Nghiên cứu xây dựng thuật toán và chương trình mô phỏng không gian hoạt động một số rô bốt phỏng sinh sáu bậc tự do ứng dụng vào các quá trình sản xuất cơ khí

..

Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
****************************

NGUYỄN BÁ ÂN

NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG THUẬT TỐN VÀ CHƢƠNG TRÌNH
MƠ PHỎNG KHƠNG GIAN HOẠT ĐỘNG
MỘT SỐ RÔ BỐT PHỎNG SINH SÁU BẬC TỰ DO
ỨNG DỤNG VÀO CÁC QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT CƠ KHÍ

Chun ngành: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
GVC. TS. NGUYỄN NGỌC THÀNH

MỤC LỤC
HÀ NỘI 09/2012

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Trang
Page 1

Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ……………………………………………………………………04
LỜI CẢM ƠN ………………………………………………………………………..05
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT …………………………….…06
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU …………………………………………………...07
DANH MỤC HÌNH VẼ ……………………………………………………………..08
MỞ ĐẦU …………………………………………………………………………….10
CHƢƠNG 1- TỔNG QUAN ………………………………………………………..12
1.1- Lịch sử phát triển và ứng dụng của robot ………………………………………12
1.1.1- Lịch sử phát triển …………………………………………………………12
1.1.2- Ứng dụng ………………………………………………………………….14
1.2- Phân loại ………………………………………………………………………..16
1.2.1- Phƣơng pháp (tiêu chí) phân loại …………………………………………16
1.2.2- Phân loại robot ……………………………………………………………16
1.3- Tổng quan về mô phỏng không gian hoạt động roboot ………………………..19
1.3.1- Vấn đề đặt ra ……………………………………………………………..19
1.3.2- Một số chƣơng trình mơ phỏng …………………………………………..20
1.4- Các q trình sản xuất cơ khí và khả năng ứng dụng của robot ……………….20
1.4.1- Quá trình gia cơng cắt gọt ………………………………………………..20
1.4.2- Q trình lắp ráp .........................................................................................21
1.4.3- Quá trình hàn ……………………………………………………………..23
1.4.4- Quá trình đúc ……………………………………………………………..24
1.4.5- Quá trình gia công áp lực …………………………………………………26
1.5- Vấn đề đặt ra và kết luận ……………………………………………………….26

CHƢƠNG 2- MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA, KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VÙNG
HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT ………………………………………..27
2.1- Khái niệm, định nghĩa về bàn tay kẹp robot ……………………………………27

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 2


Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội

2.1.1- Khái niệm, định nghĩa …………………………………………………….27
2.1.2- Vị trí và định hƣớng bàn tay kẹp ................................................................29
2.1.3- Độ cơ động và hệ số phục vụ ......................................................................30
2.2- Vùng hoạt động của robot ……………………………………………………...32
2.2.1- Một số định nghĩa …………………………………………………………32
2.2.2- Vùng hoạt động của một số robot phỏng sinh sáu bậc tự do ……………..36
2.3- Ý nghĩa và ứng dụng thực tế ……………………………………………………38
2.4- Kết luận Chƣơng 2 ……………………………………………………………...39
CHƢƠNG 3- NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG KGHĐ MỘT SỐ ROBOT PHỎNG SINH
SÁU BẬC TỰ DO ………………………………………………….39
3.1- Thuật tốn, chƣơng trình xác định vùng hoạt động cực đại của robot …………39
3.1.1- Cơ sở dữ liệu ……………………………………………………………...39
3.1.2- Mơ tả và phân tích dạng hình học vùng hoạt động cực đại ………………47
3.1.3- Xây dựng thuật toán xác định và mô phỏng vùng hoạt động ……….........50
3.1.4- Chƣơng trình mơ phỏng (Phụ lục) ………………………………………..88
3.2- Xác định vùng hoạt động của robot theo hệ số phục vụ ……………………….88
3.2.1- Cơ sở lý thuyết ……………………………………………………………88

3.2.2- Xác định hệ số phục vụ vùng hoạt động của một số robot ……………….91
3.3- Kết quả mô phỏng không gian hoạt động của một số robot phỏng sinh .............99
3.3.1- Kết quả mô phỏng bằng ngôn ngữ Matlab ……………………………….99
3.3.2- Kết quả mô phỏng bằng ngôn ngữ Autodesk Inventor ………………….103
3.4- Kết luận ………………………………………………………………………..106
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……………………………..………………………107
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………….109

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 3


Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những nội dung mà tơi trình bày trong luận văn này là do sự tìm hiểu
và nghiên cứu của bản thân. Mọi kết quả nghiên cứu cũng nhƣ ý tƣởng của các tác giả
khác nếu có, đều đƣợc trích dẫn đầy đủ.
Luận văn này, cho đến nay vẫn chƣa đƣợc ai bảo vệ tại bất kỳ một hội đồng bảo vệ
luận văn thạc sĩ trên toàn quốc cũng nhƣ nƣớc ngoài và cho đến nay cũng chƣa đƣợc bất
cứ ai công bố trên các phƣơng tiện thông tin đại chúng nào.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về những lời cam đoan của mình.
Hà Nội, ngày

tháng 09 năm 2012
Tác giả

Nguyễn Bá Ân

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 4


Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội
LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới:
Thầy hƣớng dẫn - GVC. TS. Nguyễn Ngọc Thành đã tận tình giúp đỡ chỉ dẫn tác giả
hồn thành luận văn.
Bộ mơn Hàn - CNKL, Viện Cơ Khí, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào
tạo Sau Đại học đã tạo mọi điều kiện cho việc học tập nghiên cứu, tiến hành luận văn của
tác giả đƣợc hoàn thành đúng thời hạn.
Gia đình cùng tồn thể anh em bạn bè, đồng nghiệp đã quan tâm động viên, giúp đỡ
tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Hà Nội, ngày

tháng 09 năm 2012
Tác giả

Nguyễn Bá Ân

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 5

Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
KGHĐ – Không gian hoạt động.
VN – Vạn năng.
CD – Chuyên dùng.
TĐ – Tự động.
TĐH- Tự động hóa.
BTĐ – Bán tự động.

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 6


Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang

Bảng 3.1- Giới hạn chuyển động các khớp quay Robot Kuka ………………………40
Bảng 3.2- Giới hạn chuyển động các khớp quay Robot Motoman ………………….43
Bảng 3.3- Giới hạn chuyển động các khớp quay Robot Almega AX-MV6 …………46
Bảng 3.4- Vị trí điểm P và hệ số phục vụ  2 j Robot Kuka …………………………..92
Bảng 3.5- Vị trí điểm P và hệ số phục vụ  2 j của Robot Motoman MA-1400 ............95

Bảng 3.6- Vị trí điểm P và hệ số phục vụ  2 j của Robot Almega AX-MV6 ………...97

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 7


Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội
DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang

Hình 1.1- Tọa độ Đề các …………………………………………………………..17
Hình 1.2- Tọa độ trụ ……………………………………………………………….17
Hình 1.3- Robot Scara ……………………………………………………………..17
Hình 1.4- Tọa độ cầu ………………………………………………………………18
Hình 1.5- Tọa độ cầu ………………………………………………………………18
Hình 1.6- Robot ứng dụng trong gia cơng cắt gọt …………………………………21
Hình 1.7- Robot ứng dụng lắp ráp động cơ ………………………………………...22
Hình 1.8- Robot ứng dụng lắp ráp ô tô ……………………………………………..22
Hình 1.9- Robot ứng dụng hàn khung vỏ ô tô ………………………………………23
Hình 1.10- Ứng dụng ba robot vào nguyên cơng sấy, lắp ráp khn và .v.v……….24
Hình 1.11- Robot ứng dụng các cơng việc đúc áp lực ……………………………...25
Hình 1.12- Robot ứng dụng cấp phơi trong gia cơng áp lực………………………...25
Hình 2.1- Tâm bàn tay kẹp…………………………………………………………...27
Hình 2.2a- Tâm bàn tay kẹp khi hàn điểm…………………………………………..28
Hình 2.2b- Tâm bàn tay kẹp khi hàn hồ quang……………………………………...28
Hình 2.3- Vị trí và định hƣớng của mỏ hàn……………………………………….…29
Hình 2.4- Một số dạng vùng hoạt động rơ bốt………………………………………33

Hình 2.4- Một số dạng vùng hoạt động rơ bốt (tiếp)………………………………...33
Hình 2.5- Các khả năng định hƣớng của rơ bốt………………………………….…..34
Hình 2.6- Vùng hoạt động có hƣớng khơng đổi……………………………………..35
Hình 2.7- Vùng hoạt động thực tế của rơ bốt………………………………………..36
Hình 2.8- Vùng hoạt động của robot Almega AX-MV6…………………………….36
Hình 2.9- Robot Kuka KR6-ARC……………………………………………………37
Hình 2.10- Robot Motoman MA-1400……………………………………………….37
Hình 3.1 -Vùng hoạt động cực đại của Robot Kuka KR6-ARC……………………..39
Hình 3.2 - Sơ đồ động học Robot Kuka KR6-ARC………………………………….41
Hình 3.3- Vùng hoạt động cực đại của Motoman MA1400………………………….42

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 8


Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội

Hình 3.4- Sơ đồ động học của Motoman -MA1400………………………………….43
Hình 3.5- Vùng hoạt động cực đại robot Almega AX-MV6…………………………44
Hình 3.6- Sơ đồ động học Robot Almega AX-MV6. ……………………………….46
Hình 3.7- Dạng vùng hoạt động cực đại Robot Kuka KR6-ARC …………………...47
Hình 3.8- Vùng hoạt động cực đại Robot Motoman MA-1400………………………48
Hình 3.9- Dạng vùng hoạt động cực đại.của Almega AX-MV6……………………..49
Hình 3.10a- Vị trí khi cánh tay trên (l2), cánh tay dƣới (l1) duỗi thẳng........................87
Hình 3.10b- Vị trí khi cánh tay trên (l2), cánh tay dƣới (l1) co lại (“thẳng”)…………87


Hình 3.11- Xác định véc tơ R j ……………………………………………………….89
Hình 3.12a- Khơng gian hoạt động của Robot Kuka. ……………………………………98
Hình 3.12b- Khơng gian hoạt động của Robot Kuka……………………………….....99

Hình 3.13a- Khơng gian hoạt động của Robot Motoman…………………………..100
Hình 3.13b- Khơng gian hoạt động của Robot Motoman…………………………..100
Hình 3.14a- Khơng gian hoạt động của Robot Almega AX-MV6………………….101
Hình 3.14b- Khơng gian hoạt động của Robot Almega AX-MV6. ………………...102
Hình 3.15a- Khơng gian hoạt động của Robot Kuka KR6-ARC (hình chiếu bằng).102
Hình 3.15b- Khơng gian hoạt động của Robot Kuka KR6-ARC (hình chiếu đứng).103
Hình 3.16a- Khơng gian hoạt động của Robot Motoman (hình chiếu đứng)……….103
Hình 3.16b- Khơng gian hoạt động của Robot Motoman (hình chiếu bằng)……….104
Hình 3.17a- Khơng gian hoạt động của Robot Almega AX-MV6 …………………104
Hình 3.17b- Khơng gian hoạt động của Robot Almega AX-MV6………………….105

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 9


Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội
MỞ ĐẦU

Với xu thế phát triển mạnh mẽ của công nghệ, các thành tựu trong lĩnh vực khoa học,
kỹ thuật ngày càng đƣợc ứng dụng một cách rộng rãi; trong đó khơng thể kể đến kỹ thuật,
công nghệ robot, đặc biệt là các loại robot phỏng sinh sáu bậc tự do, chúng giữ vai trị khá
quan trọng trong sản xuất tự động hóa. Do đó, kỹ thuật, cơng nghệ robot khơng chỉ đƣợc
ứng dụng trong những ngành cơng nghiệp tiên tiến, mà cịn đƣợc ứng dụng phục vụ đời

sông con ngƣời bởi những khả năng và ƣu điểm vƣợt trội so với các loại máy móc thơng
thƣờng, mà cịn bởi những hoạt động, “suy nghĩ “ có thể bắt chƣớc giống hệt con ngƣời.
Trong sự nghiệp cơng nghiệp hố, hiện đại hố đất nƣớc, vấn đề tự động hố sản xuất
có vai trị đặc biệt quan trọng. Hiện nay, ngày càng nhiều dây chuyền sản xuất mới, hiện
đại đƣợc nhập về Việt Nam, đã thay đổi đáng kể bộ mặt của nền công nghiệp nƣớc nhà.
Trong các dây chuyền đó, robot cơng nghiệp xuất hiện ngày càng nhiều, thay thế dần vai
trò của con ngƣời. Nó đã góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao
chất lƣợng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện đáng kể điều kiện
lao động. Ngồi ra, robot cịn đƣợc ứng dụng làm thay con ngƣời trong những môi trƣờng
đặc biệt nhƣ trong mơi trƣờng có bụi bẩn, ẩm ƣớt, nóng nực, ồn ào và độc hại quá mức
cho phép.
Tuy nhiên, vấn đề khai thác hiệu quả sử dụng robot công nghiệp cần đƣợc đặt ra với
nhiều cơ sở sản xuất, nghiên cứu và đào tạo. Sử dụng robot không chỉ dừng lại ở việc vận
hành, sửa chữa, mà còn phải quan tâm đến hiệu quả khai thác không gian hoạt động của
robot để có thể thực hiện đƣợc nhiều cơng việc nhất trong khơng gian đó, tiết kiệm thời
gian, tạo ra năng suất lao động cao, hạ giá thành sản phẩm, góp phần khai thác triệt để các
tính năng của các robot công nghiệp; đồng thời đƣa vấn đề này vào giảng dạy và nghiên
cứu một cách có hiệu quả nhất.
Với những ứng dụng cũng nhƣ các ƣu điểm trong việc khai thác không gian hoạt động
của các loại robot phỏng sinh sáu bậc tự do, nên tác giả đã quyết định chọn đề tài :
“Nghiên cứu, xây dựng thuật toán và chƣơng trình mơ phỏng khơng gian hoạt động một
số robot phỏng sinh sáu bậc tự do ứng dụng vào các q trình sản suất cơ khí ”

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 10


Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội

Đề tài này tập trung nghiên cứu, xây dựng thuật tốn và chƣơng trình mô phỏng không
gian hoạt động, nâng cao khả năng công nghệ của một số robot phỏng sinh sáu bậc tự do,
đƣợc ứng dụng trong các quá trình sản xuất cơ khí, nhƣ: đóng tàu, các dây chun sản
xuất xe hơi, xe máy, .v.v., giúp nâng cao năng suất, chất lƣợng lao động, giảm sức ngƣời
trong môi trƣờng làm việc độc hại.
Đề tài gồm 3 chƣơng với nội dung chính nhƣ sau:
Chƣơng 1- Tổng quan
Chƣơng 2- Các định nghĩa, khái niệm cơ bản về thuật tốn, chương trình và
khơng gian hoạt động của một số robot phỏng sinh sáu bậc tự do
Chƣơng 3- Nghiên cứu, xây dựng thuật toán và chương trình mơ phỏng
khơng gian hoạt động một số robot phỏng sinh sáu bậc tự do ứng
dụng vào các quá trình sản suất cơ khí
Để có thể hồn thiện đƣợc đề tài này, ngoài sự cố gắng của bản thân, tác giả xin chân
thành cảm ơn các thầy, cô giáo cùng các cán bộ trong Bộ môn Hàn - CNKL, Bộ mơn Cơ
Điện Tử, Viện Cơ Khí, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện và trang bị
những kiến thức cho tác giả trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu tại trƣờng .
Tác giả đặc biệt cảm ơn thầy giáo GVC. TS. Nguyễn Ngọc Thành là ngƣời đã trực
tiếp hƣớng dẫn chỉ bảo tận tình để tác giả hoàn thiện đề tài luận văn này.
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài, tác giả đã vận dụng những kiến thức lĩnh hội
đƣợc và tìm hiểu qua các tài liệu chuyên ngành liên quan. Nhƣng do kinh nghiệm và kiến
thức cịn hạn chế, nên q trình thực thiện đề tài khơng tránh khỏi những sai sót. Tác giả
mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của các thầy, cơ và mọi ngƣời, để đề tài đƣợc
hồn chỉnh hơn.
Hà Nội, ngày ….. tháng 09 năm 2012
Học viên

Nguyễn Bá Ân

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 11


Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội
CHƢƠNG 1- TỔNG QUAN

1.1- Lịch sử phát triển và ứng dụng của robot
1.1.1- Lịch sử phát triển
Do nhu cầu của con ngƣời ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phƣơng tiện tự
động hoá. Xu hƣớng tạo ra những thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang hình thành.
Các thiết bị này đang thay thế dần các máy tự động cứng, mà những máy này chỉ đáp ứng
đƣợc một loại việc nhất định. Điều này dẫn đến nhu cầu ứng dụng robot để tạo ra các hệ
thống tự động linh hoạt.
Thuật ngữ robot đƣợc sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xƣởng sản xuất.
Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở NewYork vào ngày 09/10/1922 trong vở múa
rối “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch ngƣời Tiệp Karen Kapek, sang tác
năm 1921. Thuật ngữ robot là cách gọi tắt của danh từ robota - theo tiếng Tiệp có nghĩa là
cơng việc tạp dịch. Trong tác phẩm này, nhân vật Rossum và con trai của ông đã tạo ra
chiếc máy gần giống nhƣ con ngƣời để “hầu hạ” con ngƣời.
Hơn 20 năm sau, ƣớc mơ viễn tƣởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực. Ngay sau
chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những cánh tay máy điều khiển từ xa
trong các phịng thí nghiệm vật liệu phóng xạ.
Vào những năm 50, bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí, đã xuất hiện các loại tay
máy chép hình thuỷ lực và điện từ, nhƣ tay máy Minotaur hoặc tay máy Handyman của
General Electric.
Năm 1954 George C. Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là “Cơ cấu bản lề chuyển

hàng theo chương trình”.
Đến năm 1956, Devol cùng với Joseph F. Engelber - kỹ sƣ trẻ của công nghiệp hàng
không, đã tạo ra loại robot công nghiệp đầu tiên năm 1959 ở công ty Unimation. Chỉ đến
năm 1975 công ty Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm robot đầu tiên này.
Chiếc Robot công nghiệp đƣợc đƣa và ứng dụng đầu tiên năm 1961 , ở một nhà máy
ôtô của General Motors tại Trenton, New Jersey, Hoa Kì.

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 12


Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội

Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của
Hoa Kì (American Machine and Foundry Company).
Đến năm 1990, hơn 40 cơng ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ nhƣ
công ty Hitachi, Mitsubishi đã đƣa ra thị trƣờng quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng.
Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng kỹ thuật của robot đã chú ý
nhiều đến việc trang bị thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trƣờng làm
việc. Tại trƣờng đại học tổng hợp Stanford ngƣời ta đã tạo loại robot lắp giáp tự động điều
khiển bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác. Vào thời
gian này công ty IBM đã chế tạo loại robot có cảm biến xúc giác và cảm biến lực, điều
khiển bằng máy vi tính để lắp ráp các máy.
Vào thời điểm này ở nhiều nƣớc khác, cũng tiến hành cơng trình nghiên cứu tƣơng tự,
tạo ra các robot điều khiển bằng máy vi tính, có lắp đặt các thiết bị cảm biến và các thiết
bị giao tiếp ngƣời với máy.
Một lĩnh vực đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm là robot tự hành. Các cơng trình

nghiên cứu tạo ra robot tự hành theo hƣớng bắt chƣớc chân ngƣời hoặc súc vật. Các robot
này còn chƣa ứng dụng nhiều trong công nghiệp. Tuy nhiên các loại xe robot (robocar) lại
nhanh chóng đƣa vào hoạt động trong các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt.
Từ những năm 80, nhất là những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về
vi xử lý và công nghệ thông tin, số lƣợng robot công nghiệp đã ra tăng, giá thành giảm đi
rõ rệt, tính năng có nhiều bƣớc tiến vƣợt bậc. Nhờ vậy, robot cơng nghiệp có vai trò quan
trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.
Ngày nay, chuyên ngành khoa học về robot - “robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng
của nhiều ngành khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu, động học, động lực học,
lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động, .v.v.
Những robot thực sự có ích, đƣợc nghiên cứu để đƣa vào những ứng dụng
trong công nghiệp, y học, đời sống, quân sự, không gian vũ trụ, .v.v.
Q trình phát triển của robot có thể đƣợc chia ra nhƣ sau:
- Thời kỳ sơ khai (từ năm 1946 trở về trƣớc), đây là giai đoạn phát triển của sản xuất
tiến dần tới tự động hóa cơ khí.

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 13


Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội

- Thời kỳ tiền robot (1946 - 1961), đây là thời kỳ phát triển của các robot thƣơng mại
đầu tiên phục vụ cho công nghiệp nguyên tử.
- Kỷ nguyên robotics (từ năm 1961 trở về đây), năm 1961 tại Trenton, New Jersey,
Hoa Kỳ, robot công nghiệp lần đầu tiên đƣợc đƣa vào ứng dụng trong ngành sản xuất ô tô
tại một nhà máy của hãng General Motors. Trong các nhà máy sản xuất công nghiệp, đã

xuất hiện rất nhiều loại robot khác nhau góp phần nâng cao số lƣợng và chất lƣợng của
sản phẩm.
Hiện nay, robot đang bƣớc sang thế hệ mới. Từ các robot điều khiển theo kiểu thao tác
(Manual input) rồi đến điều khiển dẫn đƣờng - dạy học, các kiểu điều khiển này gọi chung
là điều khiển có chƣơng trình dẫn đƣờng (dạy học).
Tiếp theo, đến các robot có trình điều khiển thích nghi - thơng minh, robot có trí khơn
(Robot Spiens) và robot thân thiện với con ngƣời. Xu hƣớng này đã đạt đƣợc nhiều thành
tựu cao nhƣng còn nhiều hạn chế, đòi hỏi sự phát triển cao hơn nữa trong nghiên cứu và
sáng tạo của con ngƣời.
1.1.2- Ứng dụng robot trong sản xuất công nghiệp
Robot công nghiệp chủ yếu đƣợc dùng cho các thao tác lặp lại nhiều lần nhƣ chuyển
tải và xếp dỡ vật tƣ, lắp ráp các chi tiết máy thành cụm. Nó cịn đƣợc dùng trong các môi
trƣờng nguy hiểm bao gồm chuyển tải vật liệu phóng xạ, thám hiểm khơng gian và đáy
biển, khai thác mỏ, quân sự, hàn, sơn, phun phủ, .v.v. Ngoài ra, robot còn đƣợc dùng trong
xây dựng, y tế và giúp việc trong gia đình.
Cho đến nay, trên thế giới có rất nhiều phịng thí nghiệm, các hãng, cơng ty nghiên
cứu, thiết kế và chế tạo robot. Những hiệp hội nghiên cứu robot đã đƣợc ra đời nhƣ: RIA
(Hoa Kỳ), AFRI (Pháp), BRA (Anh), JIRA (Nhật Bản), .v.v. Robot ngày càng hiện đại, đa
dạng về chủng loại và lĩnh vực ứng dụng ngày càng phong phú. Điều đó đã khẳng định vai
trị của robot trong sản xuất cơng nghiệp cũng nhƣ nền kinh tế thế giới.
Nhằm góp phần nâng cao năng suất dây truyền cơng nghệ trong sản xuất cơ khí, giảm
giá thành, nâng cao và ổn định chất lƣợng, tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng
thời cải thiện điều kiện, môi trƣờng làm việc, đƣợc xuất phát từ những ƣu điểm cơ bản của

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 14


Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội

robot phỏng sinh sáu bậc tự do và đã đƣợc đúc kết qua nhiều năm ứng dụng ở nhiều nƣớc.
Những ƣu điểm đó là:
- Robot phỏng sinh sáu bậc tự do có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý, bằng
hoặc hơn một ngƣời thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc.Vì thế
robot có thể nâng cao chất lƣợng và khẳ năng cạnh tranh của sản phẩm. Hơn thế, nó cịn
có thể nhanh chóng thay đổi cơng việc, thích nghi nhanh với việc thay đổi mẫu mã, kích
cỡ của sảm phẩm theo yêu cầu của thị trƣờng cạnh tranh.
- Có khả năng giảm giá thành sản phẩm do giảm đáng kể chi phí cho ngƣời lao động,
nhất là ở các nƣớc có mức cao về tiền lƣơng của ngƣời lao động.
Ở nƣớc ta, trong những năm gần đây có nhiều doanh nghiệp, khoản chi phí về lƣơng
cũng chiếm tỷ lệ cao trong giá thành sản phẩm.
- Việc ứng dụng Robot sẽ tăng năng suất của dây chuyền công nghệ. Trong dây
chuyền sản xuất, nếu không thay thế con ngƣời bằng robot thì ngƣời thợ sẽ sớm mệt mỏi
hoặc không theo kịp. Theo tài liệu của Fanuc (Nhật Bản), năng suất khi ứng dụng Robot
trong sản xuất sẽ tăng hơn 3 lần, thậm chí cịn hơn thế nữa so với các thao tác cơ khí và
thủ cơng.
- Ứng dụng robot trong cơng nghiệp và trong các q trình sản xuất cơ khí sẽ cải thiện
đáng kể điều kiện lao động. Đó là ƣu điểm nổi bật nhất mà chúng ta cần phải quan tâm.
Trong thực tế sản xuất, có những nơi - ngƣời lao động phải làm việc suốt buổi trong mơi
trƣờng bụi bặm, ẩm ƣớt, nóng nực, ồn ào quá mức gấp cho phép nhiều lần. Thậm chí ở
nhiều nơi, ngƣời lao động phải làm việc trong môi trƣờng độc hại, nguy hiểm đến sức
khỏe của con ngƣời, dễ xảy ra tai nạn, nhiễm chất độc hại vào cơ thể, nhiễm sóng điện từ,
phóng xạ, .v.v.
Tỷ lệ phân bố các loại công việc đƣợc dùng robot:
1. Đúc áp lực:

18,3% ;

2. Hàn điểm:

14,7%

3. Hàn hồ quang:

12,3%

4. Cấp phôi:

9,6%

5. Lắp ráp:

9,5%

Học viên: Nguyễn Bá Ân

9. Các việc khác:

30,3%

Page 15


Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội

6. Nghiên cứu, đào tạo: 5,7%
7. Phun phủ bề mặt:

5,7%

8. Nâng chuyển, xếp đặt: 3,9%
Tỷ lệ phân bố các hình thức điều khiển robot:
1. Điều khiển bằng tay:

4%

2. Điều khiển theo chu kỳ cứng:

59%

3. Điều khiển theo chu kỳ thay đổi theo chƣơng trình: 11%
4. Điều khiển bằng dạy học:

18%

5. Điều khiển theo chƣơng trình số:

5%

6. Điều khiển thích nghi:

3%

1.2- Phân loại
1.2.1- Phƣơng pháp (tiêu chí) phân loại

Robot có thể phân loại dựa theo nhiều tiêu chí. Chẳng hạn, theo dạng cấu trúc động
học (robot chuỗi động hở hay chuỗi động kín); theo số bậc tự do; theo loại truyền động;
theo hình thức điều khiển; .v.v. Tùy theo nhu cầu nghiên cứu, khảo sát mà lựa chọn tiêu
chí phân loại cho phù hợp.
Dƣới đây giới thiệu một số robot đƣợc phân loại theo một vài tiêu chí hay đƣợc quan
tâm trong kỹ thuật robot.
1.2.2- Phân loại rô bốt
Theo số bậc tự do - trong không gian 3 chiều, đối với robot chuỗi động hở, số bậc tự
do đƣợc thiết kế tùy thiết kế tùy thuộc vào nhu cầu công việc thực tế mà robot đảm nhiệm;
có thể là 1 hoặc 2, .v.v., hoặc 6 bậc tự do. Đơi khi cịn lớn hơn 6.
Đối với những loại cơng việc có thao tác đơn giản, lặp đi lặp lại nhiều lần và cần đƣợc
chun mơn hóa, TĐH cao, ngƣời ta sẽ thiết kế robot có 1 đến 2 bậc tự do. Loại công việc
cần nhiều thao tác hơn sẽ thiết kế robot có 3 đến 4 bậc tự do. Khi mà các thao tác cơng
nghệ địi hỏi mức độ khéo léo, phức tạp hơn nữa, thì các robot với 5 đến 6 bậc tự do sẽ

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 16


Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội

đƣợc thiết kế và áp dụng một cách có hiệu quả. Hình 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 và 1.5 giới thiệu
một số robot với: 3, 3, 4, 3 và 3 bậc tự do.
Theo dạng không gian làm việc (khả năng với tới và định hướng của robot) - theo [1],
gồm có:
Khơng gian làm việc cực đại (hình 1.1 đến 1.5).
Khơng gian làm việc tồn phần (hình 1.4 đến 1.5 trong đó có có một số vùng chứa

khơng gian hoạt động tồn phần).
Khơng gian làm việc một phần (hình 1.4 đến 1.5 trong đó có có một số vùng chứa
không gian hoạt động một phần).
Không gian làm việc có hƣớng khơng đổi (hình 1.1 đến 1.3).
Khơng gian làm việc thực tế (hình 1.7 đến 1.12).
Theo loại truyền động - có các loại:
Robot truyền động điện, robot truyền động cơ khí, robot truyền động thủy lực, robot
truyền động khí nén, robot truyền động kết hợp các loại truyền động trên.
Theo dạng kết cấu hệ tọa độ - gồm các
loại: Robot hoạt động trong hệ tọa độ Đề các
(hình 1.1).
Robot hoạt động trong hệ tọa độ trụ (hình
1.2).
Hình 1.1- Tọa độ Đề các.

Hình 1.2- Tọa độ trụ.
Hình 1.3 giới thiệu robot Scara, là một
dạng robot tọa độ trụ.

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Hình 1.3- Robot Scara.
Page 17


Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội

Hình 1.3- Robot Scara (tiếp).

Hình 1.4- Tọa độ cầu.
Robot hoạt động trong hệ tọa độ cầu (hình
1.4, 1.5).

Hình 1.5- Tọa độ cầu.
Theo loại khớp động - gồm có robot:
Tồn khớp tịnh tiến: TTT (hình 1.1).
Khớp quay - tịnh tiến - tịnh tiến: QTT (hình 1.2).
Quay - quay - quay - tịnh tiến: QQQT (hình 1.3).
Quay - quay - tịnh tiến: QQT (hình 1.4).
Quay - quay - quay: QQQ (hình 1.5), .v.v.
Theo nguyên lý điều khiển - có hai loại: robot điều khiển theo nguyên lý hở và robot
điều khiển theo nguyên lý kín.
Điều khiển hở thƣờng dùng truyền động bƣớc (bằng động cơ điện hoặc động cơ thuỷ
lực, khí nén, .v.v.) mà quãng đƣờng và góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển.
Nguyên lý điều khiển này đơn giản, đạt độ chính xác thấp khi xích truyền động dài.
Điều khiển kín (điều khiển servo) sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác
điều khiển. Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm, điều khiển theo đƣờng

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 18


Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội

(contour). Nguyên lý điều khiển này có cấu trúc phức tạp hơn, đạt độ chính xác cao hơn,
nhƣng giá thành đắt hơn.

Ngồi ra, có thể phân loại robot theo những tiêu chí khác, chẳng hạn: theo thế hệ (mức
độ thông minh, hiện đại); theo dạng điều khiển, có các dạng điều khiển: bằng tay, theo chu
kỳ cứng, theo chu kỳ thay đổi theo chƣơng trình, bằng dạy học, theo chƣơng trình, điều
khiển có thích nghi, .v.v. ; hay theo phạm vi ứng dụng, có: robot lắp ráp, robot hàn, robot
sơn, robot cấp phôi, .v.v.
1.3- Tổng quan về mô phỏng không gian hoạt động robot
1.3.1- Vấn đề đặt ra
Trên thế giới, việc nghiên cứu, thiết kế mô phỏng không gian hoạt động robot công
nghiệp đã đƣợc triển khai ở các mức độ khác nhau. Hầu hết các robot này đều có (đƣợc
thiết kế vẽ ra) một không gian hoạt động ứng với cấu trúc động học và kích thƣớc của
chúng. Tuy nhiên, về lý thuyết các không gian hoạt động này chỉ cho biết phạm vi hoạt
động của chúng; chưa phản ánh hết được những tính năng kỹ thuật, cơng nghệ cụ thể
hơn nữa mà chúng có thể đạt được. Đó là một trong số các yêu cầu cần đƣợc giải quyết
trong sản xuất. Ví dụ: trong mỗi không gian hoạt động, vùng nào robot xác định vị trí và
định hƣớng tốt nhất (đƣợc nhiều nhất); vùng nào trung bình hay vùng nào kém nhất. Điều
này rất có ý nghĩa thực tế, sẽ giúp cho việc gá lắp đối tƣợng công nghệ (phôi, bán thành
phẩm) vào vùng mà thao tác của robot dễ dàng, thuận tiện nhất và đối tƣợng cơng nghệ ít
phải thay đổi gá lắp nhất (một lần gá) trong quá trình gia công. Trong luận văn này, sẽ giải
quyết ở một mức độ nhất định u cầu này.
Ngồi ra, các khơng gian hoạt động được vẽ ra bằng cách nào cho từng robot cụ thể
thì các nhà thiết kế hay các nhà cung cấp không đƣa ra chi tiết cho ngƣời sử dụng (các cơ
sở sản xuất, đào tạo) biết. Vì thế, đây cũng là một trong những nội dung sẽ đƣợc nghiên
cứu, giải quyết trong luận văn này. Trƣớc đây, vấn đề này đã đƣợc nghiên cứu cho robot
Almega AX-MV6; trên cơ sở đó, tác giả nghiên cứu tiếp cho các robot Kuka (Đức) và
Motoman (Nhật).

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 19

Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội

Cơ sở lý thuyết để giải quyết các nội dung trên cần căn cứ vào việc giải các bài toán
động học (thuận, ngƣợc) robot sẽ đƣợc trình bày ở các chƣơng tiếp theo.
1.3.2- Một số chƣơng trình mơ phỏng
Hiện nay, có nhiều chƣơng trình mô phỏng dạng “đề mô” đang sử dụng nhiều và bằng
các ngôn ngữ khác nhau, chẳng hạn: Catia, Proengineer, Inventor, .v.v. của các hãng OTC
Daihen, Kuca, Fanuc, Panasonic, .v.v.
Trong luận văn này, tác giả sử dụng phần mềm Matlab và Autodesk Inventor để lập
trình mơ phỏng xác định (vẽ) khơng gian hoạt động các robot Kuka-KR6, Motoman MA1400, Almega AX-MV6 và đƣợc trình bày trong Phụ lục của luận văn.
1.4- Các q trình sản xuất cơ khí và khả năng ứng dụng của rô bốt
Cho đến nay, ở các mức độ khác nhau, tất cả các quá trình sản xuất cơ khí đều có ứng
dụng robot cơng nghiệp dạng phỏng sinh. Dƣới đây giới thiệu một số quá trình gia cơng
cơ khí cơ bản đƣợc ứng dụng robot.
1.4.1- Q trình gia cơng cắt gọt
Hình 1.6 mơ tả robot làm nhiệm vụ cấp phôi cho các máy gia công cắt gọt (tiện CNC).

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 20


Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội

Hình 1.6- Robot ứng dụng trong gia cơng cắt gọt.

Hình bên trái, robot cấp phơi (tháo/lắp) cho một máy tiện CNC. Hình bên phải, một ro
bot cấp phơi cho hai máy đánh bóng và một máy tiện.
1.4.2- Q trình lắp ráp cơ khí
Hình 1.7 giới thiệu robot làm nhiệm vụ lắp ráp trên dây chuyền lắp ráp động cơ.
Chuyển động theo nhịp (gián đoạn) của dây chuyền đƣợc điều khiển phối hợp với các
thao tác lắp ráp của robot. Dây chuyền này, đƣợc bố trí nhiều robot đảm nhận các nhiệm
vụ (thao tác) lắp ráp trên các vị trí khác nhau của động cơ.
Hình 1.8 là dây chuyền robot lắp ráp ô tô. Trong đó có nhiều ngun cơng lắp ráp bằng
hàn và lắp ráp bằng cơ khí (lắp bằng ren). Tƣơng tự dây chuyền ở hình 1.7, dây chuyền
này là một hệ thống các robot phỏng sinh đƣợc điều khiển qua một trung tâm, phối hợp
với chuyển động theo nhịp của dây chuyền. Mỗi robot đƣợc phân cơng, đảm nhiệm (lập
trình) một số thao tác công nghệ xác định.
Các dây chuyền loại này đƣợc áp dụng cho quy mô sản xuất hàng loạt.
Trong chế tạo máy và dụng cụ đo, chi phí lắp ráp chiếm đến 40% giá thành sản phẩm.
Nếu áp dụng robot tự động hóa lắp ráp, chi phí chiếm khoảng quá (10÷15)% giá thành sản

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 21


Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội

Hình 1.7- Robot ứng dụng lắp ráp động cơ.
phẩm. Điều này cho thấy ý nghĩa rất quan trọng của ứng dụng robot vào quá trình lắp ráp.

Hình 1.8- Robot ứng dụng lắp ráp ơ tô.

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 22


Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội

Khi dùng robot lắp ráp, yếu tố thời gian và độ chính xác định vị là vấn đề cơ bản và
quan trọng, nếu bằng thao tác thủ công, nhất là trong sản xuất hàng loạt, thì các yếu tố này
khơng thể bảo đảm. Hơn nữa, tính linh hoạt để đáp ứng nhiều loại cơng việc, nhiều loại
sản phẩm thì robot hồn tồn đáp ứng đƣợc các yêu cầu này..
1.4.3- Quá trình hàn
Các quá trình hàn và nhiệt luyện thƣờng bao gồm nhiều nguyên công, bƣớc mà tại đó,
tính chất cơng việc rất nặng nhọc, độc hại và ở nhiệt độ cao. Do vậy, robot cơng nghiệp đã
nhanh chóng đƣợc ứng dụng. Khi sử dụng robot vào quá trình hàn, đặc biệt là hàn hồ
quang, với mối hàn chạy theo đƣờng cong không gian, cần phải đảm bảo sao cho điều
chỉnh đƣợc phƣơng trục mỏ hàn đúng theo góc cơng nghệ và thích ứng theo đƣờng cong
đó; đồng thời khoảng cách từ đầu điện cực tới mối hàn ln khơng đổi. Nhiệm vụ đó cần
đƣợc xem xét khi tổng hợp chuyển động của bàn kẹp và xây dựng hệ thống điều khiển có
liên hệ phản hồi để điều khiển các thông số chuyển động của đầu điện và chế độ hàn bằng
một chƣơng trình trong hệ điều khiển (trung tâm) thống nhất. Hình 1.9 giới thiệu một dây
chuyền hàn khung, vỏ ô tô bằng các robot hàn.

Hình 1.9- Robot ứng dụng hàn khung vỏ ơ tô.

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 23

Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội

1.4.4- Quá trình đúc
Một trong các lĩnh vực hay ứng dụng robot là kỹ nghệ đúc. Trong phân xƣởng đúc,
công việc rất đa dạng, điều kiện làm việc nóng nực, bụi bặm, cƣờng độ cao, .v.v. Việc tự
động hố tồn phần hoặc từng phần quá trình đúc bằng dây truyền tự động làm việc phối
hợp với một số robot đã đƣợc ứng dụng.
Thông thƣờng với các máy tự động chuyên dùng, sẽ đòi hỏi phải có các thiết bị phức
tạp, đầu tƣ khá lớn. Vì thế, trên thế giới, robot đã đƣợc ứng dụng rộng rãi để tự động hố
cơng nghệ đúc, phổ biến nhất là đúc áp lực. Đối với công nghệ đúc này, robot có thể làm
đƣợc nhiều việc, nhƣ: rót kim loại lỏng vào khuôn, cắt mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc
làm tăng bền vật đúc bằng cách phun cát, làm sạch và bôi trơn khuôn, .v.v.
Dùng robot phục vụ các máy đúc áp lực có nhiều ƣu điểm, đó là: đảm bảo ổn định chế
độ làm việc, chuẩn hoá về thời gian thao tác, về nhiệt độ và điều kiện tháo vật đúc ra khỏi
khuôn ép, .v.v., bởi thế chất lƣợng vật đúc tăng lên.
Hình 1.10 cho thấy ứng dụng ba robot làm việc phối hợp tại một số ngun cơng (sấy,
lắp khn và rót kim loại lỏng vào khuôn) trong dây chuyền đúc trong khuôn cát. Các
nguyên công cịn lại đƣợc cơ khí hóa hoặc thực hiện bằng tay.

Hình 1.10- Ứng dụng ba robot vào ngun cơng sấy, lắp ráp khn và rót
kim loại lỏng và khn trong dây chuyền đúc trong khuôn cát.

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 24

Luận văn Cao học

Trường ĐHBK Hà Nội

Hình 1.11- Robot ứng dụng các cơng việc đúc áp lực.
Hình 1.11 là ứng dụng hai robot trong dây chuyền đúc áp lực. Robot ở dƣới đảm
nhiệm năm loại cơng việc: múc và rót kim loại lỏng vào khuôn; tháo vật đúc ra khỏi
khuôn (sau khi thiết bị đúc tự động mở nửa khuôn và đẩy ra ngoài); mài sạch ba via; đƣa
vật đúc tới vị trí đặt thiết bị hút để hút sạch mạt kim loại; đặt sản phẩm lên băng tải
(chuyển ra nơi quy định). Robot ở trên đảm nhiệm hai loại cơng việc: làm sạch khn
bằng khí nén (sau khi robot thứ nhất tháo vật đúc ra); phun dầu bôi trơn khn.

Hình 1.12- Robot ứng dụng cấp phơi trong gia cơng áp lực.

Học viên: Nguyễn Bá Ân

Page 25