Xây dựng phương trình động lực học cho robot 2 bậc tự do

1

TRƯỜNG ĐH KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

2

KHOA ĐIỆN
----------

3

4
5

ĐỒ ÁN 3

6
7

Đề tài: Xây dựng phương trình động học và thiết kế bộ điều khiển thích nghi
giả định rõ

8

Họ và tên sinh viên: Bùi Anh Tiến

9

Khoa

:

10

Lớp

: TDH 9A2

11

Mã SV

: 15104300001

12

GVHD

: NGUYỄN CAO CƯỜNG

13
14
15
16

Hà Nội-2018

Điện


GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG

Mục Lục

17
18Lời

nói đầu...............................................................................................................5

19 Chương

I: Tổng quan về robot...............................................................................7

20

1.1 Lịch sử phát triển..............................................................................................7

21

1.2 Phân loại robot...............................................................................................10

22

1.2.1Phân loại robot theo dạng hình học của không gian hoạt động.................10

23

.1.2.2.Phân loại robot theo thế hệ......................................................................18

24

1.2.3.Phân loại robot theo hệ điều khiển...........................................................19

25

1.3. Ứng dụng của Robot công nghiệp :...............................................................21

26

1.3.1.Mục tiêu ứng dụng Robot công nghiệp :..................................................21

27

1.3.2.Các lĩnh vực ứng dụng Robot công nghiệp :............................................21

28

1.3.3. Các xu thế ứng dụng Robot trong tương lai :..........................................22

29

1.3.4. Tình hình tiếp cận và ứng dụng Robot công nghiệp ở Việt Nam :..........22

30

1.3.Cấu trúc của Robot công nghiệp:...................................................................23

31

1.3.1.Các bộ phận cấu thành Robot công nghiệp :............................................23

32

1.4.Bậc tự do và các toạ độ suy rộng :.................................................................24

33

1.4.1.Bậc tự do :................................................................................................24

34

1.4.2. Toạ độ suy rộng :.....................................................................................24

35

1.4.3Nhiệm vụ lập trình điều khiển Robot:.......................................................25

36

1.4.3.1. Định vị và định hướng tại “điểm tác động cuối” :............................25

37 CHƯƠNG II: HỆ PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC
38CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP...........................................................................26
39

2.1. Hệ phương trình động học Robot :................................................................26

40

2.1.1. Đặt vấn đề :.............................................................................................26

41

2.1.2. Xác định trạng thái của Robot tai điểm tác động cuối :..........................26

42

2.1.3. Mô hình động học :.................................................................................27

43

2.1.3.1. Ma trận quan hệ :..............................................................................27

44

2.2 Phương trình động học thuân robot................................................................28

45

2.2.1. Tham số của các thanh nối và khớp........................................................31

46

2.2.2. Thiết lập hệ tọa độ...................................................................................31

47

2.2.3. Xây dựng phương trình động học thuận cho robot.................................32
SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

2

GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG
48

2.2.4 Hệ phương trình động học thuận là :.......................................................34

49

2.3. Xây dựng phương trình động học ngược cho robot......................................34

50

2.4 Xây dựng quan hệ tốc độ của các khớp và tốc độ của tay robot....................39

51

2.4.1 Động năng thành nối 1:............................................................................42

52

Động năng thanh nối 1:.....................................................................................43

53

2.4.2 Thế năng thanh nối 1 :..............................................................................43

54

2.4.3 Động năng thanh nối 2:............................................................................43

55

2.4.4 Thế năng thanh nối 2:...............................................................................44

56

2.4.5 Thiết lập hàm Lagrange của robot:..........................................................44

57

2.4.6 Phương trình động lực:.............................................................................45

58

2.4.7 Quan hệ giữa tốc độ của khớp và tốc độ của cánh tay robot:...................45

59 Chương

3: Viết hàm Matlab.................................................................................46

60

3.1. Tổng quan về Matlab-Simulink:....................................................................46

61

3.2 Yêu cầu của đề................................................................................................47

62

3.2.1 Hàm dhrobot(t, td): xác định vị trí khớp 1 và khớp 2..............................48

63

3.2.3 Hàm veloe để xác định tốc độ tay Robot.................................................50

64

3.2.4 Hàm xác định...........................................................................................50

65 Chương4: Thiết

kế “ bộ điều khiển thích nghi giả định rõ “ cho Robot..........53

66

4.1 Bộ điều khiển thích nghi................................................................................53

67

4.1.1 Khái niệm.................................................................................................53

68

4.2 Phân loại bộ điều khiển thích nghi.................................................................53

69

4.3 Điều khiển thích nghi trong không gian biến khớp........................................54

70

4.3.1 Các dạng mô hình hệ Euler-Lagrange......................................................54

71

4.4 Mô phỏng bộ điều khiển thích nghi................................................................56

72

4.4.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển...................................................................56

73

4.4.2 Chương trình............................................................................................57

74

4.4.3 Mô phỏng ta thu được kết quả:................................................................61

75
76
77
SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

3


GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG
78

79

Nhận xét của giảng viên

80

……………………………………………………………………………
82 ……………………………………………………………………………
83 ……………………………………………………………………………
84 ……………………………………………………………………………
85 ……………………………………………………………………………
86 ……………………………………………………………………………
87 ……………………………………………………………………………
88 ……………………………………………………………………………
89 ……………………………………………………………………………
90 ……………………………………………………………………………
91 ……………………………………………………………………………
92 ……………………………………………………………………………
93 ……………………………………………………………………………
94…………………………………………………………………………….
81

Hà Nội , Ngày…….tháng......năm………..

95

Giảng viên hướng dẫn

96
97

98
99
100
101
102
103

SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

4


GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG

Lời nói đầu

104

Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước vấn đề tự động hoá
106sản xuất có vai trò đặc biệt quan trọng.
105

Mục tiêu ứng dụng kỹ thuật Robot trong công nghiệp nhằm nâng cao năng
108suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản
109phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Sự cạnh tranh hàng hoá đặt ra một
110vấn đề thời sự là làm sao để hệ thống tự động hoá sản xuất phải có tính linh hoạt
111nhằm đáp ứng với sự biến động thường xuyên của thị trường hàng hoá. Robot công
112nghiệp là bộ phận cấu thành không thể thiếu trong hệ thống sản xuất tự động linh
113hoạt đó.
107

Gần nửa thế kỉ có mặt trong sản xuất. Robot công nghiệp đã có một lịch sử
115phát triển hấp dẫn. Ngày nay, Robot công nghiệp được dùng rộng rãi ở nhiều lĩnh
116vực sản suất. Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của các loại Robot đã
117được lựa chọn và đúc kết qua bao nhiêu năm ứng dụng ở nhiều nước.
114

Ở nước ta, trước những năm 1990 hầu như chưa du nhập về kỹ thuật Robot.
119Từ năm 1990 nhiều cơ sở công nghiệp đã bắt đầu nhập ngoại nhiều loại Robot
120phục vụ các việc như tháo lắp dụng cụ cho các trung tâm CNC, lắp ráp các linh
121kiện điện tử, hàn vỏ xe ô tô, xe máy và phun phủ bề mặt … Có những nơi đã bắt
122đầu thiết kế chế tạo và lắp ráp Robot. Có thể nói, Robot đã và đang góp phần rất
123lớn vào sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Với những ý nghĩa to
124lớn đó của Robot công nghiệp, chắc chắn ngành công nghiệp chế tạo và ứng dụng
125Robot sẽ phát triển rất mạnh trong tương lai.
118

Trong lĩnh vực Robot hiện nay, phần Cơ khí (Robot Mechanics), hệ thống
127Điều khiển (Robot control) và hệ thống Lập trình (Programming system) được coi
128là các thành phần độc lập và được các nhà sản xuất chào bán độc lập. Vì vậy, với
129những kiến thức đã học và được sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy giáo Th.S
130Nguyễn Cao Cường nghiên cứu về đề tài: “Thiết kế bộ Điều khiển cho tay máy
131Robot 2 bậc tự do và mô phỏng trên Matlab – Simulink”.
126

SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

5

GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG
Em có đưa ra một số phương án trình bày trong bản đồ án thiết kế. Tuy
133nhiên với sự hiểu biết và những kiến thức đã học còn hạn chế nên bản đồ án của
134em không tránh khỏi những thiếu sót nhất định .Em rất mong nhận được sự góp ý
135và chỉ bảo của các thầy cô giáo để bản đồ án của em được hoàn thiện hơn
132

Hà Nội ngày…tháng…năm

136

Sinh viên thực hiện

137

Tiến

138

Bùi Anh Tiến

139
140
141
142
143
144
145
146
147

148
149
150

Chương I: Tổng quan về robot

151
1521.1 Lịch sử phát
153Khái niệm Robot
154người
155mơ

triển
ra đời đầu tiên vào năm 1992 tại NewYork , khi nhà soạn kịch

Tiệp đã tưởng tượng ra một cỗ máy hoạt động một cách tự động , nó niềm

ước của cong người lúc đó .

SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

6


GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG
156Từ

đó ý tưởng thiết kế , chế tạo Robot đã luôn thôi thúc cong người . Đến năm

1571948

158máy
159tay

, tại phòng thí nghiệm quốc gia Argone, Goertz đã chế tạo thành công tay

đôi ( master-slave manimulator). Dến năm 1954, Goertz đã chế tạo thành công

máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết lực tác động nên khâu cuối .

160Năm

1956 , hãng Generall Mills đã chế tạo tay máy hoạt động thám hiểm đại

161dương.
162Năm
163bốn
164hệ

1968 , R.S Mosher, của General Electric đã chế tạo một cỗ máy biết đi bằng

chân . Hệ thống vận hành bởi động cơ đốt trong và mỗi chân vận hành bởi một

thống servo thủy lực

165Năm

1969 , đại học Stanford đã thiết kế được Robot từ vận hành nhờ nhận diện

.

166
167

Hình 1.1 . Robot Shakey.

168Năm
169mặt

1970 , con người đã chế tạo được robot tự hành Lunokohod, thám hiểm bề

của mặt trăng.

170Trong

giai đoạn này , ở nhiều nước khác cũng tiến hành công tác nghiên cữu tương

171tự

, tạo ra các Robot điều khiển bằng máy tính có lắp đặt các loại cảm biến và thiết

172bị

giao tiếp người và máy.

173
174Theo
175hơn

sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật , các Robot ngày càng được chế tạo nhỏ gọn

, thực hiện được nhiều chức năng hơn , thông minh hơn .

SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

7


GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG
176Một

lĩnh vực được nhiều nước quan tâm đó là các Robot tự hành , các chuyển động

177của

chúng ngày càng đa dạng , bắt trước các chuyển động của chân người hay các

178loài

động vật như : bò sát , động vật bốn chân ,…và các loại xe Robot nhanh chóng

179được

ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt .

180
181

Hình 1.2 Mobile Robot và ứng dụng công nghệ xử lí ảnh.

182Từ

đó trở đi , con người tiếp tục nghiên cứu phát triển Robot để ứng dụng trong

183quá

trình tự động hóa sản xuất để tăng hiệu quả kinh doanh. Ngoài ra Robot còn

184được

sử dụng thay cho con người trong các công việc ở môi trường độc hại , khắc

185nghiệt

.

186Chuyên
187trong
188quỹ

ngành khoa học về Robot đã trở thành một trong những lĩnh vực rộng

khoa học , bao gồm các vấn đề về cấu trúc cơ cấu động học , động lực học ,

đạo chuyển động , chất lượng điều khiển , … Tùy thuộc vào mục đích và

189phương

thức tiếp cận , chúng ta có thể tìm hiểu lĩnh vực này ở nhiều khía cạnh

190khác

nhau.

191Hiện

nay , có thể phân biệt các loại Robot ở 2 mảng khác nhau : Các loại Robot

192công

nghiệp , và các loại Robot di động .Mỗi loại có ứng dụng cũng như đặc tính

193khác

nhau.

SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

8


GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG

194
195

Hình1.3 Cánh tay robot 6 bậc tự do

S

196

197

ố lượng robot của một số quốc gia năm 2012

SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

9


GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG
1981.2

Phân loại robot

1991.2.1Phân loại robot theo dạng hình học
200
Bảng 1.4: Các khớp cơ bản được sử dụng

của không gian hoạt động.

201
202
203-

Miền làm việc: là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot

204thực

hiện tất cả các hoạt động có thể

SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

10


GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG

Hình 1.5a : Hình chiếu đứng

205

Hình1.5b : Hình chiếu bằng

206

 Robot tọa độ vuông góc ( kiểu tọa độ Descarte ) :

207
208+

 Không gian làm việc lớn
 HT điều khiển đơn giản
 Dành diện tích sàn lớn cho công việc khác

209
210
211
212+
213
214

Ưu điểm:

Nhược điểm:
 Việc thay đổi không thích hợp về không gian
 Duy trì cơ cấu dẫn động và thiết bị điều khiển gặp nhiều khó khăn

215

SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

11


GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG

216
217

Hình 1.6: Robot tọa độ vuông góc

218
219
220
221

Tay máy kiểu tọa độ

222

Descarte là tay máy có 3

223

chuyển động cơ bản tịnh tiến

224

theo phương của các trục hệ tọa

225

226độ

gốc (cấu hình T.T.T). Trường

227công
228Do

kết cấu đơn giản, loại tay

229máy
230độ

tác có dạng khối chữ nhật.
này có độ cứng vững cao,

chính xác cơ khí dễ đảm bảo

Hình 1.7 : Robot kiểu tọa độ đề các

231

vì vậy nó thường dùng để vận

232
chuyển
233

phôi liệu, lắp ráp, hàn

trong mặt phẳng.

SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

12


GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG
 Robot tọa độ trụ : Có 3 bậc chuyển động cơ bản gồm 2 CĐ tịnh tiến và 1

234

trục quay

235
236+

Ưu điểm:

Có khả năng CĐ ngang và sâu vào các máy sản xuất
238
Cấu trúc theo chiều dọc để lại nhiều khoảng trống cho sàn
239
Kết cấu vững chắc, có khả năng mang tải lớn
240
Khả năng lặp lại tốt
Tay máy kiểu tọa độ trụ
241+ Nhược điểm:
khác với kiểu tay máy
242
 Giới hạn tiến phía trái và
Descartes ở khớp đầu tiên,





237

243
244
245
246
247
248
249
250
251
252

253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266

dùng khớp quay thay cho
khớp trượt. Vùng làm việc của
nó có dạng hình trụ rỗng.
Khớp trượt nằm ngang cho
phép tay máy thò được vào
trong khoảng nằm ngang. Độ
cứng vững của tay máy trụ tốt,
thích hợp với tải nặng, nhưng
độ chính xác định vị trong mặt
phẳng nằm ngang giảm khi tầm
với tăng.

Hình 1.8 : Robot kiểu tọa độ
trụ

 Robot tọa độ cầu:

267

SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

13


GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG

268
269

Hình 1.9 : Robot tọa độ cầu

270
271
272

Tay máy kiểu tọa độ cầu khác với kiểu trụ do khớp thứ hai (khớp trượt) được

273
274thay
275bằng

khớp quay. Nếu quỹ đạo của phần công tác được mô tả trong tọa độ cầu thì

276mỗi
277bậc

tự do tương ứng với một khả năng chuyển động và vùng làm việc của nó là

278một

khối

279trụ

rỗng. Độ cứng vững của tay máy này thấp hơn hai loại trên và độ chính xác phụ

280thuộc

vào tầm với. Tuy nhiên loại này có thể gắp được các vật dưới sàn.

SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

14


GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG

Hình 1.10 : Robot kiểu tọa cầu

281
282

 Robot khớp bản lề:

283

Tay máy toàn khớp bản lề có cả ba khớp đều là khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc

284với hai trục kia. Do sự tương tự với tay người, khớp thứ hai được gọi là khớp vai, khớp thứ ba
285gọi là khớp khuỷu nối cẳng tay với khuỷu tay. Với kết cấu này không có sự tương ứng giữa khả
286năng chuyển động của các khâu và số bậc tự do. Tay máy làm việc rất khéo léo, nhưng độ chính
287xác định vị phụ thuộc vị trí của phần công tác trong vùng làm
288việc.

289
290

Hình 1.11 : Robot khớp bản lề

291
292
SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

15


GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG
293
294
295
296
297
298

299

300
301
302-

Hình 1.12 : Robot kiểu SCARA
Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanaski ( Nhật Bản)

303dùng

cho công việc lắp ráp. Đó là kiểu tay máy đặc biệt gồm hai khớp quay và một

304khớp

trượt, nhưng cả ba khớp đều có trục song song với nhau. Kết cấu này làm cho

305tay

máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững hơn theo

306phương
307ráp

được chọn, là phương ngang. Loại này chuyên dùng trong công việc lắp

với tải trọng nhỏ theo phương thẳng đứng. Từ SCARA là viết tắt của chữ

308“selective
309Vùng

compliance assembly robot arm”để mô tả các đặc điểm trên.

làm việc của Scara là một phần của hình trụ rỗng.

310
311
312
313
314
315
316
317
SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

16


GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG
318
319
320
321
322
323
324
325.1.2.2.Phân
326- Rôbốt thế

loại robot theo thế hệ.
hệ thứ nhất: bao gồm các dạng robot hoạt động lặp lại theo một chu

327trình
328không
329Đặc

thay đổi, theo chương trình định trước.

điểm:

330+

Sử dụng tổ hợp cơ cấu cam với công tắc hành trình

331+

Điều khiển vòng hở

332+

Sử dụng phổ biến trong công việc gắp – đặt

333-

Robot thế hệ thứ 2: robot với điều khiển theo chương trình nhưng có thể tự điều

334chỉnh
335hoạt

động thích ứng với những thay đổi của môi trường thao tác(được trang bị cảm

336biến

337cho

phép cung cấp tín hiệu phản hồi lại hệ thống điều khiển)

338Đặc

điểm:

339+

Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy

340+

Có thể lựa chọn CT dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến

341+

Hoạt động của Rôbốt có thể lập trình được

342-

Robot thế hệ thứ 3:robot được trang bị những thuật toán xử lý các phản xạ logic

343thích
344theo

nghi

những thông tin và tác động của môi trường lên chúng, được trang bị hệ thống

345thu
346nhận

hình ảnh trong điều khiển

SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

17


GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG
347Đặc

điểm:

348+

Có đặc điểm như loại trên

349+

Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp

350-

Robot thế hệ thứ tư: robot sử dụng các thuật toán và cơ chế điều khiển thích nghi

351được
352trang

bị khả năng lựa chọn các đáp ứng tuân theo một mô hình tính toán xác định

353trước

có

354ứng

xử phù hợp với điều kiện của môi trường thao tác.

355Đặc

điểm:

356+

Có đặc điểm tương tự 2 loại trên, có khả năng tự động lựa chọn chương trình

357hoạt
358và

động

lập trình lại các hoạt động dựa trên các tín hiệu thu nhận từ cảm biến.

359+

Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tương đối lớn

360-

Robot thế hệ thứ 5: là tập hợp các robot trí tuệ nhân tạo

361Đặc
362+

điểm:

Được trang bị các kĩ thuật của trí tuệ nhân tạo để ra quyết định và giải quyết các

363vấn
364và

đề

nhiệm vụ đặt ra cho nó.

365+

Được trang bị mạng Neuron có khả năng tự học.

366+

Được trang bị các thuật toán dạng Neuron Fuzzy/ Fuzzy Logic để tự suy nghĩ và

367ra
368quyết

định cho các ứng xử

3691.2.3.Phân loại robot theo hệ điều khiển.
370
Có 2 loại điều khiển robot: điều khiển hở
371-

Điều khiển hở:

SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

18

và điều khiển kín.


GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG
Dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén…) mà

372

373quãng
374đường

hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số sung điều khiển. Kiểu điều khiển này đơn

375giản,
376nhưng
377-

đạt độ chính xác thấp.

Điều khiển kín (hay điều khiển servo):
Sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển. Có 2 kiểu

378
379điều
380khiển
381+

servo: điều khiển điểm-điểm và điều khiển theo đường (contour).

Với kiểu điều khiển điểm-điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến

382điểm
383kia

theo đường thẳng với tốc độ cao. Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng. Kiểu điều

384khiển
385này
386+

được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh,…

Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ,

387với

tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các robot

388hàn

hồ

389quang,
390
391-

phun sơn.

Robot dùng nguồn cấp điện: nguồn DC, AC. Robot loại này có thiết kế gọn, chạy

392êm,
393định
394-

vị rất chính xác.

Robot dùng nguồn khí nén: hệ thống cần được trang bị máy nén, bình chứ khí và

395động
396kéo

cơ

trên máy nén. Robot loại này dùng trong các thao tác gắp đặt không cần độ

397chính

xác

SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

19


GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG
398cao.
399-

Robot dùng nguồn thủy lực: sử dụng dầu ép. Robot loại này dùng trong ứng dụng

400có

tải

401trọng
4021.3.

lớn.

Ứng dụng của Robot công nghiệp :

4031.3.1.Mục

tiêu ứng dụng Robot công nghiệp :

404Mục

tiêu ứng dụng Robot công nghiệp nhằm nâng cao năng suất dây truyền công

405nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm,
406đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản
407của Robot đó là :
- Robot có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn người
409thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian dài làm việc. Do đó Robot
410giúp nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm.
408

- Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng Robot là vì giảm được
412đáng kể chi phí cho người lao động.
411

413

- Robot giúp tăng năng suất dây chuyền công nghệ.

- Robot giúp cải thiện điều kiện lao động. Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà
415chúng ta cần quan tâm. Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao động phải
416làm việc trong môi trường ô nhiễm, ẩm ướt, nóng nực. Thậm chí rất độc hại đến
417sức khoẻ và tính mạng như môi trường hoá chất, điện từ, phóng xạ …
414

4181.3.2.Các

lĩnh vực ứng dụng Robot công nghiệp :

419Robot

công nghiệp được ứng dụng rất rộng rãi trong sản xuất, xin được nêu ra một
420số lĩnh vực chủ yếu :

421

- Kỹ nghệ đúc

422

- Gia công áp lực

423

- Các quá trình hàn và nhiệt luyện

SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

20


GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG
424

- Công nghệ gia công lắp ráp

425

- Phun sơn, vận chuyển hàng hoá (Robocar)…

4261.3.3.

Các xu thế ứng dụng Robot trong tương lai :

427

-

Robot ngày càng thay thế nhiều lao động

428

-

Robot ngày càng trở lên chuyên dụng

429

-

Robot ngày càng đảm nhận được nhiều loại công việc lắp ráp

430

-

Robot di động ngày càng trở lên phổ biến

431

-

Robot ngày càng trở lên tinh khôn

4321.3.4.

Tình hình tiếp cận và ứng dụng Robot công nghiệp ở Việt Nam :

433Trong

giai đoạn trước năm 1990, hầu như trong nước hoàn toàn chưa du nhập về
434kỹ thuật Robot, thậm chí chưa nhận được nhiều thông tin kỹ thuật về lĩnh vực này.
435Tuy vậy, với mục tiêu chủ yếu là tiếp cận lĩnh vực mới mẻ này trong nước đã có
436triển khai các đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước: Đề tài 58.01.03 và
43752B.03.01.
438Giai

đoạn tiếp theo từ năm 1990 các ngành công nghiệp trong nước bắt đầu đổi
439mới. Nhiều cơ sở đã nhập ngoại nhiều loại Robot công nghiệp phục vụ các công
440việc như: tháo lắp dụng cụ, lắp ráp linh kiện điện tử, hàn vỏ Ôtô xe máy, phun phủ
441các bề mặt …
442Một

sự kiện đáng chú ý là tháng 4 năm 1998, nhà máy Rorze/Robotech đã bước
443vào hoạt động ở khu công nghiệp Nomura Hải Phòng. Đây là nhà máy đầu tiên ở
444Việt Nam chế tạo và lắp ráp Robot.
445Những

năm gần đây, Trung tâm nghiên cứu kỹ thuật Tự động hóa, Trường đại học
446Bách Khoa Hà Nội, đã nghiên cứu thiết kế một kiểu Robot mới là Robot RP. Robot
447RP thuộc loại Robot phỏng sinh (bắt chước cơ cấu tay người). Hiện nay đã chế tạo
4482 mẫu: Robot RPS-406 dùng để phun men và Robot RPS-4102 dùng trong công
449nghệ bề mặt.
SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

21


GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG
450Ngoài

ra Trung tâm còn chế tạo các loại Robot khác như: Robot SCA mini dùng để
451dạy học, Robocar công nghiệp phục vụ phân xưởng, Robocar chữ thập đỏ cho
452người tàn tật … Bên cạnh đó còn xây dựng các thuật toán mới để điều khiển
453Robot, xây dựng “thư viện” các mô hình của Robot trên máy tính …
4541.3.Cấu

trúc của Robot công nghiệp:

4551.3.1.Các
456Trên

bộ phận cấu thành Robot công nghiệp :

hình 1.5 giới thiệu các bộ phận chủ yếu của Robot công nghiệp:

457Tay

máy gồm các bộ phận: Đế 1 đặt cố định hoặc gắn liền với xe di động 2, thân 3,
458cánh tay trên 4, cánh tay dưới 5, bàn kẹp 6.

459

Hình 1.12: Các bộ phận cấu thành Robot công nghiệp

460
461Hệ

thống truyền dẫn động có thể là cơ khí, thuỷ khí hoặc điện khí: là bộ phận chủ
462yếu tạo nên sự chuyển dịch các khớp động.
463Hệ

thống điều khiển đảm bảo sự hoạt động của Robot theo các thông tin đặt trước
464hoặc nhận biết trong quá trình làm việc.

SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

22


GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG
465Hệ

thống cảm biến tín hiệu thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về hoạt
466động của bản thân Robot (cảm biến nội tín hiệu) và của môi trường, đối tượng mà
467Robot phục vụ (cảm biến ngoại tín hiệu).
4681.4.Bậc

tự do và các toạ độ suy rộng :

4691.4.1.Bậc

tự do :

470Robot

công nghiệp là loại thiết bị tự động nhiều công dụng. Cơ cấu tay máy của
471chúng phải được cấu tạo sao cho bàn kẹp giữ vật kẹp theo một hướng nhất định
472nào đó và di chuyển dễ dàng trong vùng làm việc. Muốn vậy cơ cấu tay máy phải
473đạt được một số bậc tự do chuyển động.
474Thông

thường các khâu của cơ cấu tay máy được nối ghép với nhau bằng các khớp
475quay hoặc khớp tịnh tiến. Gọi chung chúng là khớp động. Các khớp quay hoặc
476khớp tịnh tiến đều thuộc khớp động học loại 5.
Công thức tính số bậc tự do :

477

W= 6n -

478

1

với

479

5

�ip

i

n : số khâu động
Pi : số khớp loại i

480
4811.4.2.

Toạ độ suy rộng :

482Các

cấu hình khác nhau của cơ cấu tay máy trong từng thời điểm xác định bằng
483các độ dịch chuyển góc hoặc độ dịch chuyển dài của các khớp quay hoặc khớp tịnh
484tiến.
485Các

độ dịch chuyển tức thời đó, so với giá trị ban đầu nào đó lấy làm mốc tính
486toán, được gọi là các toạ độ suy rộng (generalized joint coordinates). Ở đây ta gọi
487chúng là các biến khớp (toạ độ suy rộng) của cơ cấu tay máy và biểu thị bằng :
(1.2)

488
489

với
SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

23

GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG
490

- Độ dịch chuyển góc của các khớp quay

491

- Độ dịch chuyển tịnh tiến của các khớp tịnh tiến

4921.4.3Nhiệm
4931.4.3.1.

vụ lập trình điều khiển Robot:

Định vị và định hướng tại “điểm tác động cuối” :

494Khâu

cuối cùng của tay máy thường là bàn kẹp (gripper) hoặc là khâu gắn liền với
495dụng cụ thao tác (tool). Điểm mút của khâu cuối cùng là điểm đáng quan tâm nhất
496vì đó là điểm tác động của Robot lên đối tác và được gọi là “điểm tác động cuối”
497(end-effector). Trên hình 1.6 điểm E là “điểm tác động cuối”.

498

Hình 1.12: Định vị và định hướng tại “ điểm tác động cuối

499
500Chính

tại “điểm tác động cuối” E này cần quan tâm không những vị trí nó chiếm
501trong không gian làm việc mà cả hướng tác động của khâu cuối đó. Vị trí của điểm
502E được xác định bằng 3 toạ độ x E, yE, zE trong hệ trục toạ độ cố định. Còn hướng
503tác động của khâu cuối có thể xác định bằng 3 trục x n,yn, zn gắn liền với khâu cuối
504tại điểm E, hoặc bằng 3 thông số góc nào đó.
505
506
507

CHƯƠNG II: HỆ PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC VÀ
ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP
SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

24


GVHD:TS. NGUYỄN CAO CƯỜNG
5082.1.

Hệ phương trình động học Robot :

5092.1.1.

Đặt vấn đề :

510Cơ

cấu chấp hành của Robot thường là một cơ cấu hở gồm một chuỗi các khâu
511(link) nối với nhau bằng các khớp (joints). Các khớp động này là khớp quay (R)
512hoặc khớp tịnh tiến (T). Để Robot có thể thao tác linh hoạt cơ cấu chấp hành của

513nó phải có cấu tạo sao cho điểm mút của khâu cuối cùng đảm bảo dễ dàng di
514chuyển theo một quỹ đạo nào đó, đồng thời khâu này có một hướng nhất định theo
515yêu cầu. Khâu cuối cùng này thường là bàn kẹp (griper), điểm mút của nó chính là
516“điểm tác động cuối” E (end-effector).
517Để

xét vị trí và hướng của E trong không gian ta gắn vào nó một hệ toạ độ động
518thứ n và gắn với mỗi khâu động một hệ toạ độ khác, còn gắn liền với giá đỡ một hệ
519toạ độ cố định. Đánh số ký hiệu các hệ này từ 0 đến n bắt đầu từ giá cố định. Khi
520khảo sát chuyển động của Robot cần biết “định vị và định hướng” tại điểm tác
521động cuối trong mọi thời điểm. Các lời giải của bài toán này được xác định từ
522những phương trình Động học của Robot. Các phương trình này là mô hình Động
523học của Robot. Chúng được xây dựng trên cơ sở thiết lập các mối quan hệ giữa các
524hệ toạ độ động nói trên so với hệ toạ độ cố định.
5252.1.2.

Xác định trạng thái của Robot tai điểm tác động cuối :

526Trạng

thái của Robot tại “điểm tác động cuối” hoàn toàn xác định bằng sự định vị
527và định hướng tại điểm tác động cuối đó.

528

nx sx ax
�
�
n n a
TE  �y y y

�
nz sz az
�
�0 0 0

px �
py �
�
pz �
�
1�

(2.1)

529Trong

đó các phần tử của ma trận 3x1 là toạ độ p x , py, pz của “điểm tác động cuối”
530E. Mỗi cột của ma trận quay 3x3 là một vectơ đơn vị chỉ phương một trục của hệ
531toạ độ động NSA (chính là UVW) biểu diễn trong toạ độ cố định XYZ.

SVTH:Bùi Anh Tiến-TĐH9a2

25