Tính toán thiết kế cánh tay Robot 6 bậc tự do

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Thiết kế và điều khiển cánh tay Robot 6
bậc
NGUYỄN NĂNG NAM HẢI

VŨ VĂN HIỆP


Chuyên ngành Cơ Điện Tử

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Phạm Đức An
Chữ ký của GVHD

Bộ mơn:

Cơ điện tử

Viện:

Cơ khí

HÀ NỘI, 6/2021

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

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHÍA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ
THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Năng Nam Hải
Vũ Văn Hiệp

MSSV: 20161301
MSSV: 20161459

Lớp: KT Cơ điện tử – K61
Bộ mơn: Cơ Điện Tử
Viện: Cơ Khí
I/ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ
“Thiết kế và điều khiển cánh tay Robot 6 bậc tự do”
II/ CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU
- Cánh tay Robot 6 bậc
III/ NỘI DUNG THUYẾT MINH VÀ TÍNH TỐN
- Tổng quan
- Thiết kế sơ đồ ngun lý và tính tốn kết cấu phần cơ khí
- Xây dựng sơ đồ điều khiển và lựa chọn mạch điều khiển
IV/ CÁC BẢN VẼ VÀ ĐỒ THỊ
- Bản vẽ lắp (A0)
- Bản vẽ kết cấu và bản vẽ mạch điện (A0)
- Bản vẽ sơ đồ điều khiển (A0)
V/ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Phạm Đức An

VI/ NGÀY GIAO NHIỆM VỤ THIẾT KẾ: 15/03/2021
VII/ NGÀY HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN: 28/06/2021

Hà Nội, ngày….tháng… năm 2021
Giảng viên hướng dẫn



Đánh giá của giảng viên hướng dẫn
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Kết quả đánh giá
Họ và tên
Nguyễn Năng Nam Hải
Vũ Văn Hiệp

Điểm

Hà Nội, ngày….tháng…..năm 2021
Giảng viên hướng dẫn



Đánh giá của giảng viên phản biện
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Kết quả đánh giá
Họ và tên
Nguyễn Năng Nam Hải
Vũ Văn Hiệp

Điểm

Hà Nội, ngày…..tháng…..năm 2021
Giảng viên phản biện



Lời cảm ơn
Trải qua 5 năm học tập tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, nơi đã
trang bị cho chúng em những kiến thức về chuyên môn cũng như đời sống để có
được hành trang tốt nhất cho tương lai.
Đồ án tốt nghiệp ngày hôm nay không chỉ là một phần trong chương trình
học tập mà hơn hết đây là điều kiện để chúng em có thể áp dụng những kiến thức
đã học cũng như tự đánh giá lại những kiến thức của bản thân để có thể tạo tiền
đề cho những cơng việc tương lai. Chính vì vậy nó là những kiến thức đã được

tổng hợp đầy đủ nhất về sự tích lũy của chúng em. Qua đây, nhóm xin gửi lời
cảm ơn chân thành nhất tới các thầy cơ trong viện Cơ khí, bộ mơn Cơ điện tử và
đặc biệt là thầy giáo TS.Phạm Đức An, người đã ln sát cánh và giúp đỡ chúng
em trong kì học vừa qua.Chúng em xin chúc các thầy cô luôn mạnh khỏe, nhiệt
huyết để dạy bảo, giúp đỡ các thế hệ sinh viên tiếp theo. Cảm ơn gia đình đã luôn
tin tưởng và hi vọng, là nguồn động lực lớn nhất cho chúng con.



Tóm tắt nội dung đồ án
Đồ án tốt nghiệp của nhóm em thực hiện thiết kế và chế tạo robot 6 bậc tự
do điều khiển qua App. Trong phạm vi đồ án, nhóm đặt ra mục tiêu là tính tốn
chính xác các phần động học, động lực học, mơ hình hóa robot trên Matlab
Simulink, thiết kế giao diện điều khiển và để robot chạy đến các tọa độ mong
muốn.
Về phần cứng, nhóm tiến hành xây dựng các chi tiết phần cứng bằng
phương pháp in3d các khâu bằng nhựa, sử dụng phần đế bằng gỗ. Các khâu được
truyền động bằng động cơ bước qua 2 cơ cấu truyền động chính là puli - dây đai
và khớp nối mềm.
Về phần mềm, nhóm dùng ngn ngữ lập trình dạng kéo thả khối block
trên trang web để viết giao diện app điều khiển
Robot qua Bluetooth HC05. Dùng Matlab để tính tốn lại các bài tốn động học,
động lực học để tính tốn mơ phỏng Robot. Kết quả của đồ án bước đầu đạt được
như yêu cầu đề ra. Tuy nhiên để robot gắp được đa dạng vật và tăng độ chính xác
thì phải cần nhiều thời gian để nghiên cứu. Đây là một đề tài có tính ứng dụng
thực tế cao trong cơng nghiệp 4.0, hứa hẹn là một đề tài có tính thiết thực đối với
những sinh viên như chúng em. Hy vọng sau đồ án này, các nhóm sau sẽ có
nghiên cứu và phát triển thêm để đạt được mục tiêu đã đưa ra. Qua đồ án này,
chúng em học được nhiều kiến thức trong việc sử dụng các thiết bị điện tử và
động cơ. Ngồi ra, cịn trau dồi cho bản thân được các kỹ năng về văn phòng

cũng như lập trình.

Sinh viên thực hiện
Ký và ghi rõ họ tên



MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY ROBOT ................................... 1
1.1

Giới thiệu chung ......................................................................................... 1
Khái niệm .................................................................................... 1
Xu hướng phát triển: ................................................................... 1

1.2

Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp: .................................................. 2
Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp....................................... 2
Phân loại robot ............................................................................ 4

1.3

Ứng dụng của robot .................................................................................... 7
Robot công nghiệp ...................................................................... 7
Robot y tế .................................................................................... 8

CHƯƠNG 2. TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ....................... 9
2.1

Mơ hình robot ............................................................................................. 9

2.2

u cầu đặt ra........................................................................................... 13

2.3

Tính tốn động học .................................................................................. 13
Bài toán động học thuận ........................................................... 13
Bài toán động học ngược .......................................................... 17

2.4

Tĩnh học ................................................................................................... 21

2.5

Động lực học ............................................................................................ 21
Xác định ma trận M .................................................................. 21
Xác định ma trận Coriolis ......................................................... 22
Xác định các ma trận thế năng .................................................. 22
Xác định các lực suy rộng ......................................................... 23

2.6

Thiết kế quỹ đạo ....................................................................................... 24
Thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp .................................. 24

2.7

Các thiết bị của robot: .............................................................................. 31
Thiết bị dẫn động: ..................................................................... 31
Khớp nối: .................................................................................. 31
Puly, dây đai, trục: .................................................................... 32
Ổ lăn .......................................................................................... 33

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ................................... 34
3.1

Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống ........................................................ 34
Cách chọn tham số cho bộ điều khiển số: ................................. 34


Xác định hệ số PID bằng mô phỏng Matlab ............................. 35
3.2

Các thành phần của hệ thống điều khiển ................................................. 53
Bo mạch Arduino Mega 2560 ................................................... 53
Mạch điều khiển RAMPS 1.4 ................................................... 53
Mạch điều khiển động cơ bước DRV8825 ............................... 54
Bluetooth HC05 ........................................................................ 55
Động cơ bước ............................................................................ 56
Động cơ DC servo MG995 ....................................................... 57

3.3

Phần mềm lập trình .................................................................................. 57
Code nguồn nạp cho Arduino ................................................... 57
Phần mềm điều khiển ................................................................ 57

3.4

Thuật toán điều khiển và sơ đồ kết nối .................................................... 63
Thuật toán điều khiển ............................................................... 63
Sơ đồ kết nối các thiết bị điều khiển: ........................................ 66

CHƯƠNG 4. MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ........................... 67
4.1

Mơ hình thực nghiệm ............................................................................... 67

4.2

Kết quả ..................................................................................................... 69
Độ chính xác ............................................................................. 69
Tốc độ ....................................... Error! Bookmark not defined.
Khả năng vận hành.................................................................... 70

KẾT LUẬN ......................................................................................................... 71
1 Kết luận ........................................................................................................... 71
2 Hướng phát triển của đồ án trong tương lai .................................................... 71
PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ TÍNH TỐN ............................................................ 73
PHỤ LỤC 2: CODE TÍNH TỐN MƠ PHỎNG ........................................... 87
PHỤ LỤC 3: CODE GIAO TIẾP MÁY TÍNH VỚI ARDUINO ................ 119


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Bảng thông số D-H .............................................................................. 14
Bảng 2.2: Bảng thông số động cơ các khâu ......................................................... 31

Bảng 2.3: Bảng thông số bộ truyền ...................................................................... 32
Bảng 2.4: Bảng thông số ổ lăn ............................................................................ 33
Bảng 3.1: Các thông số của động cơ .................................................................... 38
Bảng 4.2: Kết quả đo độ chính xác của Robot ..................................................... 69


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Kết cấu chung của hệ thống robot ......................................................... 3
Hình 1.2: Robot kiểu tọa độ Descarte .................................................................... 4
Hình 1.3: Robot tọa độ trụ ..................................................................................... 4
Hình 1.4: Robot kiểu tọa độ cầu ............................................................................ 4
Hình 1.5: Robot kiểu Scara .................................................................................... 5
Hình 1.6: Robot kiểu tay người.............................................................................. 5
Hình 1.7: Tay máy cơng nghiệp Dalmec ............................................................... 8
Hình 1.8: Robot phẫu thuật tại bênh viện nhi Trung Ương Việt Nam .................. 8
Hình 2.1: Mơ hình tổng thể Robot ......................................................................... 9
Hình 2.2: Thơng số nhựa ABS ............................................................................. 10
Hình 2.3: Khâu đế và các thơng số hình học của khâu ........................................ 10
Hình 2.4: Khâu 1 và các thơng số hình học của khâu .......................................... 11
Hình 2.5: Khâu 2 và các thơng số hình học của khâu .......................................... 11
Hình 2.6: Khâu 3 và các thơng số hình học của khâu .......................................... 11
Hình 2.7: Khâu 4 và các thơng số hình học của khâu .......................................... 12
Hình 2.8: Khâu 5 và các thơng số hình học của khâu .......................................... 12
Hình 2.9: Cơ cấu tay kẹp...................................................................................... 12
Hình 2.10: Quy tắc D-H ....................................................................................... 13
Hình 2.11: Hệ tọa độ cho các khâu ...................................................................... 14
Hình 2.12: Tọa độ điểm C trong hệ Oxoyozo ...................................................... 19
Hình 2.13 Đồ thị quỹ đạo chuyển động, vận tốc, gia tốc khâu 2 ......................... 28
Hình 2.14 Đồ thị quỹ đạo chuyển động, vận tốc, gia tốc khâu 3 ......................... 29
Hình 2.15 Đồ thị quỹ đạo chuyển động, vận tốc, gia tốc khâu 4 ......................... 30

Hình 2.16: Khớp nối mềm ................................................................................... 32
Hình 2.17: Thơng số hình học Puly, dây đai........................................................ 32
Hình 2.18: Kích thước ổ lăn ................................................................................. 33
Hình 3.1: Bộ điều khiển PID................................................................................ 34
Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển có kết hợp chuyển đổi quỹ đạo từ
không gian làm việc sang không gian khớp ......................................................... 36
Hình 3.3: Sơ đồ động cơ điện DC ........................................................................ 37
Hình 3.4: Mơ hình hóa hệ thống robot ................................................................. 39
Hình 3.5: Mơ hình khối tính động học ngược...................................................... 40
Hình 3.6: Mơ hình chọn các thơng số P, D .......................................................... 40
Hình 3.7: Mơ hình bài tốn tìm lực suy rộng ....................................................... 41
Hình 3.8: Mơ hình bài tốn động lực học thuận .................................................. 41
Hình 3.9: Khối Intergration tính vận tốc các khâu............................................... 42


Hình 3.10: Khối Intergrator tìm góc quay các khâu ............................................ 42
Hình 3.11 Đồ thị đáp ứng góc khớp 1 .................................................................. 43
Hình 3.12 Đồ thị sai số góc quay khớp 1 ............................................................. 43
Hình 3.13 Đồ thị đáp ứng vận tốc góc khớp 1 ..................................................... 44
Hình 3.14 Đồ thị sai số vận tốc góc khớp 1 ......................................................... 44
Hình 3.15 Đồ thị đáp ứng góc khớp 2 .................................................................. 45
Hình 3.16 Đồ thị sai số góc quay khớp 2 ............................................................. 45
Hình 3.17 Đồ thị đáp ứng vận tốc góc khớp 2 ..................................................... 46
Hình 3.18 Đồ thị sai số vận tốc góc khớp 2 ......................................................... 46
Hình 3.19 Đồ thị đáp ứng góc khớp 3 .................................................................. 47
Hình 3.20 Đồ thị sai số góc quay khớp 3 ............................................................. 47
Hình 3.21 Đồ thị đáp ứng vận tốc góc khớp 3 ..................................................... 48
Hình 3.22 Đồ thị sai số vận tốc góp khớp 3 ......................................................... 48
Hình 3.23 Đồ thị đáp ứng góc khớp 4 .................................................................. 49
Hình 3.24 Đồ thị sai số góc quay khớp 4 ............................................................. 49

Hình 3.25 Đồ thị đáp ứng vận tốc góp khớp 4 ..................................................... 50
Hình 3.26. Đồ thị sai số vận tốc góc khớp 4 ........................................................ 50
Hình 3.27 Đồ thị đáp ứng góc khớp 5 .................................................................. 51
Hình 3.28 Đồ thị đáp ứng vận tốc góc khớp 5 ..................................................... 51
Hình 3.29 Đồ thị sai số góc quay khớp 5 ............................................................. 52
Hình 3.30 Đồ thị sai số vận tốc góc khâu 5 ......................................................... 52
Hình 3.31: Ardunio Mega 2560 ........................................................................... 53
Hình 3.32: Mạch điều khiển RAMPS 1.4 ............................................................ 54
Hình 3.33: Mạch điều khiển động cơ bước DRV8825 ........................................ 54
Hình 3.34: Sơ đồ kết nối DRV8825 ..................................................................... 55
Hình 3.35: Module Blutooth HC05...................................................................... 55
Hình 3.36: Một số loại động cơ bước .................................................................. 56
Hình 3.37: Động cơ servo MG995 ....................................................................... 57
Hình 3.38: Giao diện phần điều khiển Robot....................................................... 58
Hình 3.39: Khối Block kết nối Bluetooth với app ............................................... 59
Hình 3.40: Khối block điều khiển các động cơ .................................................... 60
Hình 3.41: Khối block thực hiện chức năng Save ............................................... 61
Hình 3.42: Khối block thực hiện chức năng Run................................................. 62
Hình 3.43: Khối Block điều chỉnh tốc độ ............................................................ 62
Hình 3.44: Sơ đồ thuật tốn tổng quát hệ thống điều khiển................................. 63
Hình 3.45: Sơ đồ thuật tốn hàm con khối thực thi ............................................. 64
Hình 3.46: Sơ đồ kết nối các thành phần điều khiển ........................................... 66


Hình 4.1: Một số góc nhìn về Robot .................................................................... 67
Hình 4.2: Một số góc nhìn của Robot .................................................................. 68
Hình 4.3: Một số góc nhìn của Robot .................................................................. 69


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁNH TAY ROBOT

1.1 Giới thiệu chung
Khái niệm
Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Mỹ đã xuất hiện những tay máy
chép hình điều khiển từ xa, trong các phịng thí nghiệm phóng xạ.
Năm 1959, Devol và Engelber đã chế tạo Robot công nghiệp đầu tiên tại
công ty Unimation.
Tiếp theo Mỹ, các nước khác cũng bắt đầu sản xuất Robot Công Nghiệp:
Anh – (1967), Thụy Điển – (1968), CHLB Đức – (1971), Pháp – (1972), Ý –
(1973), …
Năm 1967, Nhật Bản mới nhập chiếc Robot công nghiệp đầu tiên từ công
ty AMF (American Machine and Foundry Company) của Mỹ. Đến năm 1990 có
hơn 40 cơng ty của Nhật, trong đó có những cơng ty khổng lồ như Hitachi,
Mitsubishi và Honda đã đưa ra thị trường nhiều loại Robot nổi tiếng.
Từ những năm 70, việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý
nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết mơi trường
làm việc. Năm 1967, tại trường đại học tổng hợp Stanford, người ta đã tạo ra loại
Robot lắp ráp tự động điều khiển bằng vi tính trên cơ sở xử lý thơng tin từ các
cảm biến lực và thị giác. Vào thời gian này cơng ty IBM đã chế tạo Robot có các
cảm biến xúc giác và cảm biến lực điều khiển bằng máy vi tính để lắp ráp các
máy in gồm 20 cụm chi tiết. Năm 1976, hãng General Motor đã chế tạo thành
công cánh tay robot được sử dụng trên tàu Viking của cơ quan hàng không vũ trụ
NASA nhằm lấy mẫu đất trên sao hỏa.
Những năm 90 do áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoa học về vi xử lý và
công nghệ thông tin, số lượng Robot công nghiệp đã tăng nhanh, giá thành giảm
đi rõ rệt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ vậy, Robot cơng nghiệp
đã có vị trí quan trọng trong các dây truyền sản xuất hiện đại. Ngày nay, chuyên
ngành khoa học nghiên cứu về Robot “Robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng
trong 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…

Xu hướng phát triển:
Do nhu cầu cần sử dụng ngày càng nhiều trong các q trình sản xuất
phức tạp nên robot cơng nghiệp cần có những khả năng thích ứng linh họat và
thơng minh hơn.
Có thể kể đến một số loại robot được quan tâm nhiều thời gian qua là: Tay
máy robot (Robot Manipulators), Robot di động (Mobile Robots), Robot phỏng
sinh học (Bio Inspired Robots) và Robot cá nhân (Personal Robots). Robot di
động được nghiên cứu nhiều như xe tự hành trên mặt đất AGV (Autonomous

1


Guided Vehicles), Robot tự hành dưới nước AUV (Autonomous Underwater
Vehicles), Máy bay không người lái UAV (Unmanned Arial Vehicles). Với
Robot phỏng sinh học, các nghiên cứu thời gian qua tập trung vào 2 loại chính là
Robot đi (Walking robots) và Robot dáng người (Humanoid Robots). Bên cạnh
đó, các loại robot phỏng sinh học dưới nước như robot cá, các cấu trúc chuyển
động phỏng theo sinh vật biển cũng được nhiều nhóm nghiên cứu phát triển.
Hiện nay các ứng dụng của robot đang có xu thế chuyển sang các ứng dụng
thường nhật như Robot gia đình (home robots) và Robot cá nhân (Personal
robots). Mặc dù về cấu trúc của các loại robot có khác nhau nhưng các nghiên
cứu hiện nay đều hướng về các ứng dụng dịch vụ và hoạt động của robot trong
các môi trường tự nhiên. Với sự phát triển của xã hội và q trình hiện đại hóa ở
các nước phát triển thì nhiều dịch vụ mới được hình thành làm thay đổi quan
điểm về robot từ robot phục vụ công nghiệp sang robot phục vụ cho các nhu cầu
xã hội và nhu cầu cá nhân của con người.
Ngày nay, ngoài ứng dụng sơ khai ban đầu của robot trong chế tạo máy thì
các ứng dụng khác như trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nơng nghiệp, đóng tàu,
xây dựng, an ninh quốc phịng và gia đình đang có nhu cầu gia tăng đang là động
lực cho các robot địa hình và robot dịch vụ phát triển.

1.2

Cấu trúc và phân loại robot công nghiệp:
Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp
Kết cấu chung
Một Robot Công Nghiệp được cấu thành bởi các hệ thống sau:
-

-

-

-

Tay máy (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình
thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo,
linh hoạt vá bàn tay (End Effecr) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên
đối tượng.
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, thủy lực, khí
nén hoặc kết hợp giữa chúng.
Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết
khác. Các robot cần hệ thống sensor trong để nhận biết trạng thái của bản
thân các cơ cấu của robot và các sensor ngồi để nhận biết trạng thái của
mơi trường.
Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát
vá điều khiển hoạt động của robot

2

Hình 1.1: Kết cấu chung của hệ thống robot

Kết cấu tay máy
Tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của
Robot.
Các kết cấu của nhiều tay máy được phỏng theo cấu tạo và chức năng của
tay người; tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay
Robot có hình dáng rất khác xa cánh tay người. Trong thiết kế và sử dụng tay
máy, chúng ta cần quan tâm đến các thơng số hình - động học, là những thơng số
liên quan đến khả năng làm việc của Robot như: Tầm với (hay trường công tác),
số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt của Robot), độ cứng vững, tải trọng
vật nâng, lực kẹp, . . .
Các khâu của Robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản:
-

-

Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Descarte,
thơng thường tạo nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu
là T hoặc P.
Chuyển động quay quanh các trục x, y, z ký hiệu là R.

Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy
có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thường gặp
của Robot là robot kiểu toạ độ Descarte, toạ độ trụ, toạ độ cầu, Robot kiểu
SCARA, kiểu tay người...

3

Phân loại robot
Phân loại robot theo dạng không gian thao tác
a. Tọa độ Descarte

Hình 1.2: Robot kiểu tọa độ Descarte

b. Robot tọa độ trụ

Hình 1.3: Robot tọa độ trụ

c. Robot tọa độ cầu

Hình 1.4: Robot kiểu tọa độ cầu

4


d. Robot kiểu Scara

Hình 1.5: Robot kiểu Scara

e. Robot kiểu tay người:

Hình 1.6: Robot kiểu tay người

Phân loại theo điều khiển
Có 2 loại điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín.
a. Điều khiển hở
Dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén…)

mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển. Kiểu điều
khiển này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp.
b. Điều khiển kín (hay điều khiển servo)
Sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển. Có 2 kiểu
điều khiển servo: điều khiển điểm-điểm và điều khiển theo đường (contour).
-

Với kiểu điều khiển điểm-điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này
đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao. Nó chỉ làm việc tại các
điểm dừng. Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm, vận
chuyển, tán đinh,…

5


-

Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo
bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp kiểu điều khiển này
trên các robot hàn hồ quang, phun sơn.
Phân loại theo thế hệ

a. Robot thế hệ thứ nhất
- Sử dụng cơ cấu cam với cơng tắc giới hạn hành trình.
- Điều khiển vịng hở.
- Có thể sử dụng băng từ hoặc băng đục lỗ để đưa chương trình vào bộ điều
khiển, tuy nhiên khơng thể thay đổi chương trình được.
- Sử dụng phổ biến trong công việc gắp đặt (pick and place).
b. Robot thế hệ thứ hai
- Điều khiển vịng kín các chuyển động của tay máy.

- Có thể tự ra quyết định lựa chọn chương trình đáp ứng dựa trên tín hiệu
phản hồi từ cảm biến nhờ các chương trình đã được cài đặt từ trước.
- Hoạt động của robot có thể lập trình được nhờ các cơng cụ như bàn phím,
panel điều khiển.
c. Robot thế hệ thứ ba
- Có những đặc điểm như loại trên và điều khiển hoạt động trên cơ sở xử lý
thông tin thu nhận được từ hệ thống thu nhận hình ảnh.
- Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp như phân biệt các đối tượng có
hình dạng và kích thước khá khác biệt nhau.
d. Robot thế hệ thứ tư
- Có những đặc điểm tương tự như thế hệ thứ hai và thứ ba, có khả năng tự
lựa chọn chương trình hoạt động và lập trình lại cho các hoạt động dựa
trên các tín hiệu thu nhận được từ cảm biến.
- Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tương đối lớn để giải các bài tốn tối ưu với
điều khiện biên khơng được xác định trước. Kết quả của bài toán sẽ là một
tập hợp các tín hiệu điều khiển các đáp ứng của robot.
Phân loại theo hệ thống truyền động
Có các dạng truyền động phổ biến là:
-

-

-

Hệ truyền động điện: thường dùng các động cơ điện 1 chiều (DC: direct
current) hoặc các động cơ bước (step motor). Loại truyền động này dễ
điều khiển, kết cấu gọn.
Hệ truyền động thuỷ lực: có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những
điều kiện làm việc nặng. Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường có kết cấu
cồng kềnh, tồn tại độ phi tuyến lớn khó xử lý khi điều khiển.

Hệ truyền động khí nén: có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược
nhưng lại phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén. Hệ này làm việc với
cơng suất trung bình và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các
robot hoạt động theo chương trình định sẵn với các thao tác đơn giản
“nhấc lên - đặt xuống” (pick and place or point to point).

6


Phân loại theo ứng dụng
Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có robot sơn, robot hàn, robot
lắp ráp, robot chuyển phôi v.v...
1.3 Ứng dụng của robot
Robot công nghiệp
Tay máy công nghiệp được chế tạo, sử dụng từ những năm 1960. Giai
đoạn đầu, tay máy được sử dụng nhiều trong công nghiệp chế tạo ô tô. Nhu cầu
thực tế của cơng nghiệp chế tạo ơ tơ địi hỏi phải nghiên cứu các phương pháp
chuẩn định để giảm sai số do tính bất định của mơ hình động học robot gây nên.
Tiếp đến là các phương pháp thiết kế quỹ đạo và điều khiển chuyển động của tay
máy. Thiết kế quỹ đạo là tìm quy luật chuyển động của các khớp robot sao cho
quỹ đạo của đầu tay nắm robot trong không gian 3D đi được từ điểm đầu đến
điểm cuối tránh được các vật cản và không bị rơi vào các điểm kỳ dị. Điều khiển
chuyển động robot là một hướng nghiên cứu phát triển mạnh và ngày càng phong
phú. Robot có hệ động lực phi tuyến, nhiều đầu vào/ra, có nhiều tham số bất định
như momen qn tính, ma sát, độ rơ của các khớp đòi hỏi các phương pháp điều
khiển phải có tính bền vững cao. Các thuật toán điều khiển robot liên tục được
nghiên cứu và ứng dụng từ đơn giản như PD, PID đến phức tạp như các hệ tự
thích nghi, hoặc các phương pháp điều khiển thông minh sử dụng mạng nơ-ron
nhân tạo, thuật gen và điều khiển mờ... Nghiên cứu điều khiển lực/momen ở
robot cũng rất được quan tâm do robot phải tham gia vào q trình sản xuất, tiếp

xúc với mơi trường trong q trình thực thi nhiệm vụ. Có nhiều phương pháp
điều khiển lực như điều khiển nhúng, điều khiển lai hoặc dùng các cơ cấu tay
nắm có độ nhún nhất định cho các ứng dụng lắp ráp. Từ năm 1990, ứng dụng của
robot công nghiệp đã lan sang các lĩnh vực sản xuất ngoài ngành chế tạo máy
như ứng dụng trong sản xuất thực phẩm và dược phẩm. Lúc này, độ linh hoạt của
robot được nâng cao để đáp ứng sự thay đổi của mơi trường sản xuất có nhiều bất
định. Các phương pháp của trí tuệ nhân tạo được đưa vào robot như khả năng tự
học, suy diễn và tự giải quyết vấn đề. Ngoài ra việc áp dụng các cảm biến như thị
giác máy, xúc giác và đo lực/momen làm tăng khả năng thích ứng với mơi trường
thay đổi của robot.

7