đề đnag được đề cập rộng khắp nằm nâng cao chất lượng điều khiển thao yêu cầu,

nâng cao tuổi thọ, độ bền cơ cấu… Các bài toán điều khiển luôn dành được sự quan
tâm của các nhà khoa học nghiên cứu nâng cao chất lượng cánh tay robot, giảm nhiễu
tác động.
Chính vì vậy, xây dựng mô hình toán học, mô phỏng cánh tay robot và nâng cao
chất lượng hệ thống điều khiển cánh tay robot chính là hướng mà đề tài chọn để nghiên
cứu.
6


2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu ứng dụng Toolbox vào việc xây dựng mô hình
toán học, mô phỏng cánh tay robot và điều khiển cánh tay robot bằng phương pháp PD
bù trọng trường.
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài
- Đối tượng nghiên cứu: Cánh tay robot 3 RRR bậc tự do.
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu bài toán động học thuận, bài toán động học ngược
để mô phỏng cánh tay robot. Nghiên cứu bài toán động lực học để xây dựng mô hình
toán học của robot. Nghiên cứu phương pháp điều khiển PD bù trọng trường để điều
khiển cánh tay robot.
4. Phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa của đề tài
- Phương pháp nghiên cứu:
+ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
+ Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Ý nghĩa luận án:
+ Ý nghĩa khoa học: Luận án nghiên cứu bài toán động học và động lực học để xây
dựng mô hình toán học của cánh tay robot, phương pháp PD bù trọng trường để điều
khiển cánh tay robot.
+ Ý nghĩa thực tiễn: Luận án mô phỏng được cánh tay robot và kiểm chứng ứng dụng
thực tế của thuật toán PD bù trọng trường trong luận án bằng các Toolbox trong
Matlab.

5. Nội dung của đề tài
Bố cục của đề tài bao gồm:
Mở đầu
Nội dung chính của phần này là tính cấp thiết của đề tài, mục tiêu của đề tài, đối
tương phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa luận án, nội dung đề tài.
Chương 1: Giới thiệu tổng quan

7


Nội dung chính của chương này là robotics, bài toán động học thuận, bài toán
động học ngược, bài toán động lực học, phương pháp điều khiển PD bù trọng trường
Chương 2: Ứng dụng Toolbox xây dựng mô hình toán học và mô phỏng cánh
tay robot
Nội dung chính của chương này là giải bài toán động học thuận, giải bài toán
động học ngược, giải bài toán động lực học để xây dựng mô hình toán học của canh
tay robot và mô phỏng cánh tay robot.
Chương 3: Ứng dụng phương pháp PD bù trọng trường để điều khiển cánh tay
robot
Nội dung chính của chương này là mạch mô phỏng phương pháp PD bù trọng
trường và kết quả điều khiển cánh tay robot.
Chương 4:Kết luận
Kết quả đạt được, những hạn chế và hướng phát triển của đề tài.

8


Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1. Robotics
1.1.1. Tự động hoá và robot công nghiệp

Thuật ngữ robot có nguồn gốc từ khoa học viễn tường. Từ "Robota" lần đầu tiên
xuất hiện năm 1920 trong một vở kịch của nhà viết kịch người Tiệp Karel Capek, trong
đó ông đã mô tả một "nhân vật" có thể ứng xử như con người, có khả năng làm việc
khoẻ gấp đôi con người, nhưng không có cảm tính, cảm giác như con người. Sự phát
triển của lĩnh vực robot bắt đầu từ 40 năm sau đó.
Robot được định nghĩa dưới dạng các khía cạnh khác nhau. Robot được coi là một
tay máy có một vài bậc tự do, có thể được điều khiển bằng máy tính. Một định nghĩa
khác về robot công nghiệp hiện nay được chấp nhận là: robot công nghiệp là một cơ
cấu cơ khí có thể lập trình được và có thể thực hiện những công việc có ích một cách
tự động không cần sự giúp đỡ trục tiếp của con người. Hiệp hội những nhà chế tạo nhà sử dụng đưa ra định nghĩa robot như sau: Robot là một thiết bị có thể thực hiện
được các chức năng bình thường như con người và có thể hợp tác nhau một cách thông
minh để có được trí tuệ như con người. Trong Bách khoa toàn thư mới (phiên bản 7.0
1995) viết: "Robot có thể định nghĩa là một thiết bị tự điều khiển hoàn toàn bao gồm
các bộ phận điện tử, điện và cơ khí,..."
Tự động hoá (Automation) và kỹ thuật robot (Robotics) là hai lĩnh vực có liên quan
mật thiết với nhau. Về phương diện công nghiệp, tự động hoá là một công nghệ liên
kết với sử dụng các hệ thống cơ khí, điện tử và hệ thống máy tính trong vận hành và
điều khiển quá trình sản xuất. Ví dụ, dây chuyền vận chuyển, các máy lắp ráp cơ khí,
Các hệ thống điều khiển phản hồi, các máy công cụ điều khiển chương trình số và
robot. Như vậy, có thể coi robot là một dạng của thiết bị tự động hoá công nghiệp.
Có ba loại hê thống tự động hoá công nghiệp: Tự động hoá cố định, tự động hoá lập
trình và tự động hoá linh hoạt. Tự động hoá cố định được sử dụng ở những dây chuyền

9


sản xuất với số lượng sản phẩm lớn, do dó cần thiết kế các thiết bị đặc biệt để sản xuất
các sản phẩm với số lượng lớn và hiệu suất rất cao.
Công nghiệp sản xuất ôtô có thế coi là một ví dụ điến hình. Tính kinh tế của tự
động hoá cố định khá cao do giá thành thiết bị chuyên dụng đuợc chia đều cho số

lượng lớn các đơn vị sản phẩm, dẫn đến giá thành trên một đơn vị sản phẩm thấp hơn
so với các phương pháp sản xưất khác. Tuy nhiên vốn đầu tư của hệ thống tự động hoá
cố định cao, do đó nếu số lượng sản phẩm nhỏ hơn thiết kế, giá thành sản phẩm sẽ rất
cao. Mặt khác, các thiết bị chuyên dùng được thiết kế cho sản xuất một loại sản phẩm,
sau khi chu kỳ sản phẩm kết thúc, các thiết bị chuyên dụng đó sẽ trở thành lạc hậu.
Tự động hóa lập trình được sử dụng ở quá trình sản xuất với sản phẩm đa dạng và
số lượng sản phẩm tương đối thấp. Trong hệ thống tự động hoá này, các trang thiết bị
sản xuất được thiết kế để thích nghi với các dạng sản phẩm khác nhau. Chương trình sẽ
được lập trình và được đọc vào các thiết bị sản xuất ứng với các loại sản phẩm cụ thể.
Về khía cạnh kinh tế, giá thành trang thiết bị lập trình có thể phân bộ cho số lượng lớn
sản phẩm, ngay cả với các loại sản phẩm khác nhâu.
Tự động hoá linh hoạt hoặc hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS), hệ thống sản xuất
tích hợp máy tính (hình 1.1). Ý tưởng của dạng tự động hoá linh hoạt mới được pháp
triển và áp dụng vào thực tế quãng 20-25 năm cho thấy phạm vi ứng dụng thích hợp
nhất đối với quá trình sản xuất có số lượng sản phẩm trung bình. Dạng tự động hoá
linh hoạt sẽ bao gồm các đặc điểm của hai dạng tự động hoá cố định và lập trình. Nó
cần được lập trình cho các loại sản phẩm khác nhau, nhưng số dạng sản phẩm khác
nhau sẽ hạn chế hơn loại tự dộng hoá lập trình. Hê thống sản xuất bao gồm nhiều trạm
làm việc đật nối tiếp nhau trong một dây chuyền. Máy tính trung tâm và hệ thống điều
khiển trung tâm sẽ điều khiển đổng thời các trạm hoạt động.

10


1951

Cơ cấu tay máy điều khiển từ xa có thể mang các vật liệu

1952

phóng xạ được chế tạo.
Mẫu máy điều khiển sổ đầu tiên được trưng bày ở Viên Công

1954
1960

nghệ Massachusetts sau môt vài năm nghiên cứu chế tạo.
G.c. Devol đăng ký bản quyền phát minh thiết kế robot.
Robot "Unimate" đầu tiên đuợc giới thiêu là robot truyền động
thuỷ lực; nó sử dụng dạng nguyên lý điều khiển số cho điều
khiển cơ cấu tay máy.

1961
1962

Công ty Ford lắp đặt Robot Unimate.
Công ty General Motor (GM) lắp đạt robot công nghiệp đầu

1966

tiên (robot unimate) trong dây chuyền sản xuất
Cồng ty Trallfa (Nauy) lắp đặt robot phun sơn.
Robot di chuyển "Shakey" được chế tạo tại Viện Nghiên cứu

1968

Stanford (Mỹ). Robot này được trang bị một số cảm biến tiếp

1970
1971

1973
1974
1974

xúc, máy ảnh, có thể di chuyển trên mặt sàn.
Tay máy Stanford là robot nhỏ điều khiển bằng điện được chế
tạo ở Trường Đại học Stanford (Mỹ).
Hiệp hội robot công nghiệp Nhật Bản (JIRA) bắt đầu đề xuất
sử dụng robot trong công nghiệp Nhật Bản.
Viện Nghiên cứu Stanford (Mỹ) công bố ngôn ngữ lập trình
máy tính đầu tiên cho robot trên là ngôn ngữ WAVE.
Công ty Cincinnati Milacron giới thiệu Robot T3 diều khiển
bằng máy tính.
Robot "Sigma" được sử dụng trong công nghiệp lắp ráp - là
một trong ứng dụng robot trong dây chuyền lắp ráp đầu tiên.

1975

Phòng thí nghiệm Charles Stack Draper (Mỹ) đã chế tạo cơ
cấu nhún có tâm ở xa sử dụng cho robot lắp ráp.
Robot PUMA (máy lắp ráp vạn năng có thể lập trình) được

1976
1978

1978

trình diễn.
Robot T3 của Hãng Cincinnati Milacron được lập trình thực
hiện các công viêc khoan và hàn trên các bộ phân của máy

11
Robot
bay. SCARA được sáng chế cho dây chuyền lắp ráp ở
Trưòng Đại học Yamanashi (Nhật). Một số robot thương mại
này được giới thiệu vào năm 1981.


Hình 1. 1 Quan hệ số loại và số lượng sản phẩm ứng với các dạng tự động hoá.
Robot có liên quan mặt thiết với tự động hoá lập trình. Robot là một máy có khả
năng lập trình và có một số đặc tính như con người. Robot có thể được lập trình để di
chuyển cánh tay thông qua các trình tự chuyển động có tính chu kỳ để thực hiện các
nhiệm vụ khác nhau. Ví dụ, các máy bốc dỡ hàng, robot hàn, sơn... robot cũng được sử
dụng rộng rãi trong hệ thống sản xuất linh hoạt hoặc thậm chí trong hệ thống tự động
hoá cố định. Hệ thống này gồm một số máy, hoặc các robot làm việc cùng nhau được
điều khiển bằng máy tính hoặc bộ điều khiển lập trình. Ví dụ, dây chuyền hàn vỏ ôtô
gồm nhiều cánh tay robot có nhiệm vụ hàn các bộ phận khác nhau. Chương trình lưu
trữ trong máy tính được nạp cho từng robot làm viêc ở mỗi bộ phận của dây chuyển
hàn ôtô. Như vậy đây là một dây chuyền sản xuất linh hoạt với mức độ tự động hoá
cao.
1.1.2. Lịch sử phát triển của Robot
Bảng 1.1 trình bày tóm tắt những điểm mốc chính của lịch sử phát triển công nghệ
robot. Từ thế kỷ 17, một số thiết bị máy móc được chế tạo đã có một số đặc tính làm
việc như robot công nghiệp hiện nay. Jacques de Vancanson đã chế tạo một vài "búp bê
nhạc sĩ". Năm 1805 Henri Maillarder đã chế tạo những con búp bê cơ khí có khả năng
vẽ tranh. Trong các đồ chơi đó, một số cơ cấu cam được sử dụng như một chương trình
điều khiển thiết bị vẽ và viết. Trong cuộc cách mạng công nghiệp, có một số phát minh
cơ khí khác trong lĩnh vực dệt, điển hình là khung dệt vải của Jacquard (1801)
Bảng 1. 1 Một số điểm mốc của lịch sử phát triển công nghệ robot

12

1979
Thời gian

Robot công nghiệp bắt đầu một thời kỳ phát triển nhanh, với
Sự kiện quan trọng
các
robot mới.
Giữa thế kỷ 17 J. de Vancanson chế tạo một số búp bê có khí đánh nhạc.
1980
Robot truyền động trực tiếp (DDR) được sáng chế ở Trường
J. Jacquard phát minh khung dệt vải có thể lập trình
1801
Đại học Camegie-Mellon.
1805
H. Maillader chế tạo búp bê cơ khí biết vẽ tranh.
1981
Hãng
máy(Mỹ)
tính IBM
chếkế
tạomột
Robot
cho lắpđộng
ráp. động cơ
s. Babbitt
đã thiết
cẩn RS-1
trục truyền

1892
1982
Một số hệ thống lập trình "OFF-line" được trình diễn cho
có cơ cấu kẹp để gắp thỏi thép đúc ra khỏi lò nung.
robot.
w. Pollard
và H. tiếp
Roselund
(Mỹ)
đãmạnh
thiết kế
cơvào
cấutích
phun
1984
Ứng
dụng robot
tục phát
triển
tậpmột
trung
1938
sơn lập trình cho Công ty DeVilbiss
hợp.
G.c. Devol (Mỹ) sáng chế thiết bị điều khiển có thể ghi lại
1986
Ứng dụng robot tiếp tục phát triển mạnh mẽ tập trung vào tích
1946
những tín hiệu điên bằng từ hoá, sau đó được sử dụng để điều
hợp robot trong các dây chuyền sản xuất linh hoạt (FMS) và hệ

khiển một máy cơ khí.
thống CIM.
Bước phát triển mới của nền kinh tế thế giới với tập trung sản
1991

xuất các sản phẩm phức tạp và ứng dụng công nghệ vi điện tử
và cồng nghệ hiển thị trong robot của dây chuyền sản xuất tự
động hóa.

Vào những năm đầu thế kỷ 20, điều khiển số và cơ cấu điều khiển từ xa là hai
công nghệ quan trọng trong sự phát triển của robot. Điều khiển số (Numrical Control)
được phát triển cho máy công cụ cuối năm 1940, đầu năm 1950. Năm 1952, Viện
Massachusetts (MIT, Mỹ) đã trình diễn máy phay 3 trục điều khiển số. Lĩnh vực điều
khiển xa liên quan với việc sử dụng cơ cấu điều khiển xa (Teleoperator). Đó là một cơ
cấu cơ khí thực hiện chuyển động ở khoảng cách xa dưới sự điều khiển của con người.
Các cơ cấu tự đông này được chế tạo và sử dụng để mang các vật chất độc hại như chất
phóng xạ vào các năm 1940.
Robot hiện đại là sự kết hợp của kỹ thuật điều khiển số và cơ cấu tự động điều
khiển xa. Thực vậy, robot là một cơ cấu cơ khí với chuyển động được điều khiển bằng
kỹ thuật lập trình tương tự như đã sử dụng trong các máy điều khiển số. Cyril Walter
Kenward (người Anh) là một nhà phát minh đầu tiên đã đăng ký bản quyền cho thiết bị
Robot vào tháng 3/1954 và phát minh của ông đã được thực hiện vào nãm 1957. Người
13


thứ hai là nhà phát minh George c. Devol (người Mỹ) đã có hai phát minh góp phần
vào sự phát triển của robot hiện đại ngày nay. Đó là một thiết bị ghi các tín hiệu điện
bằng từ hoá và sử dụng cho điều khiển các máy. Thiết bị này đã được chế tạo và công
bố vào năm 1952. Phát minh thứ hai là "Thiết bị truyền bài báo được lập trình" được
công bố vào năm 1961. Với sự hợp tác nghiên cứu của Joseph Engelberger là Chủ tịch

Công ty Ultimate và George c. Devol, robot Unimate là robot công nghiệp đáu tiên đã
được xuất hiện trên thị trường năm 1962 ở Mỹ.
Những năm sau đó, nhiều đóng góp giá trị về ngôn ngữ lập trình robot đã đánh
dấu những bước phát triển quan trọng của robot hiện đại. Đó là các công trình nghiên
cứu về ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng cho robot của Viện Nghiên cứu Stanford:
Ngôn ngữ thực nghiêm WAVE(1973) và ngôn ngữ AL (năm 1974). Ngôn ngữ VAL của
Công ty Unimate là ngôn ngữ lập trinh robot thương mại đầu tiên.
1.1.3. Các khái niệm và định nghĩa về robot công nghiệp
1.1.3.1 Định nghĩa robot công nghiệp
Hiện nay có nhiều định nghĩa về Robot, có thể điểm qua một số định nghĩa như
sau:
-

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, đạo cụ, gá lắp… theo
những hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công
nghệ khác nhau.
-

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 dùng thông qua các
chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau.
-

Định nghĩa theo GHOCT 25686-85 (Nga) :

14


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.
Có thể nói Robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phần
hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả
năng thích nghi khác nhau.
Robot công nghiệp có khả năng chương trình hoá linh hoạt trên nhiều trục
chuyển động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng. Robot công nghiệp được trang bị
những bàn tay máy hoặc các cơ cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định
trong các quá trình công nghệ: hoặc trực tiếp tham gia thực hiện các nguyên công (sơn,
hàn, phun phủ, rót kim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy ...) hoặc phục vụ các quá trình
công nghệ (tháo lắp chi tiết gia công, dao cụ, đổ gá . . .) với những thao tác cầm nắm,
vận chuyển và trao đổi các đối tượng với các trạm công nghệ, trong một hệ thống máy
tự động linh hoạt, được gọi là “Hệ thống tự động linh hoạt robot hoá” cho phép thích
ứng nhanh và thao tác đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi.
1.1.3.2 Bậc tự do của robot (DOF: Degrees Of Freedom)
Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc
tịnh tiến). Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của
robot phải đạt được một số bậc tự do. Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do
đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức :
ω = 6n − ∑ iPi

với :

(1)

n - Số khâu động;
pi - Số khớp loại i (i = 1,2,. . .,5 : Số bậc tự do bị hạn chế).

Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh
tiến (khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động. Đối với cơ cấu hở, số
bậc tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động.
Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tuỳ ý trong không gian
3 chiều robot cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để định
hướng. Một số công việc đơn giản nâng hạ, sắp xếp... có thể yêu cầu số bậc tự do ít
15


hơn. Các robot hàn, sơn... thường yêu cầu 6 bậc tự do. Trong một số trường hợp cần sự
khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hoá quỹ đạo,... người ta dùng robot với số
bậc tự do lớn hơn 6.
1.1.3.3. Hệ toạ độ (Coordinate frames)
Mỗi robot thường bao gổm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các khớp
(joints), tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên.

Hình 1. 2 Hệ tọa độ của robot
Hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn).
Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng. Trong
từng thời điểm hoạt động, các toạ độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các
chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay (hình
1.2). Các toạ độ suy rộng còn được gọi là biến khớp.
Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo qui tắc bàn tay phải:
Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xòe 3 ngón: cái, trỏ và
giữa theo 3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của trục z,
thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị phương, chiều của
trục y (hình 1.3).

16


Hình 1. 3 Quy tắc bàn tay phải
Trong robot ta thường dùng chữ O và chỉ số n để chỉ hệ toạ độ gắn trên khâu
thứ n. Như vậy hệ toạ độ cơ bản (hệ toạ độ gắn với khâu cố định) sẽ đuợc ký hiệu là
O0; hệ toạ độ gắn trên các khâu trung gian tuơng ứng sẽ là O1, O2,..., On-1, hệ toạ độ gắn
trên khâu chấp hành cuối ký hiệu là On.
1.1.3.4. Trường công tác của robot (Workspace or Range of motion)
Truờng công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của robot là toàn bộ
thể tích đuợc quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động
có thể. Truờng công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng nhu các
ràng buộc cơ học của các khớp; ví dụ, một khớp quay có chuyển động nhỏ hơn một
góc 3 600. Nguời ta thuờng dùng hai hình chiếu để mô tả truờng công tác của một robot
(hình 1.4).
a)Hình chiếu đứng

b)Hình chiếu bằng

Hình 1. 4 Biểu diễn trường công tác của robot.
17


1.1.4. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp
1.1.4.1. Các thành phần chính của robot công nghiệp
Một robot công nghiệp thường bao gồm các thành phần chính như: cánh tay robot,
nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điều khiển ,
thiết bị dạy học, máy tính ... các phần mềm lập trình cũng nên được coi là một thành
phần của hệ thống robot. Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot như hình 1.5.

Hình 1. 5 Các thành phần chính của hệ thống robot.
Cánh tay robot (tay máy) là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bằng các
khớp động để có thể tạo nên những chuyển động cơ bản của robot.
Nguồn động lực là các động cơ điện (một chiều hoặc động cơ bước), các hệ thống
xy lanh khí nén, thuỷ lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động.
Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ của robot có thể có
nhiều kiểu khác nhau như: dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm
việc như mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn ...
Thiết bị dạy-hoc (Teach-Pendant) dùng để dạy cho robot các thao tác cần thiết theo
yêu cầu của quá trình làm việc, sau đó robot tự lặp lại các động tác đã được dạy để làm
việc (phương pháp lập trình kiểu dạy học).
Các phần mềm để lập trình và các chương trình điều khiển robot được cài đặt trên
máy tính, dùng điều khiển robot thông qua bộ điều khiển (Controller). Bộ điều khiển
còn được gọi là Mođun điều khiển (hay Unit, Driver), nó thường được kết nối với máy
18


tính. Một mođun điều khiển có thể còn có các cổng Vào - Ra (I/O port) để làm việc với
nhiều thiết bị khác nhau như các cảm biến giúp robot nhận biết trạng thái của bản thân,
xác định vị trí của đối tượng làm việc hoặc các dò tìm khác; điều khiển các băng tải
hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt động phối hợp với robot ...
1.1.5. Kết cấu của tay máy
Như đã nói trên, tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm
việc của robot. Các kết cấu của nhiều tay máy được phỏng theo cấu tạo và chức năng
của tay người; tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay
robot có hình dáng rất khác xa cánh tay người. Trong thiết kế và sử dụng tay máy,
chúng ta cần quan tâm đến các thông số hình - động học, là những thông số liên quan
đến khả năng làm việc của robot như: tầm với (hay trường công tác), số bậc tự do (thể
hiện sự khéo léo linh hoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp …

Các khâu của robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản:
+ Chuyển động tịnh tiến theo hướng x,y,z trong không gian Đề các, thông thường
tạo nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu là T (Translation) hoặc P
(Prismatic).
+ Chuyển động quay quanh các trục x,y,z ký hiệu là R (Roatation).
Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có các
kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thường gặp của là Robot
là robot kiểu toạ độ Đề các, toạ độ trụ, toạ độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ toạ độ góc
(phỏng sinh) ...
-

Robot kiểu toạ độ Đề các: là tay

máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo
phương của các trục hệ toạ độ gốc (cấu hình
T.T.T). Trường công tác có dạng khối chữ
nhật. Do kết cấu đơn giản,
loại tay máy nầy có độ cứng

Hình 1. 6 Robot kiểu toạ độ Đề các

19


vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó thuờng dùng để vận chuyển phôi
liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng ...
-

Robot kiểu toạ độ trụ: Vùng làm việc của robot có dạng hình trụ rỗng. Thường

khớp thứ nhất chuyển động quay. Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.T.T như hình vẽ
1.7. Có nhiều robot kiểu toạ độ trụ như: robot Versatran của hãng AMF (Hoa Kỳ).
-

Robot kiểu toạ độ cầu: Vùng làm việc của

Hình 1. 7 Robot kiểu toạ độ trụ

robot có dạng hình cầu thường độ cứng vững của loại robot nầy thấp hơn so với hai
loại trên. Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu toạ độ

cầu (hình 1.8).
Hình 1. 8 Robot kiểu toạ độ cầu
-

Robot kiểu toạ độ góc (Hệ toạ độ phỏng sinh): 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 hai trục kia. Các chuyển động định hướng khác cũng là các chuyển
động quay. Vùng làm việc của tay máy này gần giống một phần khối cầu. Tất cả các
khâu đều nằm trong mặt phẳng thẳng đứng nên các tính toán cơ bản là bài toán phẳng.
Ưu điểm nổi bật của các loại robot hoạt động theo hệ toạ độ góc là gọn nhẹ, tức là có
vùng làm việc tương đối lớn so với kích cở của bản thân robot, độ linh hoạt cao.
Các robot hoạt động theo hệ toạ độ góc như: Robot PUMA của hãng Unimation Nokia (Hoa Kỳ - Phần Lan), IRb-6, IRb-60 (Thuỵ Điển), Toshiba, Mitsubishi, Mazak
(Nhật Bản) ...
Robot có cấu hình RRR.RRR hoạt động theo hệ toạ độ góc như hình 1.9.

20

Hình 1. 9 Robot hoạt động theo hệ toạ độ góc.
-

Robot kiểu SCARA: Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại học

Yamanashi (Nhật Bản) là một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá
trình sản xuất. Tên gọi SCARA là viết tắt của "Selective Compliant Articulated Robot
Arm”: Tay máy mềm dẻo tuỳ ý. Loại robot nầy thường dùng trong công việc lắp ráp
nên SCARA đôi khi được giải thích là từ viết tắt của "Selective Compliance Assembly
Robot Arm”. Ba khớp đầu tiên của kiểu Robot nầy có cấu hình R.R.T, các trục khớp
đều theo phương thẳng đứng. Sơ đổ của robot SCARA như hình 1.10.

Hình 1. 10 Robot kiểu SCADA
1.1.6. Phân loại Robot công nghiệp
Robot công nghiệp rất phong phú đa dạng, có thể được phân loại theo các cách sau:
-

Phân loại theo kết cấu:

Theo kết cấu của tay máy người ta phân thành robot kiểu toạ độ Đề các, Kiểu toạ độ
trụ, kiểu toạ độ cầu, kiểu toạ độ góc, robot kiểu SCARA như đã trình bày ở trên.
-

Phân loại theo hệ thống truyền động:
21


Có các dạng truyền động phổ biến là :
+ Hệ truyền động điện: Thường dùng các động cơ điện 1 chiều (DC: Direct
Current) hoặc các động cơ bước (step motor). Loại truyền động này dễ điều khiển, kết

cấu gọn.
+ Hệ truyền động thuỷ lực: có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều kiện
làm việc nặng. Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh, tổn 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 dẫn ngược nhưng
lại phải gắn liền với trung tâm taọ ra khí nén. Hệ này làm việc với công suất trung bình
và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động theo chương trình
định sẳn với các thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống” (Pick and Place or PTP:
Point To Point).
-

Phân loại theo ứng dụng :

Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp,
robot chuyển phôi ...
-

Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển :

Có robot điều khiển hở (mạch điều khiển không có các quan hệ phản hổi), Robot
điều khiển kín (hay điều khiển servo) : sử dụng cảm biến, mạch phản hổi để tăng độ
chính xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển.
Ngoài ra còn có thể có các cách phân loại khác tuỳ theo quan điểm và mục đích nghiên
cứu.
1.2. Bài toán động học thuận
Nội dung của bài toán động học thuận là cho biết chuyển động của các tọa độ khớp,
ta cần xác định chuyển động của tọa độ khâu thao tác cuối.
1.2.1. Phương pháp Denavit-Hartenberg
Một robot nhiều khâu cấu thành từ các khâu nối tiếp nhau thông qua các khớp
động. Gốc chuẩn (Base) của một robot là khâu số 0 và không tính vào số các khâu.

Khâu 1 nối với khâu chuẩn bởi khớp 1 và không có khớp ở đầu mút của khâu cuối
cùng. Bất kỳ khâu nào cũng được đặc trưng bởi hai kích thước:
22


- Độ dài pháp tuyến chung : an
- Góc giữa các trục trong mặt phẳng vuông góc với an : αn

Hình 1. 11 Các thông số của khâu : θ, d, a và α
Trong đó:
-

an là độ dài đường vuông góc chung giữa 2 trục quay của khớp động n+1 và n

-

αn là góc chéo giữa 2 trục khớp động n+1 và n.

-

dn là khoảng cách đo dọc trục khớp động thứ n từ đường vuông góc chung giữa

trục khới động thứ n+1 và trục khớp động n tới đường vuông góc chung giữa khớp
động n với trục khớp n-1.
-

θn là góc giữa hai đường vuông góc chung nói trên.

Mỗi trục sẽ có hai pháp tuyến với nó, mỗi pháp tuyến dùng cho mỗi khâu (trước và
sau một khớp). Vị trí tương đối của hai khâu liên kết như thế được xác định bởi d n là

khoảng cách giữa các pháp tuyến đo dọc theo trục khớp n và 9n là góc giữa các pháp
tuyến đo trong mặt phẳng vuông góc với trục.
-

dn và θn thường được gọi là khoảng cách và góc giữa các khâu.

1.2.1.1. Quy ước hệ tọa độ theo Denavit-Hartenberg

23


- Trục zi được chọn dọc theo trục của khớp thứ (i+1). Hướng của phép quay và
phép tịnh tiến được chọn tùy ý.
- Trục xi được xác định dọc theo đường vuông góc chung giữa trục khớp động thứ i
và (i+1), hướng từ khớp động thứ i tới trục (i+1).
- Gốc tọa độ Oi-1 được chọn tại giao điểm của trục xi-1 và trục zi-1
- Trục yi xác định sao cho hệ Oxiyizi là hệ tọa độ thuận.
1.2.1.2. Các tham số động học Denavit-Hartenberg
Vị trí của hệ tọa độ khớp (Oxyz)i đối với hệ tọa độ khớp (Oxyz)i-1 được xác định
bởi bốn tham số
-

i

i

, di, ai,

i

như sau:

là góc quay quanh trục zi-1 để trục xi-1 chuyển đến trục x’i (x’i// xi)

- di là dịch chuyển tịnh tiến dọc trục zi-1 để gốc tọa độ Oi-1 chuyển đến O’i là giao
điểm của trục xi và trục zi-1 .
- ai là dịch chuyển tịnh tiến dọc trục xi để điểm O’i chuyển đến điểm Oi.
-

i

là góc quay quanh trục zi sao cho trục z’i-1 (z’i-1 // zi-1) chuyển đến trục zi.

1.2.1.3 Ma trận Denavit-Hartenberg
Ta có thể chuyển hệ tọa độ khớp (Oxyz)i-1 sang hệ tọa độ khớp (Oxyz)i bằng bốn
phép biến đổi cơ bản như sau:
- Quay quanh trục zi-1 một góc

i

.

- Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục zi-1 một đoạn di.
- Dịch chuyển tịnh tiến dọc trục xi một đoạn ai.
- Quay quanh trục xi một góc

i

.

Ma trận của phép biến đổi, ký hiệu là i-1Ai, là tích của bốn ma trận biến đổi cơ bản
và có dạng như sau:

24


 cos θ i

sinθ i
i −1
Ai = 
 0

 0
 cos θi

sin θi
= 
0

 0

−sinθ i
cos θ i
0
0

0 01
÷
0 0 ÷ 0

1 0 ÷ 0
÷
0 10

− sin θi cos α i
cos θi cos α i
sin α i
0

0 1
÷
0 ÷ 0
0 1 di ÷ 0
÷
0 0 1 0

0 0
1 0

sin θ i sin α i
− cos θi sin α i
cos α i
0

0 0 ai   1
0
÷
1 0 0 ÷ 0 cos α i
0 1 0 ÷ 0 sin α i
÷

0 0 1 0
0

0
− sin α i
cos α i
0

0
÷
0÷
0÷
÷
1

ai cos θi 
÷
ai sin θi ÷
di ÷
÷
1 

1.2.2. Phương pháp Craig
Phương pháp ma trận Craig là một phương pháp tính toán hệ nhiều vật được lấy tên
theo tên một nhà khoa học người Mỹ, người đã đề xuất cách chọn hệ tọa độ mới.
phương pháp này gần tương tự như phương pháp ma trận Denavit-Hartenberg, nhưng
có một số đặc điểm khác về cách chọn gốc tọa độ và các trục của hệ tọa độ khớp.
1.2.2.1. Cách xác định các trục của hệ tọa độ khớp
- Trục zi chọn lọc theo trục khớp động thứ i
- Trục xi được chọn theo đường vuông góc chung của hai trục zi và zi+1, hướng từ zi

tới zi+1
- Gốc tọa độ Oi là giao điểm của xivà zi
- Trục yi được chọn sao cho {Oxyz}i là hệ quy chiếu thuận
1.2.2.2. Các tham số động học Craig
-

i

là góc quay quanh trục xi-1 để trục zi-1 chuyển đến trục z’i song song với trục zi

(z’i//zi).
- ai-1 là dịch chuyển tịnh tiến dọc trục xi-1 để điểm Oi-1 chuyển đến điểm O’i (O’i là
giao điểm trục xi-1 và zi).
-

i

là góc quay quanh trục zi sao cho trục xi-1 tiến tới trục x’i (x’i// xi).

- di là dịch chuyển tịnh tiến dọc trục zi để để trục zi tiến tới trục xi ( hay điểm O’i
tiến tới điểm Oi).
1.2.2.3. Ma trận Craig
25