Ứng dụng logic mờ để điều khiển robotứng dụng trong gia công cơ khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Nguyễn Mạnh Hà

Ứng dụng logic mờ để điều khiển Robot,
ứng dụng trong gia cơng cơ khí.
Chun ngành : Kỹ thuật Cơ điện tử
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS Phan Bùi Khôi

Hà Nội – Năm 2018


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : …………………………………........……………..
Đề tài luận văn: ………………………………………….....……………...............….
Chuyên ngành:……………………………...…………………........................…..........
Mã số HV:………………………………….. …………………....................................…...
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày….........................………… với các nội dung sau:
……………………………………………………………………………………………………..………
……………………………………………………………………………………………..…………………

…………………………………………………………………………………..……………………………
………………………………………………………………………..………………………………………
……………………………………………………………..…………………………………………………
…………………………………………………..……………………………………………………………
………………………..

Ngày
Giáo viên hướng dẫn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

tháng

năm

Tác giả luận văn


Dịng điện khơng đổi

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng
tơi được hồn thành dưới sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của PGS.TS Phan
Bùi Khơi. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng,
đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tơi
tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn
và chưa được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác.
Học viên

Nguyễn Mạnh Hà

Trang 1


Dịng điện khơng đổi

LỜI CẢM ƠN
Để có thể hồn thành đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh, bên cạnh
sự nỗ lực cố gắng của bản thân và sự nhiệt tình hướng dẫn của Thầy PGS.TS
Phan Bùi Khơi, tơi cịn nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô,
cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt thời gian học
tập nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sĩ.
Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy PGS.TS. Phan Bùi Khơi
người đã hết lịng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tơi hồn thành luận
văn này. Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến tồn thể q Thầy Cơ đã giảng
dạy và giúp đỡ tơi trong q trình nghiên cứu học tập Thạc sĩ tại trường Đại
Học Bách Khoa Hà Nội. Các Thầy Cô đã tận tình truyền đạt những kiến thức
quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình
học tập nghiên cứu và cho đến khi hồn thiện đề tài luận văn.
Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, các anh chị và các bạn
cùng học và các đồng nghiệp đã hỗ trợ cho tơi rất nhiều trong suốt q trình
học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh.
Một lần nữa xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2018
Học viên

Nguyễn Mạnh Hà

Trang 2

Dịng điện khơng đổi

Mục Lục
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. 1
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 2
Danh mục các từ viết tắt .................................................................................... 6
Danh mục hình vẽ ............................................................................................. 7
Danh mục bảng biểu........................................................................................ 10
LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................. 11
Lý do chọn đề tài ......................................................................................... 11
Mục đích nghiên cứu ................................................................................... 11
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................... 12
Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài ............................................. 12
Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 13
Chương 1: Tổng quan về Robot công nghiệp và ứng dụng của Robot trong gia
cơng cơ khí ...................................................................................................... 14
1.1 Giới thiệu về Robot cơng nghiệp .......................................................... 14
1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển. .................................................... 14
1.1.2 Các khái niệm về Robotics ............................................................. 17
1.2 Ứng dụng của Robot trong gia cơng cơ khí .......................................... 18
1.2.1 Cấu trúc cơ bản của Robot công nghiệp ......................................... 18
1.2.2 Ứng dụng của Robot trong gia công cơ khí.................................... 20
Chương 2: Động học Robot mài 5 bậc tự do .................................................. 25
2.1 Đề xuất mơ hình Robot và hệ trục tọa độ Robot mài ............................ 25
2.1.1 Đề xuất mô hình Robot ................................................................... 25
2.1.2 Hệ trục tọa độ Robot ....................................................................... 26

Trang 3

Dịng điện khơng đổi

2.1.3 Các ma trận truyền biến đổi tọa độ thuần nhất Denavit – Hartenberg
.................................................................................................................. 29
2.2 Bài toán động học thuận ........................................................................ 32
2.2.1 Vị trí và hướng của khâu thao tác ................................................... 32
2.2.2 Bài toán thuận về vận tốc và gia tốc ............................................... 34
2.2.3 Các đồ thị thể hiện vị trí, vận tốc và gia tốc điểm tác động cuối ... 36
2.3 Bài toán động học ngược ....................................................................... 42
2.3.1 Đặc trưng hình học của đối tượng gia cơng ................................... 42
2.3.2 Phương pháp tam diện trùng theo xác định điều kiện thao tác ...... 44
2.3.3 Giải hệ phương trình động học ngược Robot ................................. 46
2.4 Thiết kế quỹ đạo đường đi..................................................................... 50
2.5 Động lực học Robot mài ....................................................................... 57
2.5.1 Khối lượng, tọa độ trọng tâm và ten-xơ quán tính ......................... 57
2.5.2 Ma trận Jacobi (JTi) ......................................................................... 61
2.4.3 Ma trận Jacobian JRi ........................................................................ 69
2.4.4 Động năng ....................................................................................... 72
2.4.5 Thế năng của Robot ........................................................................ 73
2.6 Phương trình động lực học của Robot viết dưới dạng ma trận ............. 74
Chương 3: Ứng dụng logic mờ để điều khiển Robot ...................................... 76
3.1 Bài toán điều khiển Robot ..................................................................... 76
3.2 Điều khiển động lực học ngược ............................................................ 77
3.3 Bộ điều khiển mờ .................................................................................. 82
3.3.1 Sơ lược về logic mờ ........................................................................ 82
3.3.2 Ứng dụng logic mờ vào điều khiển Robot ..................................... 84

Trang 4

Dịng điện khơng đổi

3.3.3 Kết quả mơ phỏng ........................................................................... 91
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 96
1. Kết luận ................................................................................................... 96
2. Kiến nghị ................................................................................................. 96
Tài liệu tham khảo ........................................................................................... 97

Trang 5


Dịng điện khơng đổi

Danh mục các từ viết tắt
CNC – Computer Numerical Control
IFR - International Federation of Robotics
DH – Denavit Hartenberg

PID – Proportional Integral Derivative
PD – Proportional Derivative

Trang 6


Dịng điện khơng đổi

Danh mục hình vẽ
Hình 1.1: Robot hàn. ...................................................................................... 15
Hình 1.2: Cấu trúc chung của một Robot cơng nghiệp. .................................. 18

Hình 1.3: Hình dạng điển hình của Robot cơng nghiệp................................. 19
Hình 1.4: Sơ đồ cấu tạo các bộ phận của Robot cơng nghiệp. ....................... 20
Hình 1.5: Biểu đồ phân bố Robot cơng nghiệp ............................................... 21
Hình 1.6: Robot hàn ........................................................................................ 22
Hình 1.7: Robot sơn vỏ ơ tơ BMW ................................................................. 23
Hình 1.8: Robot phay ...................................................................................... 24
Hình 1.9: Robot mài ........................................................................................ 24
Hình 2.1: Mơ hình Robot mài 5 bậc tự do ...................................................... 25
Hình 2.2: Gắn các hệ trục tọa độ vào mơ hình Robot ..................................... 26
Hình 2.3: Các tham số động học Denavit – Hartenberg ................................. 28
Hình 2.4: Quỹ đạo điểm E............................................................................... 37
Hình 2.5: Đồ thị vị trí điểm thao tác E và hướng của khâu thao tác............... 37
Hình 2.6: Đồ thị vị trí của khâu thao tác ......................................................... 38
Hình 2.7: Đồ thị hướng của khâu thao tác ...................................................... 38
Hình 2.8: Đồ thị vận tốc dài điểm E ............................................................... 38
Hình 2.9: Đồ thị vận tốc dài điểm E theo các phương .................................... 39
Hình 2.10: Đồ thị vận tốc góc khâu E ............................................................. 39
Hình 2.11: Vận tốc góc khâu E theo từng phương ......................................... 39
Hình 2.12: Đồ thị gia tốc dài của điểm E ........................................................ 40
Hình 2.13: Đồ thị gia tốc dài của điểm E theo từng phương .......................... 40
Hình 2.14: Đồ thị gia tốc góc khâu E .............................................................. 41
Trang 7


Dịng điện khơng đổi

Hình 2.15: Đồ thị gia tốc góc khâu E theo từng phương ................................ 41
Hình 2.16: Hệ tọa độ đồ gá ............................................................................. 42
Hình 2.17: Đặc trưng hình học của đối tượng gia cơng .................................. 43
Hình 2.18: Thuật tốn giải các biến khớp ....................................................... 48

Hình 2.19: Quỹ đạo di chuyển của đá mài. ..................................................... 50
Hình 2.20: Phép chuyển hệ trục tọa độ ........................................................... 52
Hình 2.21: Mơ phỏng Robot trên MATLAB .................................................. 53
Hình 2.22: Đồ thị tọa độ điểm cuối ................................................................. 53
Hình 2.23: Đồ thị vị trí các khâu ..................................................................... 55
Hình 2.24: Đồ thị vận tốc các khâu ................................................................. 56
Hình 2.25: Đồ thị gia tốc các khâu.................................................................. 57
Hình 3.1: Các hệ tọa độ trung gian ................................................................. 76
Hình 3.2: Mơ hình điều khiển động lực học ngược ........................................ 79
Hình 3.3: Mơ hình cấu trúc bộ điều khiển PD + lực ....................................... 80
Hình 3.4: Các khối vị trí, vận tốc, gia tốc đặt ................................................ 80
Hình 3.5: Khối điều khiển PD ......................................................................... 81
Hình 3.6: Khối điều khiển Lực ....................................................................... 81
Hình 3.7: Khối Robot ...................................................................................... 82
Hình 3.8: Đồ thị biểu diễn tập mờ.................................................................. 83
Hình 3.9: Dạng của tập mờ ............................................................................. 86
Hình 3.10: Bộ điều khiển mờ .......................................................................... 88
Hình 3.11: Sơ đồ SIMULINK điều khiển mờ................................................ 88
Hình 3.12: Sơ đồ các bộ điều khiển mờ ......................................................... 89
Hình 3.13: Đồ thị góc quay khâu 1 ................................................................. 92
Trang 8


Dịng điện khơng đổi

Hình 3.14: Sai số biến khớp 1 ......................................................................... 92
Hình 3.15: Đồ thị dịch chuyển khâu 2 ............................................................ 93
Hình 3.16: Sai số biến khớp 2 ........................................................................ 93
Hình 3.17: Đồ thị góc quay khâu 3 ................................................................. 93
Hình 3.18: Đồ thị sai số biến khớp 3 ............................................................. 94

Hình 3.19: Đồ thị góc quay khâu 4 ................................................................. 94
Hình 3.20: Đồ thị sai số biến khớp 4 .............................................................. 94
Hình 3.21: Đồ thị góc quay khâu 5 ................................................................. 95
Hình 3.22: Đồ thị sai số biến khớp 5 .............................................................. 95

Trang 9


Dịng điện khơng đổi

Danh mục bảng biểu
Bảng 1: Bảng các tham số động học DH của Robot ....................................... 28
Bảng 2: Bảng tham số động lực học về khối lượng và tensor quán tính ........ 61
Bảng 3: Các tham số động học của hệ tọa độ trung gian ................................ 76
Bảng 4: Các tham số động học của Robot ...................................................... 77
Bảng 5: Các tham số động lực học của Robot ................................................ 77
Bảng 6: Các lực không thế Q ở các khâu ........................................................ 77
Bảng 7: Giá trị ngôn ngữ ................................................................................. 85
Bảng 8: Bảng FAM ......................................................................................... 86

Trang 10


Dịng điện khơng đổi

LỜI MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Trong sự nghiệp cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, ngành Điều
khiển, Tự động hóa và thiết kế các hệ thống Cơ điện tử đang đóng một vai trị
hết sức quan trọng. Cuộc cách mạng công nghệ 4.0 đang trong giai đoạn phát

triển một cách toàn diện và tác động đến hầu hết mọi lĩnh vực trong đời sống.
Các Robot, đặc biệt là Robot cơng nghiệp có một vị trí đặc biệt quan trọng
trong các q trình sản xuất sản phẩm, gia cơng cơ khí cũng như trong dịch vụ
và giải trí. Nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ sản xuất, nâng cao
chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, cải thiện điều kiện lao động,
tăng năng suất lao động… đặt ra vấn đề cần giải là hệ thống Robot công nghiệp
trong sản xuất phải có tính linh hoạt cao và được điều khiển chính xác.
Tay máy Robot đã xuất hiện trong sản xuất từ nhiều năm trước. Ngày nay,
tay máy Robot được sử dụng trong rất nhiều các lĩnh vực, với những tính năng
mà con người khơng thể có được như: khả năng làm việc ổn định với khối lượng
cơng việc lớn, có thể làm việc trong môi trường độc hại, khả năng xử lý cơng
việc trong thời gian ngắn đảm bảo độ chính xác cao,… Do đó, việc nghiên cứu,
chế tạo và điều khiển những loại tay máy Robot phục vụ cho công cuộc tự động
hóa sản xuất, ứng dụng trong gia cơng cơ khí là rất cần thiết cho hiện tại và
tương lai.

Mục đích nghiên cứu
Luận văn này trình bày về đề tài: “Ứng dụng logic mờ để điều khiển Robot,
ứng dụng trong gia cơng cơ khí”. Mục đích nghiên cứu của đề tài là: Thiết lập
phương trình động lực học cho Robot ứng dụng trong gia cơng cơ khí, xây dựng
được giải thuật và chương trình điều khiển Robot dựa trên logic mờ. Đề tài giúp
tác giả làm quen và tìm hiểu sâu hơn những vấn đề cơ bản và cốt lõi trong việc
thiết kế và điều khiển Robot, rất có ích cho việc học tập nghiên cứu và làm việc
sau này.

Trang 11


Dịng điện khơng đổi

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Hiện nay, trong việc gia cơng cơ khí, mài là một công đoạn không thể
thiếu. Trong tất cả các loại máy cắt kim loại như máy phay, máy tiện, máy bào,
máy doa … và các chi tiết gia công thông thường sẽ phải có cơng đoạn mài.
Mài là một trong những hình thức gia cơng kim loại cơ bản và khá phổ
biến. Để mài chi tiết, người ta thường sử dụng đá mài. Đá mài sẽ lấy đi một lớp
kim loại mỏng trên bề mặt chi tiết, làm nhẵn mịn chi tiết và thông thường sau
gia công mài, sản phẩm sẽ có độ bóng trên bề mặt rất cao.
Việc sử dụng máy mài đã xuất hiện từ lâu và có xu hướng cải tiến đến mức
tự động hóa cao. Nhưng trong thực tế vẫn gặp phải vấn đề khó khăn đó là:
- Số trục gia công hạn chế dẫn tới không gian làm việc ít.
- Trong q trình gia cơng, sẽ rất khó để xác định chính xác các yếu tố ảnh
hưởng tới q trình mài ví dụ như lực cắt, lực cản – lực ma sát …
Để cải thiện những hạn chế như trên, chúng ta có thể dùng tới các Robot
mài sử dụng bộ điều khiển mờ để tăng độ chính xác và ổn định. Các Robot có
kích thước nhỏ gọn và linh hoạt đảm bảo mọi vị trí gia công phức tạp như mặt
nghiêng, đường cong, … đáp ứng được chất lượng sản phẩm cao.
Qua tìm hiểu thực tế các mơ hình Robot trên thế giới, trong phạm vi luận
văn này, tác giả xin đề xuất mơ hình và bộ điều khiển mờ cho Robot mài 5 bậc
tự do.

Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Q trình gia cơng mài u cầu Robot phải có độ cứng vững cao, tải trọng
của Robot phải lớn, tối ưu hóa vùng làm việc. Từ đây ta phải lựa chọn và đề
xuất mơ hình Robot hợp lý. Sau đó xây dựng các thơng số rồi giải quyết các
bài tốn động học thuận và ngược. Xây dựng phương trình động lực học của
Robot. Để thực hiện được quá trình gia cơng mài trên mặt phẳng bất kì so với
vị trí đặt Robot thì Robot cần tối thiểu 5 bậc tự do để đảm bảo Robot có thể
thao tác theo mọi vị trí và hướng trong khơng gian.

Trang 12


Dịng điện khơng đổi

Ngun tắc mài là đá mài được gắn ở điểm tác động cuối của Robot sẽ di
chuyển theo quỹ đạo lập trình cho trước để thực hiện nguyên công mài. Lúc
này sẽ xuất hiện lực tương tác giữa dụng cụ và chi tiết gia công (phôi). Trong
quá trình mài, sẽ có lực tương tác nhưng khó xác định chính xác. Do đó các
phương pháp điều khiển rõ sẽ gặp nhiều khó khăn khi thực hiện. Điều khiển
mờ theo tư duy con người, dễ điều chỉnh giúp khắc phục những yếu tố động
lực không xác định được hoặc xác định khơng chính xác, chẳng hạn ma sát, lực
cắt, …
Vì vậy luận văn này trình bày ứng dụng logic mờ để điều khiển Robot,
ứng dụng trong gia công cơ khí, ở đây là q trình gia cơng mài.

Phương pháp nghiên cứu
Luận văn này sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết từ các tài liệu
chuyên ngành, sách, báo và kế thừa các kiến thức về ứng dụng công nghệ
Robot. Từ đó tác giả đề xuất mơ hình Robot và thực hiện khảo sát các chuyển
động của mơ hình như động học, động lực học. Sau đó áp dụng các kỹ thuật
điều khiển để mơ phỏng và tính tốn.
Q trình thực hiện có sử dụng các phần mềm và cơng cụ hỗ trợ như
Solidworks, MATLAB và MATLAB simulink…
Trong quá trình làm luận văn có thể sẽ có nhiều vấn đề đặt ra mà trong
phạm vi khả năng của tác giả cịn hạn chế nên rất mong được các Thầy Cơ chỉ
bảo và góp ý thêm.
Chân thành cảm ơn!
Học viên

Nguyễn Mạnh Hà

Trang 13


Dịng điện khơng đổi

Chương 1: Tổng quan về Robot cơng nghiệp và ứng dụng của
Robot trong gia cơng cơ khí
1.1 Giới thiệu về Robot cơng nghiệp
1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển.
Thuật ngữ Robot có nghĩa là “người máy” trong tiếng Việt, xuất hiện lần
đầu trong vở kịch R.U.R (Rossum’s Universal Robots) của nhà văn Karel Čapek
người Tiệp Khắc công diễn vào năm 1920. Nguyên gốc từ Robot là từ
chữ Robota trong tiếng Slavơ, nghĩa là công nhân. Vở kịch diễn tả bối cảnh một
nhà máy chế tạo các nhân công nhân tạo được gọi là Robot, các sinh vật này có
thể bị nhầm lẫn với con người nhưng có khả năng làm việc nhanh nhẹn hơn,
mạnh hơn và khơng có cảm xúc suy nghĩ như con người - tương tự như những
ý tưởng hiện đại về người máy.
Từ nhu cầu thay thế người lao động nhằm tự động hóa, chun mơn hóa,
tăng năng suất và độ chính xác công nghệ của các dây chuyền sản xuất, lắp ráp
công nghiệp, Robot công nghiệp đã và đang được sử dụng ngày càng nhiều
trong khoa học và kĩ thuật đặc biệt là trong các ngành sản xuất lắp ráp chế tạo
như ô tô, tàu thủy, công nghiệp cơ khí chế tạo…
Robot là sự liên kết, giao thoa của nhiều ngành khoa học từ Vật lý, Tốn
học tới kĩ thuật Cơ khí, kĩ thuật Điện tử và khoa học máy tính. Xuyên suốt từ
thập kỉ 70 của thế kỉ XX đến nay các cơng trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo
và ứng dụng các hệ Robot trở nên rộng rãi. Đó chính là các minh chứng rõ nét
về sự phát triển của Robot và ngành Cơ Điện Tử.
Hiện nay nhu cầu sử dụng Robot trong công nghiệp ngày càng tăng, các

loại Robot được chế tạo ngày càng đa dạng với độ chính xác cao, linh hoạt, giá
cả phù hợp năng suất và tuổi thọ cao. Mặc dù dải ứng dụng của Robot ngày
càng được mở rộng (thay thế con người trong các công việc nặng nhọc, nguy
hiểm, độc hại…) nhưng theo thống kê năm 2000 tại Mỹ thì lượng Robot hàn

Trang 14


Dịng điện khơng đổi

và Robot xử lý phơi liệu chiếm phần lớn Robot cơng nghiệp trên thị trường.
Hình 1.1 là một hệ thống Robot hàn.

Hình 1.1: Robot hàn.
Từ hình ảnh Robot trên, ta thấy rằng người thiết kế Robot phải lựa chọn
cấu trúc tay máy và các đặc trưng kết cấu, đặc trưng động học phù hợp với vùng
công tác, số bậc tự do, vận tốc … Kế tiếp phải kể đến các vấn đề về cơ học,
động học, động lực học … các vấn đề về điều khiển, xử lý tín hiệu, xử lý hình
ảnh từ camera, điều chỉnh vị trí hành trình tay kẹp … lập trình Robot…
Như vậy hiển nhiên để thiết kế, chế tạo, lập trình và sử dụng các hệ Robot
chúng ta cần phải quan tâm đến các lĩnh vực sau:
+ Cơ học và kỹ thuật cơ khí (giải quyết các vấn đề về cơ khí của hệ Robot).
+ Tốn học cung cấp các cơng cụ, thuật tốn, phương pháp mơ tả tốn
học… kỹ thuật tính tốn xung quanh vấn đề thiết kế Robot và ứng dụng điều
khiển Robot.

Trang 15


Dịng điện khơng đổi

+ Lập trình điều khiển học tập trung vào giải quyết các phương pháp, kỹ
thuật điều khiển để Robot có thể hoạt động theo đúng yêu cầu, chức năng và
nhiệm vụ công tác.
+ Kỹ thuật điện – điện tử tập trung vào đối tượng bộ điều khiển và hệ
thống điện trên Robot; tối ưu hệ thống mạch tích hợp với việc xử lý tín hiệu,
mạch cơng suất, các bộ đệm, mạch giao tiếp với tín hiệu cảm biến, mạch thu
phát tín hiệu từ xa.
+ Khoa học máy tính giải quyết các vấn đề cơ sở tính tốn, lập trình xử lý
tín hiệu điều khiển trực tiếp cho các cơ cấu dẫn động; xây dựng các thuật toán
cho các ứng dụng Robot.
Tự động hóa (Automation) và kỹ thuật Robot ( Robotics) là hai lĩnh vực
có liên quan mật thiết với nhau. Về phương diện công nghiệp, tự động hóa là
một cơng nghệ liên kết với sử dụng các hệ thơng 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
cơng cụ điều khiển chương trình số và Robot. Như vậy, có thể coi Robot là một
dạng của thiết bị tự động hóa cơng nghiệp.
Nhằm mục đích thiết kế, chế tạo các thế hệ Robot công nghiệp ngày càng
thông minh, linh hoạt, nhỏ gọn, rẻ tiền, tin cậy, chính xác, tuổi thọ cao, một số
bài toán sau đây đang là vấn đề thời sự, được các nhà khoa học quan tâm giải
quyết:
+ Tối ưu hóa cấu trúc cơ khí với nhiều chú ý tới việc sử dụng vật liệu nhẹ,
độ bền cao; lựa chọn các bộ truyền, tỷ số truyền và hiệu suất lớn, tuổi thọ và độ
chính xác cao để tăng độ chính xác điều khiển, tăng ổn định và tuổi thọ của
Robot.
+ Các bài toán cơ học, động học, động lực – điều khiển, cân bằng, dư dẫn
động, rung, tránh va chạm, … cho các dạng cấu trúc Robot công nghiệp truyền
thống và đặc biệt cho các cấu trúc động học song song, cấu trúc Robot cơng
nghiệp tích hợp trên Robot di động. Các bài toán cơ học và điều khiển hệ tay

Trang 16


Dịng điện khơng đổi

máy có kể đến các yếu tố đàn hồi (chuyển vị, dao động) và khe hở (giữa các
mối ghép, tương tác…) là các vấn đề cũng đang được đề cập rộng khắp, nhằm
nâng cao chất lượng điều khiển theo yêu cầu, tránh cộng hưởng, nâng cao tuổi
thọ, độ bền cơ cấu,…
+ Các cơ cấu dẫn động và cảm nhận tín hiệu cũng là vấn đề quan tâm lớn
trong kĩ thuật Robot. Đáp ứng yêu cầu về kết cấu và điều khiển Robot, các cơ
cấu dẫn động được nghiên cứu ứng dụng theo hướng tiết kiệm năng lượng, bền
lâu, đủ công suất, gọn nhẹ. Các cảm biến được nghiên cứu phát triển sao cho
đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác cảm nhận tín hiệu, tốc độ lấy mẫu, chống
nhiễu…
+ Điều khiển thông minh là hướng phát triển lớn của kĩ thuật Robot, thu
hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Cùng sự phát triển và
thành tựu của các lĩnh vực Trí tuệ nhân tạo, Thị giác máy và xử lý ảnh, xử lý
âm thanh, tiếng nói, … lĩnh vực điều khiển thơng minh trong kĩ thuật Robot
đang trên đà phát triển vô cùng mạnh mẽ.
1.1.2 Các khái niệm về Robotics
Theo quan điểm của McKerrow (1986) định nghĩa Robot là một đối tượng
máy móc cơ khí có thể lập trình để thực hiện một số cơng việc nào đó.
Schlussel (1985) lại định nghĩa Robot là một tay máy đa chức năng, khả
trình (có thể lập trình và tái lập trình) được thiết kế để vận chuyển nhiên vật
liệu, phôi, chi tiết gia công hoặc là thiết bị đặc thù để được lập trình chuyển
động đa dạng để thực hiện nhiệm vụ nào đó.
Theo tiêu chuẩn GHOST 1980: Robot là máy tự động liên kết giữa một
tay máy và một cụm điều khiển chương trình hố, thực hiện một chu trình cơng
nghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay thế những chức năng

tương tự của con người.
Như vậy từ các định nghĩa, khái niệm trên ta có thể thấy Robot là một tay
máy có thể lập trình (tái lập trình) để thực hiện các chức năng nhiệm vụ, Robot
có thể được điểu khiển tự động bằng máy tính hoặc điều khiển bằng tay.
Trang 17


Dịng điện khơng đổi

Lĩnh vực khoa học lấy đối tượng nghiên cứu là các hệ thống Robot (thiết
kế, chế tạo, điều khiển và lập trình ứng dụng cho Robot …) được gọi là Robot
học (Robotics). Ta có thể hiểu Robot học là một liên ngành đặc thù của Cơ điện
tử bao gồm:
- Thiết kế, chế tạo, điều khiển và lập trình Robot
- Sử dụng Robot
- Nghiên cứu về cơng nghệ điều khiển, cảm biến và các thuật toán điều
khiển.
- Ứng dụng các cơng nghệ điều khiển và các thuật tốn để điều khiển
Robot.

1.2 Ứng dụng của Robot trong gia công cơ khí
1.2.1 Cấu trúc cơ bản của Robot cơng nghiệp
Một Robot cơng nghiệp có cấu trúc như hình 1.2 sau:

Hình 1.2: Cấu trúc chung của một Robot công nghiệp.
Hệ thống chuyển động Robot cơng nghiệp đảm bảo cho Robot có thể thực
hiện các nhiệm vụ trong không gian làm việc bao gồm các chuyển động của
Trang 18

Dịng điện khơng đổi

thân, cánh tay, cổ tay giữa các vị trí hoặc chuyển động theo một quỹ đạo đặt
trước. Hình 1.3 biểu diễn hình dạng điển hình của Robot cơng nghiệp.

Hình 1.3: Hình dạng điển hình của Robot cơng nghiệp.
Bộ phận cơ bản của Robot (Tay máy – Manipulator) bao gồm cánh tay
(arm) gồm một số thanh nối cứng (link) liên kết với nhau bởi các khớp mềm
(joint), thân (base), cổ tay (wrist), bàn tay (hand) và các ngón tay (fingers).
Cánh tay Robot được gắn trên thân, cổ tay được gắn ở thanh nối cuối cùng cánh
tay Robot, bàn tay hay còn gọi là cơ cấu tác động cuối được gắn lên cổ tay có
nhiệm vụ thực hiện các hoạt động theo yêu cầu công nghệ: cầm hoặc gia công.
Hệ thống cảm biến: gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu khác.
Các Robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản thân các
cơ cấu của Robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường.
Cơ cấu chấp hành: tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn
động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: Điện, thuỷ lực, khí nén
hoặc kết hợp giữa chúng.
Hệ thống điều khiển: (controller) hiện nay thường là hệ thống điều khiển
số có máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của Robot
Trang 19


Dịng điện khơng đổi

Hình 1.4: Sơ đồ cấu tạo các bộ phận của Robot công nghiệp.
1.2.2 Ứng dụng của Robot trong gia cơng cơ khí
Ưu điểm của Robot:
- Có khả năng thay thế con người làm việc trong các môi trường độc hại:
việc nặng nhọc, gây nguy hiểm cho con người, như nóng, độc, phóng xạ,

dưới nước sâu, trong lịng đất, ngồi khoảng khơng vũ trụ,…
- Tính chính xác cao, có khả năng tự động hố cao, có tính lặp lại.
- Tăng năng suất, giảm giá thành sản phẩm: do Robot có thể làm việc nhiều
ca mà khơng mệt mỏi, khơng cần ăn trưa, khơng địi hỏi lương…
Chính vì những ưu điểm nói trên Robot được ứng dụng rộng rãi trong
nhiều ngành cơng nghiệp cơ khí như:
+ Robot hàn điểm
+ Robot phun sơn
+ Robot cưa, cắt kim loại
+ Robot khoan, cắt, khắc laze
+ Robot rèn, đúc kim loại ở nhiệt độ cao
Trang 20


Dịng điện khơng đổi

+ Robot phay bề mặt kim loại
+ Robot mài
Doanh số bán Robot cơng nghiệp trên tồn cầu đã tăng 27% trong năm
2014, số liệu từ báo cáo mới nhất của Liên đoàn quốc tế về người máy (IFR)
cho biết. Theo IFR, chỉ riêng trong năm 2014 đã có khoảng 225.000 Robot cơng
nghiệp được bán ra trên tồn thế giới, với gần 2/3 trong số đó được bán tại châu
Á.
Theo ước tính chưa đầy đủ của Liên đồn Robot quốc tế (IRF), hiện nay
trên thế giới có khoảng 770.000 Robot đang được sử dụng trong sản xuất công
nghiệp. Trong đó, Nhật Bản sử dụng nhiều nhất với 350.000 Robot (chiếm
45,5%), EU khoảng 233.000 (30,3%) Bắc Mỹ khoảng 104.000 (13,5%), còn lại
là các nước khác. Theo dự báo của IRF, mức tăng trưởng về doanh số của sản
phẩm Robot nói chung (trong đó Robot cơng nghiệp chiếm hơn 65%) .

10.7%
13.5%

45.5%

Nhật bản

30.3%

EU
Bắc Mĩ
khác

Hình 1.5: Biểu đồ phân bố Robot cơng nghiệp
Trang 21


Dịng điện khơng đổi

Robot hàn:
Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là cơng việc sử dụng
Robot nhiều nhất: khung xe được cố định vào một xe được điều khiển từ xa di
chuyển khắp nhà máy. Khi xe đến trạm hàn, kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng
vào vị trí cần hàn, trong khi đó Robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được
lập trình trước.

Hình 1.6: Robot hàn
Robot phun sơn:
Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khoẻ của con người,
nhưng lại hồn tồn khơng nguy hiểm đối với Robot. Ngoài ra, con người phải

mất hơn hai năm để nắm được kỹ thuật và kỹ năng trở thành một thợ sơn lành
nghề trong khi Robot có thể học được tất cả kiến thức đó chỉ trong vài giờ và
có khả năng lặp lại một cách chính xác các động tác sơn phức tạp. Điều đó thể
hiện một bước tiến đáng kể trong việc kết hợp giữa năng suất và chất lượng
cũng như cải thiện chế độ làm việc cho con người trong môi trường độc hại.
Tất cả Robot phun sơn đều được ‘dạy’ bởi một thợ sơn chuyên nghiệp giữ đầu
phun và dịch chuyển nó đi đúng đường; đường đi đó được ghi lại; và khi Robot
thực hiện cơng việc phun sơn thì nó chỉ việc đi theo đường đi đã được định sẵn

Trang 22


Dịng điện khơng đổi

đó. Như thế, Robot phun sơn phải có các khớp sao cho người thợ sơn có thể dễ
dàng dẫn hướng cho chúng. Ứng dụng này đưa đến sự phát triển một loại tay
Robot dạng ‘vịi voi’ có độ linh hoạt cao.

Hình 1.7: Robot sơn vỏ ơ tơ BMW
Robot phay:
Hiện nay, trong gia cơng cơ khí, gia cơng phay là một bước quan trọng để
hình thành nên sản phẩm hoàn chỉnh.
Để đảm bảo chất lượng chi tiết cũng như góp phần cải thiện năng suất,
giảm chi phí gia công, hạn chế sử dụng sức lực con người, trong các hệ thống
sản xuất đã xuất hiện nhiều máy gia công như CNC, Robot.
Việc sử dụng máy CNC đã xuất hiện từ lâu và có xu hướng cải tiến đến
mức tự động hóa cao. Nhưng trong thực tế vẫn gặp phải vấn đề khó khăn đó là:
- Số trục gia cơng hạn chế dẫn tới khơng gian làm việc ít.
- Kích thước máy lớn, khơng phù hợp trong những mơi trường chật hẹp.
Để cải thiện những hạn chế như trên, chúng ta có thể sử dụng tới các Robot

phay. Với việc sử dụng Robot sẽ linh hoạt hơn, kích thước nhỏ gọn. Sử dụng
Robot với 5,6 bậc tự do đảm bảo mọi vị trí gia cơng phức tạp như mặt nghiêng,
đường cong,… đáp ứng được chất lượng sản phẩm cao.
Trang 23