Nghiên cứu tính toán xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhóm cấu trúc

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ THỊ THU THỦY

NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH
DUNG SAI CHO ROBOT CHUỖI THEO
NHÓM CẤU TRÚC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

THÁI NGUYÊN – 2021


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ THỊ THU THỦY

NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH
DUNG SAI CHO ROBOT CHUỖI THEO
NHÓM CẤU TRÚC
Ngành: K t uật C
Mã số: 9520103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Người ướng dẫn khoa học:

PGS.TS. Phạm Thành Long

THÁI NGUYÊN – 2021


i

LỜI CẢM ƠN
Trong q trình học tập và hồn thành luận án, tác giả luôn nhận được sự
quan tâm, chỉ bảo, tạo điều kiện của các thầy cô giáo Trường Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên và sự giúp đỡ, động viên của gia đình,
người thân, đồng nghiệp.
Đặc biệt, tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc PGS.TS Phạm Thành Long
đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu
và hoàn thành bản luận án này.
Tác giả xin cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Cơ khí - Trường Đại học
Kỹ thuật Cơng nghiệp, các thầy trong bộ mơn Cơ điện tử đã đóng góp ý kiến và
tạo điều kiện giúp đỡ tác giả rất nhiều.
Cuối cùng, xin cảm ơn tất cả những người thân trong gia đình, bạn bè và
đồng nghiệp đã động viên, hỗ trợ, tạo điều kiện và giúp đỡ tác giả trong suốt
khoá học.
NGHIÊN CỨU SINH

Lê Thị Thu Thủy


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận án ―Nghiên cứu tính tốn
xác định dung sai cho robot chuỗi theo nhóm cấu trúc‖ đều do tơi tự thực
hiện hoặc đồng thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Phạm Thành Long.

Để hoàn thành luận án này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã ghi trong mục tài
liệu tham khảo mà không dùng bất cứ một tài liệu khác. Khơng hề có sự sao
chép, gian lận kết quả của bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào khác. Các số liệu
và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực. Tơi xin hồn tồn chịu trách
nhiệm với lời cam đoan trên.
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 4 năm 2021
Tác giả

Lê Thị Thu Thủy


iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN................................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ ii
MỤC LỤC .................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG ..........................................................................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .................................................................................. vii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ DUNG SAI CHO ROBOT ..............8
1.1 Sai số và các nguồn gây sai số .........................................................................8
1.2 Các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước ...............................................16
1.2.1 Các cơng trình nghiên cứu trong nước .......................................................16
1.2.2.1 Những nghiên cứu về thiết kế dung sai ở phương diện định
tính…………………………………………………………………………………...18
1.2.2.2 Những nghiên cứu về thiết kế dung sai ở phương diện định
lượng............................................................................................................................19
1.2.2.3 Thiết kế dung sai theo kinh nghiệm ……………………………….... 21

1.2.2 Các cơng trình nghiên cứu ngồi nước ......................................................17
1.3 Những vấn đề còn tồn tại...................................................................................21
1.4 Hướng nghiên cứu của luận án ..........................................................................23
1.4.1 Giả thuyết khoa học của luận án ................................................................25
1.4.2 Nội dung cơ bản của luận án ......................................................................26
1.4.3 Kết quả nghiên cứu của luận án .................................................................31
C ư ng 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC BIỂU DIỄN MỐI QUAN HỆ
GIỮA DUNG SAI KHÂU, KHE HỞ KHỚP VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA
ROBOT .......................................................................................................................34
2.1 Xây dựng mơ hình tốn trong thiết kế dung sai cho một robot độc lập ............34
2.1.1 Cơ sở xây dựng mơ hình tốn ....................................................................34
2.1.1.1 Phương pháp mơ tả độ chính xác khâu cuối - Hình cầu giới hạn sai số
cho phép ………………………………………………………………. ……………34
2.1.1.2 Mơ hình tốn tổng quát ……………………………………………... 35
2.1.1.3 Giải bài toán động học theo phương pháp số Giảm Gradient tổng quát
(Generalized Reduced Gradient - GRG) …………………………………………… 42
2.1.2 Xây dựng mơ hình tốn cho robot 6DOF ..................................................47
2.1.3 Xây dựng mơ hình tốn cho robot chuỗi 5DOF.........................................55
2.1.4 Xây dựng mơ hình tốn cho robot SCARA 4DOF ....................................60
2.2 Xây dựng mơ hình tốn trong thiết kế dung sai cho các robot cùng nhóm cấu
trúc động học ...........................................................................................................65
2.2.1 Một số khái niệm mới ................................................................................65
2.2.1.1 Hai robot đồng dạng ………………………………………………... 66
2.2.1.2 Tỉ số đồng dạng kích thước ……………………………………….…67
2.2.1.3 Tỉ số độ chính xác ………………………………………………..…..67
2.2.2 Bài tốn số 1 (trường hợp 1 và 2): Hai robot đồng dạng kích thước .........69


iv
2.2.3 Bài toán số 2 (trường hợp 3): Hai robot cùng dạng cấu trúc nhưng không

đồng dạng ............................................................................................................72
CHƯƠNG 3: KIỂM TRA, HIỆU CHỈNH DUNG SAI – HỒN THIỆN Q
TRÌNH THIẾT KẾ ....................................................................................................77
3.1 Phần mềm kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai...........................................................78
3.2 Các chức năng của phần mềm ...........................................................................83
3.2.1 Kiểm tra ......................................................................................................83
3.2.2 Hiệu chỉnh ..................................................................................................84
3.3 Các thao tác và kết quả hiển thị trên phần mềm................................................87
3.3.1 Nhập dữ liệu ...............................................................................................87
3.3.2 Kết quả hiển thị ..........................................................................................89
CHƯƠNG 4: PHÂN VÙNG ĐỘ CHÍNH XÁC TRONG KHÔNG GIAN CÔNG
TÁC .............................................................................................................................93
4.1 Tổng quan ..........................................................................................................93
4.1.1 Lý do thực hiện bài toán.............................................................................93
4.1.2 Các phương pháp nghiên cứu trên thế giới ................................................94
4.1.3 Nội dung tổng quát thực hiện việc phân vùng độ chính xác ......................96
4.2 Quy trình thực hiện ............................................................................................97
4.2.1 Xác định vùng không gian khảo sát ...........................................................97
4.2.2 Đo sai số tại một số điểm mẫu trong không gian khảo sát ........................98
4.2.3 Xử lý số liệu ............................................................................................100
4.2.4 Xây dựng hàm dạng .................................................................................101
4.2.5 Phân vùng độ chính xác ...........................................................................102
CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG TÍNH TỐN XÁC ĐỊNH DUNG SAI CHO MỘT
SỐ ROBOT ĐIỂN HÌNH. .......................................................................................104
5.1 Thiết kế dung sai cho một robot độc lập .........................................................105
5.1.1 Thiết kế dung sai cho robot chuỗi hai bậc tự do ......................................105
5.1.1.1 Xác định xấp xỉ đầu của dung sai …………………………………..105
5.1.1.2 Kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai ……………………………………....106
5.1.2 Thiết kế dung sai cho robot chuỗi sáu bậc tự do ......................................108
5.1.2.1 Xác định giá trị dung sai làm xấp xỉ đầu …………………………..108

5.1.2.2 Kiểm tra và hiệu chỉnh dung sai …………………………………....110
5.2 Thiết kế dung sai dựa trên quan hệ nhóm cấu trúc ..........................................112
5.2.1 Trường hợp 1: Tính tốn robot B đồng dạng với A và k=kr ....................112
5.2.2 Trường hợp 2: Tính tốn dung sai robot B‘ với B‘ và A có k ≠ kr .........113
5.3 Hiệu chỉnh dung sai khi kiểm tra phối hợp .....................................................123
5.4 Thực nghiệm phân vùng độ chính xác trong khơng gian cơng tác .................127
5.4.1 Máy đo độ chính xác và sơ đồ thí nghiệm ...............................................127
5.4.2 Nội suy sai số khâu cuối trong không gian công tác ................................129
5.4.3 Khảo sát kiểm chứng ................................................................................133
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................137
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................139
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................146


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Diễn giải nội dung

Đơn vị

ai

Lượng tịnh tiến dọc theo trục Ox

mm

αi

Góc quay quanh trục Ox

rad

CIM

Computer Intergrated Manufacturing - Hệ thống sản
xuất tích hợp

CMM

Coordinate Measuring Machine - Máy đo tọa độ

CNC

Computerized Numerical Control - điều khiển bằng
máy tính

D-H

Quy tắc Denavit-Hartenberg

di

Lượng tịnh tiến dọc theo trục oz

DOE

Design of Experiment - thiết kế theo thực nghiệm

DOF

Degree of freedom – Bậc tự do

mm

δdi

Sai số kích thước dài khâu i

mm

δqi

Sai số kích thước góc khớp i

rad

k

Tỉ số đồng dạng kích thước

kr

Tỉ số độ chính xác

GA
GRG

Genetic Algorithm - thuật toán di truyền
Generalized Reduced Gradient - phương pháp Giảm
Gradient tổng quát

L

Hàm tối ưu

n

Số bậc tự do của robot

P

Véc tơ vị trí và hướng của khâu thao tác

q

Véc tơ tham số động học

qi

Biến khớp thứ i

rad

r

Bán kính hình cầu sai số cho phép

mm


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2. 1: Bảng thông số D-H của robot 6DOF............................................... 50
Bảng 2. 2: Bảng thông số D-H của robot 5DOF............................................... 56
Bảng 2. 3: Bảng thông số D-H của robot SCARA 4DOF ................................. 61
Bảng 3. 1: Bảng thống kê dữ liệu chi tiết các điểm rơi khi khảo sát lắp lẫn .... 90
Bảng 5. 1: Bảng DH của robot hai khâu ......................................................... 105
Bảng 5. 2: Sự phân bổ dung sai biến khớp và độ phân giải encoder tương ứng
......................................................................................................................... 106
Bảng 5. 3: Kết quả tính dung sai các kích thước khâu và khớp của robot hai
bậc tự do .......................................................................................................... 108
Bảng 5. 4: Thống kê bán kính sai số của robot (C) cho 10 điểm khảo sát ..... 120


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1: Robot chuỗi và robot song song ............................................................. 2
Hình 2: Một số ứng dụng điển hình của robot cơng nghiệp................................ 2
Hình 1. 1: Một số ứng dụng của robot cơng nghiệp ........................................... 9
Hình 1. 2: Một số robot cơng nghiệp điển hình................................................... 9
Hình 1. 3: Robot chuỗi (a) và robot song song (b) ........................................... 10
Hình 1. 4: Ví dụ về độ chính xác và độ chính xác lặp ....................................... 11
Hình 1. 5: Các yếu tố động học gây sai số ........................................................ 13
Hình 1. 6: Sai số do khe hở mặt răng ................................................................ 14
Hình 1. 7: Đường cong dung sai – chi phí ........................................................ 19

Hình 1. 8: Bản vẽ chế tạo một bộ phận của tay máy......................................... 22
Hình 1. 9: Quy trình tổng quát thiết kế dung sai robot ..................................... 27
Hình 1. 10: Sơ đồ giải bài toán xác định dung sai cho 1 robot. ....................... 29
Hình 1. 11: Sơ đồ giải bài tốn xác định dung sai cho nhóm robot ................. 29
Hình 1. 12: Robot và khơng gian làm việc của robot ........................................ 31
Hình 2. 1: Mơ tả độ chính xác định vị khâu cuối cho phép. .............................. 34
Hình 2. 2: Di chuyển cho phép của khâu cuối trên mặt cầu sai số cho phép ... 37
Hình 2. 3: Sơ đồ thuật tốn tổng qt xác định các dung sai sơ bộ ................. 41
Hình 2. 4: Robot chuỗi sáu bậc tự do dùng trong công nghiệp ........................ 48
Hình 2. 5: Mơ hình động học của robot sáu bậc tự do điển hình 6DOF .......... 49
Hình 2. 6: Khảo sát tại một số điểm trên mặt cầu sai số cho phép ................... 52
Hình 2. 7: Sơ đồ thuật toán xác định dung sai sơ bộ cho robot 6DOF............. 54
Hình 2. 8: Robot SCORBOT 5DOF ................................................................... 55
Hình 2. 9: Mơ hình động học robot chuỗi 5DOF .............................................. 56
Hình 2. 10: Sơ đồ thuật tốn xác định dung sai sơ bộ cho robot 5DOF........... 60
Hình 2. 11: Robot SCARA 4DOF ...................................................................... 61
Hình 2. 12: Mơ hình động học robot SCARA 4DOF ......................................... 61
Hình 2. 13: Sơ đồ thuật toán xác định dung sai sơ bộ cho robot SCARA ......... 64
Hình 2. 14: Sơ đồ động học robot chuỗi 6 bậc tự do ........................................ 66
Hình 2. 15: Minh họa hai robot đồng dạng....................................................... 67
Hình 2. 16: Mơ tả sai số cho phép của robot A và robot B............................. 68
Hình 2. 17: Mối quan hệ và tương quan giữa tỉ số độ chính xác và tỉ số kích
thước .................................................................................................................. 69
Hình 2. 18: Sử dụng robot trung gian trong trường hợp k ≠ kr ....................... 70
Hình 2. 19: Hai robot cùng dạng kết cấu .......................................................... 73
Hình 2. 20: Sử dụng robot trung gian C trong trường hợp hai robot cùng dạng
kết cấu nhưng không đồng dạng ........................................................................ 73


viii

Hình 3. 1: Minh họa 3D với tất cả các điểm đều nằm trong giới hạn cầu cho
phép.................................................................................................................... 84
Hình 3. 2: Minh họa 3D với một lượng điểm nằm ngoài giới hạn cầu cho phépCần hiệu chỉnh. .................................................................................................. 85
Hình 3. 3: Sơ đồ kiểm tra và hiệu chỉnh dung sai khi kiểm tra phối hợp.......... 85
Hình 3. 4: Số lượng điểm và tỉ lệ phần trăm không đạt yêu cầu về độ chính xác
khi kiểm tra lắp lẫn ............................................................................................ 89
Hình 3. 5: Mô phỏng kết quả kiểm tra lắp lẫn tại một vị trí với bán kính cầu r =
0,5mm................................................................................................................. 91
Hình 4. 1: Minh họa hệ thống theo dõi bằng laser được sử dụng để đo sai số vị
trí của robot . ..................................................................................................... 96
Hình 4. 2: Khơng gian khảo sát dạng lăng trụ tam giác với sáu nút. ............... 98
Hình 4. 3: Ảnh hưởng của các điểm lấy mẫu đến điểm khảo sát qua hàm dạng
........................................................................................................................... 99
Hình 5. 1: Sơ đồ động robot chuỗi hai bậc tự do ............................................ 105
Hình 5. 2: Giao diện phần mềm khi kiểm tra thuận cho robot 2 bậc tự do .... 107
Hình 5. 3: Chạy chương trình lắp lẫn robot hai bậc tự do ............................. 107
Hình 5. 4: Mơ phỏng 14. 641 trường hợp lắp lẫn đều nằm trong hình trịn sai
số cho phép ...................................................................................................... 108
Hình 5. 5: Robot chuỗi sáu bậc tự do .............................................................. 109
Hình 5. 6: Giải bài tốn tìm dung sai cho robot 6DOF .................................. 110
Hình 5. 7: Kết quả kiểm tra dung sai khâu cuối trên phần mềm tính tốn ..... 111
Hình 5. 8: Kết quả kiểm tra điểm rơi với hình cầu khống chế sai số bán kính
1mm.................................................................................................................. 111
Hình 5. 9: Kết quả kiểm tra độ chính xác khâu cuối của B ............................ 113
Hình 5. 10: Kết quả mơ phỏng kiểm tra robot B ............................................. 113
Hình 5. 11: Kiểm tra độ chính xác khi lắp lẫn ................................................ 115
Hình 5. 12: Các điểm cuối biểu diễn trên mặt cầu sai số của (B’) ................. 115
Hình 5. 13: Kết quả kiểm tra độ chính xác khi lắp lẫn hồn tồn .................. 117
Hình 5. 14: Điểm chạm của khâu cuối biểu diễn trên mặt cầu sai số............. 117

Hình 5. 15: Kết quả khảo sát bán kính sai số tại một điểm của robot (C)...... 119
Hình 5. 16: Kiểm tra dung sai đã thiết kế trên robot D tại vị trí 1. ................ 122
Hình 5. 17: Kiểm tra dung sai đã thiết kế trên robot D tại vị trí 2 ................. 122
Hình 5. 18: Đáp ứng vị trí của D khi lấy A làm mẫu ...................................... 123
Hình 5. 19: Kết quả tính khi chưa sử dụng Autofix ......................................... 124


ix
Hình 5. 20: Kết quả tính khi chưa sử dụng autofix bị vượt ngưỡng mong muốn
......................................................................................................................... 125
Hình 5. 21: Hiệu chỉnh, thu hẹp dung sai trên phần mềm .............................. 125
Hình 5. 22: Kết quả đáp ứng độ chính xác sau khi hiệu chỉnh dung sai bằng
chức năng autofix của phần mềm. ................................................................... 126
Hình 5. 23: Thí nghiệm lấy mẫu xác định sự phân bố sai số của khâu cuối trong
không gian cơng tác ......................................................................................... 128
Hình 5. 24: Sơ đồ thí nghiệm và giao diện điều khiển robot .......................... 129
Hình 5. 25: Khối hộp khảo sát dự đoán sai số khâu cuối ............................... 130
Hình 5. 26: Kiểm tra tính tin cậy của hàm dạng được xây dựng trên MiniTab
......................................................................................................................... 132
Hình 5. 27: Mơ phỏng sự phân bố độ chính xác của khâu cuối trong vùng khảo
sát ..................................................................................................................... 133
Hình 5. 28: Sai lệch vị trí của khâu cuối từ kết quả đo trực tiếp và từ nội suy
hàm dạng theo các hướng................................................................................ 135


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các nền sản xuất cơng

nghiệp, các máy tự động có sự bùng nổ về số lượng và chất lượng. Có thể kể
đến như các máy công cụ, các trung tâm gia công CNC, hệ thống Open
CIM…trong đó, robot cơng nghiệp là một thành phần khơng thể thiếu với vai
trị là một phần tử trong hệ thống hoặc đứng độc lập trong quy trình sản xuất.
Trải qua một thời gian ngắn hình thành và phát triển, do những ưu điểm
vượt trội và tính hiệu quả, hiệu suất mà chúng mang lại, hiện nay robot là
thành phần quan trọng trong hầu hết các lĩnh vực: trong đời sống xã hội,
nghiên cứu khoa học, y học, hàng khơng vũ trụ, thám hiểm…trong đó, chiếm
đa số là các robot phục vụ trong công nghiệp - gọi là robot công nghiệp
(Industrial Robot).
Robot công nghiệp là robot được dùng trong sản xuất cơng nghiệp.

Chúng được lập trình sẵn để có thể tự động di chuyển, làm việc bằng hai
hoặc nhiều trục liên kết với nhau. Robot cơng nghiệp có thể là robot
chuỗi, robot song song, robot cố định hay robot di động…Chiếm đại đa
số trong đó là các robot chuỗi năm hoặc sáu bậc tự do, kế đến là robot song
song ba, bốn hoặc sáu chân (hình 1). Với những ứng dụng rất đa dạng và
phong phú, chúng không chỉ giúp thay thế người công nhân trong các công
đoạn lặp lại nhàm chán, trong các môi trường độc hại, nguy hiểm mà chúng
cịn có khả năng hoạt động trong những nhiệm vụ địi hỏi tính linh hoạt và
chính xác cao mà con người khó thực hiện được. Với những ưu điểm đó,
robot cơng nghiệp ngày càng có vai trị quan trọng và không thể thiếu trong
các dây chuyền sản xuất. Robot có thể đảm nhận những cơng việc của người
cơng nhân như xếp dỡ, vận chuyển hàng hóa, ngun vật liệu, hay như các
chuyên gia trong lắp ráp các linh kiện điện tử, hàn điểm, hàn theo cung, phun


2
sơn, hoặc cũng có thể đóng vai trị là các máy công cụ để thực hiện các
nguyên công gia công cắt gọt như khoan lỗ, phay…. (hình 2).

Hìn 1: Robot chuỗi và robot song song

Hìn 2: Một số ứng dụng điển hình của robot cơng nghiệp
Có thể thấy, sự phát triển lớn mạnh của robot công nghiệp đã mang lại
năng suất lao động, hiệu quả kinh tế rõ rệt. Việc ứng dụng robot trong hệ


3
thống sản xuất công nghiệp là xu thế tất yếu, không ngừng tăng vọt, đặc biệt
là trong thời đại công nghiệp 4.0 như hiện nay. Và như vậy, các hoạt động
nghiên cứu về robot, đặc biệt là robot công nghiệp nhằm cải thiện tính năng,
nâng cao chất lượng phục vụ của chúng đóng vai trị quan trọng, có ý nghĩa
lớn về khoa học và thực tiễn.
Là một sản phẩm mang tính đa ngành nên các nội dung nghiên cứu về
robot cũng rất đa dạng. Bên cạnh các nghiên cứu về truyền động, vật liệu chế
tạo khâu, điều khiển ... thì các nghiên cứu liên quan đến sai số và đảm bảo độ
chính xác khâu cuối của robot ln được các nhà khoa học quan tâm. Bởi, độ
chính xác khâu cuối chính là một thơng số kỹ thuật đặc trưng, nó cho biết
robot có khả năng thực hiện những tác vụ có độ chính xác cao trong các dây
chuyền sản xuất hiện đại hay khơng. Nhìn chung, các nhà thiết kế ln mong
muốn và tìm hướng nhằm tạo ra những tay máy có chất lượng cao, phù hợp
với nhu cầu cơng nghiệp tiên tiến như hiện nay.
Có nhiều nguyên nhân gây ra độ khơng chính xác của robot, như các
ngun nhân do yếu tố động học (khâu, khớp), động lực học, biến dạng đàn
hồi, biến dạng nhiệt, mòn, rơ rão, điều khiển...Trong đó, nguyên nhân chủ yếu
gây ra các sai lệch ban đầu của khâu cuối của robot (robot mới) là các yếu tố
sai lệch trong động học, hình học [27,36,42,67]. Hay nói cách khác, sai số về
chiều dài khâu, khe hở khớp là nguyên nhân chính, chiếm đến hơn 70% các
nguyên nhân sai số dẫn đến sự sai khác vị trí của khâu cuối trong khơng gian

làm việc của nó. Sau một thời gian hoạt động, robot bị mòn, rơ...và sai số có
xu hướng tăng tức là độ chính xác sẽ giảm dần theo thời gian. Tuy nhiên,
trong trường hợp này, các sai số này được giảm đáng kể do chức năng hiệu
chỉnh tự động đi kèm máy.
Do vậy, nghiên cứu về sai số, xác định dung sai các tham số động học
robot (dung sai kích thước khâu, khớp) nhằm đảm bảo độ chính xác ban đầu
của robot cơng nghiệp là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Với lí do


4
đó, tác giả lựa chọn đề tài ―Nghiên cứu tính tốn xác định dung sai cho
robot chuỗi theo nhóm cấu trúc‖ cho khóa học nghiên cứu sinh.
2. Mục đ c nghiên cứu
Xác định được các dung sai kích thước khâu và khe hở khớp (joint
clearance) theo yêu cầu cho trước về độ chính xác của robot. Trong đó, việc
tính tốn mới hồn tồn dung sai cho một robot hoặc tính tốn dung sai cho
robot dựa trên một robot mẫu có cùng dạng cấu trúc được tác giả thực hiện.
3. P ư ng p áp và p ạm vi nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu: nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm kết hợp
với mơ phỏng số để kiểm chứng tính đúng đắn của mơ hình tốn mà luận án
đã đưa ra.
- Đối tượng nghiên cứu: Các robot chuỗi không giới hạn bậc tự do; Các
robot cùng dạng cấu trúc.
- Phạm vi nghiên cứu: Tính tốn, thiết kế dung sai các kích thước khâu,
khe hở khớp ảnh hưởng đến độ chính xác ban đầu của robot.
4. Ý ng ĩa

oa học và thực tiễn

4.1 Ý nghĩa khoa học

Hướng nghiên cứu về thiết kế dung sai các tham số kích thước khâu,
khớp thành phần của robot công nghiệp là vấn đề đang được các chuyên gia,
nhà thiết kế quan tâm. Dung sai các kích thước khâu, khe hở khớp là thông số
quan trọng được ghi trên các bản vẽ chế tạo. Nghiên cứu này góp phần mở ra
một hướng hồn tồn mới trong bài toán xác định các sai lệch cho phép của
các tham số động học dựa trên độ chính xác yêu cầu của khâu cuối của robot.
Cụ thể:
- Xây dựng được mô hình tốn thể hiện mối liên hệ giữa độ chính xác khâu
cuối của robot chuỗi với dung sai các tham số khâu, khớp thành phần.


5
- Bài toán thiết kế dung sai được thực hiện với việc xác định dung sai khâu và
khe hở khớp riêng rẽ giúp đơn giản q trình tính tốn.
- Phương pháp số Giảm Gradient tổng quát (GRG) được phát triển để áp dụng
trong bài toán xác định dung sai.
- Kỹ thuật tính tốn dung sai dựa trên quan hệ cùng dạng cấu trúc của tay máy
giúp rút ngắn các giai đoạn tính tốn thiết kế dung sai.
- Mơ hình nội suy, dự đoán sai số bằng hàm dạng được xây dựng giúp giảm
khối lượng đo, xác định sai số của khâu cuối trong tồn khơng gian làm việc.
- Phần mềm chuyện biệt được xây dựng nhằm kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai
giúp kết quả tính tốn dung sai ln đảm bảo tính đúng đắn, ngay cả trong sản
xuất loạt lớn hàng khối khi các khâu khớp thành phần được lắp lẫn.
4.2 Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu sẽ là một nguồn tham khảo cho các kỹ sư, nhà thiết
kế robot trong việc tính tốn dung sai, bảo đảm độ chính xác ban đầu của
khâu cuối.
Việc xác định mối quan hệ giữa độ chính xác khâu cuối với dung sai
các khâu, khe hở các khớp thành phần sẽ giúp các nhà thiết kế hiểu rõ hơn
bản chất, mức độ ảnh hưởng của sai số của từng tham số này đến độ chính xác

ban đầu của robot.
5. Đóng góp mới của luận án
Việc tiến hành xây dựng mơ hình tốn tính toán, thiết kế dung sai khâu
và khe hở khớp của robot cơng nghiệp dựa trên độ chính xác ban đầu của
khâu cuối là hướng nghiên cứu mới ở Việt Nam và nội dung nghiên cứu hồn
tồn khơng có sự trùng lặp với các nghiên cứu khác trên thế giới.
Với kỹ thuật tính tốn dung sai dựa trên nhóm cấu trúc và một chương
trình chuyên biệt cho phép kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai trong trường hợp lắp


6
lẫn hồn tồn, quy trình tính tốn theo phương pháp thiết kế mà tác giả đề
xuất sẽ được rút ngắn so với các quy trình thiết kế dung sai thơng thường.
6. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị và phụ lục, luận án được cấu
trúc với bốn chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về thiết kế dung sai cho robot. Trong chương này
luận án trình bày tổng quát về sai số và các nguồn gây sai số tại khâu cuối của
robot. Các nguyên cứu trong và ngoài nước về ảnh hưởng của sai số các tham
số động học đến độ chính xác, và việc thiết kế dung sai các tham số này được
chỉ ra.
Chương 2: Xây dựng mơ hình tốn học biểu diễn mối quan hệ giữa
dung sai khâu, khe hở khớp và độ chính xác của robot. Lý thuyết cơ bản về
việc áp dụng thuật toán tối ưu bằng phương pháp số Giảm Gradient tổng quát
(GRG) để giải bài toán động học ngược robot được trình bày. Đây là cơ sở để
phát triển phương pháp số cho bài toán xác định dung sai. Đặc biệt, các mơ
hình tốn nhằm xác định dung sai các khâu, khớp thành phần dựa trên độ
chính xác của khâu cuối của robot được xây dựng. Trong đó phân ra làm hai
trường hợp cụ thể: tính tốn mới từ đầu dung sai sơ bộ cho một robot độc lập
và tính toán dung sai sơ bộ cho một hay nhiều robot dựa trên một robot mẫu

đã có sẵn dung sai và có cùng dạng kết cấu với robot cần thiết kế.
Chương 3: Kiểm tra, hiệu chỉnh dung sai – Hoàn thiện q trình thiết
kế. Tồn bộ ngun tắc và quy trình thực hiện bước kiểm tra, hiệu chỉnh dung
sai hoàn thiện q trình thiết kế được trình bày thơng qua một chương trình
chuyên biệt đã được tác giả xây dựng dựa trên cơ sở bài toán động học thuận
và thống kê lắp lẫn.
Chương 4: Phân vùng độ chính xác. Trong tồn không gian làm việc
của robot, sai số tại tâm của khâu cuối là thay đổi và khác nhau tại từng vị trí.


7
Để đảm bảo cho việc xác định dung sai các tham số động học của robot được
đúng đắn và toàn diện, q trình tính tốn cũng như hiệu chỉnh dung sai được
thực hiện tại những vị trí mà tại đó sai số khâu cuối là lớn nhất. Quá trình đo
sai số bằng thực nghiệm và mơ hình tốn nội suy sai số bằng hàm dạng được
áp dụng nhằm tìm ra vị trí khâu cuối có sai số lớn nhất trong khơng gian làm
việc sẽ được trình bày trong chương này.
Chương 5: Ứng dụng tính tốn xác định dung sai cho một số robot điển
hình. Một số ứng dụng trên các robot cụ thể được tác giả tiến hành tính tốn,
mơ phỏng số, thực nghiệm nhằm chứng minh cho tính đúng đắn và hiệu quả
của thuật tốn và phương pháp tính đã đề xuất.


8
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ DUNG SAI CHO ROBOT
1.1

Sai số và các nguồn gây sai số
Bắt đầu ra đời từ những năm sáu mươi của thế kỷ trước, các robot đã,

đang và sẽ phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các
lĩnh vực của đời sống và xã hội. Robot phục vụ trong các hoạt động sản xuất
công nghiệp như: xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp linh kiện điện tử, phun sơn,
hàn điểm, hàn theo cung, gia công vật liệu…được gọi là robot cơng nghiệp
(hình 1.1). Chúng có đặc điểm riêng về kết cấu, chức năng, đã được thống
nhất hoá, thương mại hoá rộng rãi. Với sự kết nối giữa các khâu (link) và
khớp (joint) theo một cách thức nào đó để tạo thành các robot khác nhau
nhằm mô phỏng và thay thế chức năng hoạt động của cánh tay con người,
phần cơ khí của robot cơng nghiệp cịn được gọi là tay máy (manipulator). Và
tay máy chính là phần cơ sở, quyết định khả năng làm việc của robot.
Tay máy gồm các khâu được liên kết bằng các khớp tạo các chuyển
động khéo léo và linh hoạt nhằm đảm bảo khâu cuối (End-effector, hay còn
được gọi là khâu chấp hành cuối, tay kẹp, khâu chấp hành, khâu tác động cuối
hay khâu cơng tác) có khả năng định vị và định hướng chính xác đến đối
tượng làm việc. Để có thể thực hiện được chức năng này một cách tuỳ ý trong
không gian ba chiều, robot cần có sáu bậc tự do (DOF-Degree Of Freedom),
trong đó ba bậc tự do để định vị và ba bậc tự do để định hướng. Do đó, đa số
robot cơng nghiệp có sáu bậc tự do, như robot phục vụ trong hàn, sơn…Còn
đối với một số công việc đơn giản hơn như nâng hạ, xếp dỡ,… chỉ u cầu số
bậc tự do ít hơn sáu thì có thể sử dụng robot năm bậc tự do hoặc robot
SCARA 4 bậc tự do. Đây là những robot có cấu trúc vịng hở (Open loop)
điển hình được dùng rộng rãi trong cơng nghiệp (hình 1.2).


9

a. Hàn

b. Xếp dỡ vật liệu

c. Sơn

d. Gia công - Phay

Hìn 1. 1: Một số ứng dụng của robot cơng nghiệp

a. Robot 6 DOF

b. Robot 5DOF

c. Robot SCARA 4DOF

Hình 1. 2: Một số robot cơng nghiệp điển hình


10
Việc phân loại robot theo cấu trúc vịng kín (Close loop) và vịng hở
(Open loop) sẽ hình thành nên hai loại robot là robot chuỗi (Serial robot) và
robot song song (Parallel robot). Robot được tạo thành từ một chuỗi động học
vịng kín nếu mỗi khâu được kết nối với mọi khâu khác bằng ít nhất hai
đường dẫn riêng biệt và vòng mở nếu mỗi khâu được kết nối với khâu khác
bằng một và chỉ một đường dẫn. Trong hình 1.3 là ví dụ về một robot có vịng
động học khép kín (robot song song) và một robot có vịng động học hở
(robot chuỗi). Trong đó, robot chuỗi chiếm đại đa số trong các ứng dụng cơng
nghiệp do tính linh hoạt, khơng gian hoạt động lớn và độ chính xác cao. Mặc
dù robot song song có độ chính xác cao hơn, nhưng vì khơng gian làm việc
nhỏ hẹp nên ứng dụng của nó bị hạn chế.

a.

b.

Hìn 1. 3: Robot chuỗi (a) và robot song song (b) [47]
Trong kỹ thuật nói chung cũng như trong kỹ thuật robot nói riêng, sai
số ln tồn tại. Có thể hiểu, sai số là giá trị chênh lệch giữa giá trị đo
được hoặc tính được và giá trị thực hay giá trị chính xác của một đại
lượng nào đó. Robot cơng nghiệp là sự kết nối của chuỗi các bộ phận hợp
thành nên cũng tồn tại nhiều sai số. Các sai số này tích lũy đến khâu cuối
(khâu cuối) làm cho robot hoạt động về mặt vị trí, hướng, vận tốc, gia
tốc…trong khơng gian cơng tác không đạt được các giá trị điều khiển mong


11
muốn. Để chỉ mức độ sai lệch này trong không gian công tác, ở robot tồn tại
hai khái niệm về độ chính xác là: độ chính xác (pose accuracy) và độ chính
xác lặp/ độ lặp lại (pose repeatability). Đây là hai giá trị quan trọng mơ tả
mức độ chính xác của tay máy được chỉ định trong tiêu chuẩn quốc tế ISO
9283:
Độ chính xác của robot được đánh giá bằng sự sai lệch của khâu cuối
so với vị trí mong muốn trong không gian làm việc của robot. Hay, là khả
năng của robot di chuyển chính xác đến một vị trí mong muốn trong khơng
gian ba chiều [4].
Độ chính xác lặp là một phép đo về khả năng của robot di chuyển trở
lại cùng một vị trí và hướng [4].
Hình 1.4 minh họa rõ bản chất của độ chính xác và độ chính xác lặp
của robot cơng nghiệp.
Các vị trí đạt được
của khâu thao tác

Độ chính xác và độ

Độ chính xác lặp tốt

Cả độ chính xác và độ

chính xác lặp đều kém

nhưng độ chính xác kém

chính xác lặp tốt

Hìn 1. 4: Ví dụ về độ chính xác và độ chính xác lặp [59]
Độ chính xác quyết định chất lượng và giá thành công việc mà robot
đảm nhận. Xét về chất lượng, khi robot càng chính xác thì chất lượng cơng
việc của nó càng tốt, đây là mong muốn của người sử dụng. Tuy nhiên, khi


12
robot có sai số thao tác càng nhỏ thì các yêu cầu kỹ thuật, công nghệ của các
bộ phận hợp thành địi hỏi càng cao và tinh vi, chi phí tổng thể để sản xuất tay
máy tăng lên nhiều. Do đó, việc thiết kế, chế tạo robot sao cho đảm bảo độ
chính xác ban đầu đạt u cầu là cơng việc khó khăn, tốn nhiều thời gian và
cơng sức đối với các nhà thiết kế.
Tùy vào mức độ chính xác của robot được chế tạo mà các nhiệm vụ,
sản phẩm do robot thực hiện có đạt yêu cầu và đảm bảo kỹ thuật đặt ra hay
không. Theo M. Damak và các cộng sự [20], độ chính xác lặp của robot nằm
trong phạm vi từ 0,03mm đến 0,1mm đối với những robot cỡ nhỏ và trung
bình và có thể lớn đến 0,2mm đối với loại lớn. Trong khi đó, độ chính xác thì
thường nằm trong phạm vi vài mm. Theo [75], sự khác nhau về độ chính xác
giữa robot theo thiết kế và robot thực tế chế tạo có thể từ 8mm đến 15mm, kết

quả này là do dung sai chế tạo và biến dạng của kết cấu robot. Hay theo [4],
các robot hiện nay tuy có thể đạt được khả năng lặp lại rất cao, một số robot
có thể đạt dưới 0,1 mm, nhưng độ chính xác lại trong khoảng từ 5mm đến
15mm [24] hoặc hơn phụ thuộc vào việc chế tạo và mơ hình của chúng [3].
Sai số lặp có nguyên nhân chủ yếu từ khả năng của bộ điều khiển khơng thể
đạt được đến chính xác cùng một điểm tại các lần chạy khác nhau, và sự hiện
diện của khe hở (backlash) trong các bánh răng bị mòn của tay máy. Các sai
số gây sai lệch vị trí đích của khâu cuối bị tác động bởi một số lượng các
tham số hình học và phi hình học [4]. Các tham số hình học chính là các kích
thước khâu của tay máy và sự định hướng của các khớp. Trong quá trình sản
xuất, sự thay đổi các phần của kích thước là khơng thể tránh khỏi từ robot này
sang robot khác do dung sai. Theo [17], trong các tay máy sáu bậc tự do quay,
độ dài của ba khâu đầu ảnh hưởng đến vị trí và khớp thứ 4, 5 và 6 (cổ tay)
đóng góp chủ yếu vào sự định hướng của khâu thao tác. Các tham số khác ảnh
hưởng độ chính xác gồm: Độ đàn hồi của các khớp và khâu, sự phân bố tải và
độ lệch khớp, hệ thống truyền động phát nhiệt, sự ổn định và rung động của


13
cảm biến, sự linh hoạt và độ lệch tâm của hộp số, và nhiệt độ làm việc của
môi trường [31]. Ngồi ra, vị trí cố định khâu cuối và sự xác định hệ tọa độ cố
định O0 cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của tư thế (pose) của khâu thao tác
trong mơi trường làm việc [45].
Cụ thể, có thể phân ra làm ba nhóm các nguồn gây sai số chính trong
khơng gian cơng tác này của robot như sau [67]:
1) Các sai số hình học hoặc động học: có nguồn gốc từ các cấu trúc cơ
khí của robot, ví dụ như: trong các khớp hoặc trong các khâu của robot.
Đây là những sai số trong quá trình chế tạo robot có kích thước thực tế
sai khác so với kích thước danh nghĩa. Nó có thể là khoảng cách giữa các
khớp (độ dài khâu) hoặc sai số góc trong quá trình xây dựng giữa các khớp.

Đây là một chuỗi các sai số nhỏ, nhưng các sai số nhỏ ở đầu chuỗi có thể tạo
ra các sai số lớn ở cuối chuỗi (chính là sai số tại khâu thao tác) [19].

Hìn 1. 5: Các yếu tố động học gây sai số
Còn lại là các sai số phi hình học: Sai số phi hình học phụ thuộc vào
tải trọng và chuyển động. Độ biến dạng của khớp, khe hở bánh răng, sai số
động lực học trong bộ điều khiển, độ đàn hồi của khâu, giãn nở nhiệt độ, ma
sát… [42].


14
2) Các sai số trong hệ điều khiển của robot, bắt nguồn từ hệ thống
truyền động học, gồm các mã hóa, hoặc các sai số động lực học và cả các sai
số tính tốn từ việc tính tốn động học thuận và ngược.
+ Khe hở (Backlash): là một dạng tương tự như ‗mất chuyển động‘
(lost motion). Đối với các robot mới thì khơng gặp vấn đề gì nhưng khi robot
mịn, và nhận được một số thay đổi hướng đi, có thể dẫn đến mất chuyển
động (trong đó đầu ra khơng di chuyển khi các bánh răng chuyển động). Sai
số này có thể được đo lường - bằng cách điều khiển tâm khâu cuối đến một
điểm từ một hướng; và đến cùng một điểm đó nhưng từ một hướng khác – sau
đó đo sự khác biệt. Một số nhà sản xuất đã đặt bộ mã hóa kép vào robot để bù
sai số do khe hở cạnh răng - nhưng nhìn chung cần có sự can thiệp đại tu sửa
chữa khi khe hở trở nên nghiêm trọng – robot bị cũ, xuống cấp.

Hìn 1. 6: Sai số do khe hở mặt răng
+ Cảm biến và hệ thống đo: Độ phân giải của hệ thống các mã hóa
được gắn trên mỗi động cơ dẫn động và các cảm biến để xác định giá trị dịch
chuyển quay hoặc tịnh tiến của các khớp quay hoặc khớp trượt là có giới hạn.
Giới hạn này càng nhỏ tức là độ phân giải nhỏ sẽ làm cho việc điều khiển