ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN : KỸ THUẬT MÁY
KHOA: CƠ KHÍ
1. Họ tên sinh viên : Nguyễn Tài Thu .
2. Tên đề tài :“Giải bài toán động học thuận và động học ngược của tay máy PUMA
6 bậc tự do”.
3. Số liệu ban đầu : Tay máy Robot Puma 560 .

i

1

0

0

2

0

−90

3

0

4

−90

5

0

90

6

0

−90

0

0

0

Phạm vi thay


Tham số khâu

đổi các biến khớp

(mm)

(90 )

−160 ÷ 160

=660

(0 )

−225 ÷ 45

=431.8

(-90 )

−45 ÷ 225

=20.32

(0 )

−110 ÷ 170

=149.09


(0 )

−100 ÷ 100

=433.07

(0 )

−266 ÷ 266

=100

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

4. Nội dung nghiên cứu , tính toán thuyết minh
Đặt vấn đề : Mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu động học tay máy robot.
Chương 1: Tổng quan về robot công nghiệp.
Chương 2: Tay máy robot Puma 6 bậc tự do.
Chương 3: Động học vị trí của tay máy.
Chương 4: Bài toán động học thuận của tay máy.
Chương 5: Bài toán động học ngược của tay máy.
Kết luận. Những kết quả đạt được. Những vấn đề cần nghiên cứu tiếp. Tự nhận xét,

đánh giá. Phụ lục.
5. Giáo viên hướng dẫn :

PGS.TS Lê Phước Ninh.

6. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp :
7. Ngày hoàn thành nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp :

TL \ HIỆU TRƯỞNG
Trưởng Khoa

Ngày…..tháng….năm 2013
Trưởng Bộ Môn

Đã giao nhiệm vụ TKTN
Giáo viên hướng dẫn

Đã nhận toàn bộ TKTN nộp cho bộ môn của
Sinh viên : ……..…………………………….....
Lớp : ……….……………… Khóa : …………..
Ngày ……….….…..tháng…..………...năm 2013

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh


LỜI NÓI ĐẦU
Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước vấn đề tự động hóa sản
xuất có vai trò đặc biệt quan trọng.
Mục tiêu ứng dụng kỹ thuật robot trong công nghiệp là nhằm nâng cao năng suất
dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm,
đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Sự cạnh tranh hàng hóa đặt ra một vấn đề thời
sự là làm sao để hệ thống tự động hóa sản xuất phải có tính linh hoạt cao nhằm đáp
ứng sự biến đổi thường xuyên của thị trường. Robot công nghiệp là bộ phận cấu thành
không thể thiếu trong việc tạo dựng những hệ thống sản xuất linh hoạt đó. Việc giải
các bài toán động học thuận và động học ngược là những nội dung quan trọng của
quá trình thiết kế, chế tạo robot công nghiệp.
Trên thế giới có rất nhiều loại robot công nghiệp, với những tính năng linh hoạt khác
nhau, phục vụ những nhiệm vụ mà ngành kỹ thuật cần, trong số đó có thể kể đến robot
PUMA 6 bậc tự do với những tính năng cực kỳ linh hoạt. Vì vậy em đã chọn việc
nghiên cứu robot PUMA 6 bậc tự do, với mục đích tìm hiểu robot công nghiệp cũng
như các kỹ năng để giải bài toán động học thuận, động học ngược của các robot
thông qua một robot điển hình.
Trong quá trình thực hiện đồ án, được sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng
dẫn và các thầy giáo ở bộ môn, cùng với sự tìm hiểu các nguồn tài liệu, trong thư
viên, trên mạng internet, và thực tế. Với nội dung cần hoàn thành nhiệm vụ đề ra
trong thiết kế tốt nghiệp, em đã cố gắng hoàn thành các yêu cầu đó.
Em xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn PGS.TS.LÊ PHƯỚC NINH, cùng
với các thầy giáo ở bộ môn Kỹ thuật máy, Khoa Cơ khí, Trường Đại học giao thông
vận tải đã nhiệt tình hướng dẫn, và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập cũng như
trong quá trình thực tập tốt nghiệp và thực hiện đồ án tốt nghiệp này.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Tài Thu

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49


Trang 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

TÓM TẮT
Sau thời gian tìm hiểu và tiến hành thực hiện đề tài tốt nghiệp em đã hoàn thành các
nội dung cơ bản của đề tài : “Giải bài toán động học thuận và động học ngược của
robot PUMA 6 bậc tự do”. Qua việc thực hiện đề tài tốt nghiệp này em đã có được
những kiến thức cơ bản về robot, giải đáp được những câu hỏi như :
Thế nào là robot ? Các bộ phận cấu thành robot công nghiệp? Tìm hiểu các loại robot
và phương pháp phân loại robot, miền làm việc của robot ? Chức năng và phạm vi ứng
dụng của tay máy robot PUMA 6 bậc tự do? Lý do giải bài toán động học? Mục đích
nội dung và phương pháp nghiên cứu động học robot? Biết cách xác định vị trí của tay
máy robot nói chung và robot PUMA nói riêng, nắm được trình tự để giải 1 bài toán
động học thuận và động học ngược. Sau khi tiến hành giải cụ thể, em đã có thể giải
bài toán động học thuận và động học ngược của các robot khác như robot SCARA
2,3,4 bậc tự do, robot ELBOW, robot Stanford... Trên cơ sở tham khảo nhiều nguồn
tài liệu khác nhau em đã giải được bài toán động học thuận và động học ngược của
robot PUMA 6 bậc tự do, qua đó biết được một số phương pháp thường dùng khi giải
bài toán động học thuận và động học ngược của các robot, đặc biệt là những robot có
số bậc tự do

6. Ngoài ra biết cách sử dụng sự hỗ trợ của máy tính trong việc tính

toán và giải bài toán động học của robot. Nội dung luận án tốt nghiệp gồm 5 chương :
 Chương I : TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

 Chương II : TAY MÁY ROBOT PUMA 6 BẬC TỰ DO
 Chương III : ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ CỦA TAY MÁY
 Chương IV : BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN CỦA TAY MÁY ROBOT
 Chương V : BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC CỦA TAY MÁY ROBOT

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP ......................................................................... 1
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 3
TÓM TẮT ....................................................................................................................... 4
MỤC LỤC ...................................................................................................................... 5
DANH SÁCH HÌNH VẼ.................................................................................................. 7
ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................................. 8
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP ............................................. 9
1.1 Vài nét về lịch sử phát triển của Robot và Robot công nghiệp ..................................... 9
1.2 Các khái niệm và định nghĩa về robot công nghiệp ................................................... 10
1.3 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp ..................................................................... 11
1.3.1 Các bộ phận cấu thành robot công nghiệp .............................................................. 11
1.3.2 Các đặc trưng cấu trúc của robot công nghiệp ........................................................ 12
1.4 Phân loại robot công nghiệp ..................................................................................... 14
1.5 Ứng dụng robot công nghiệp .................................................................................... 17
1.5.1 Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp .................................................................... 17

1.5.2 Một số ứng dụng điển hình của robot công nghiệp ................................................. 18
CHƯƠNG II: TAY MÁY ROBOT PUMA 6 BẬC TỰ DO ............................................ 19
2.1 Giới thiệu về robot Puma 6 bậc tự do ........................................................................ 19
2.1.1 Ứng dụng của robot Puma 6 bậc tự do ................................................................... 20
2.2 Sơ đồ động và hệ tọa độ của robot Puma 6 bậc tự do ................................................ 21
CHƯƠNG III: ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ CỦA TAY MÁY ................................................... 23
3.1 Tọa độ thuần nhất và mô tả vật đối tượng ................................................................. 23
3.1.1 Mô tả vị trí điểm .................................................................................................... 23
3.1.2 Tọa độ thuần nhất .................................................................................................. 23
3.1.3 Mô tả phương hướng của trục tọa độ...................................................................... 24
3.1.4 Mô tả vị thế của hệ tọa độ động ............................................................................. 25
3. 2 Phép biến đổi thuần nhất và cách tính ...................................................................... 27
3.2.1 Phép biến đổi thuần nhất tịnh tiến (translation) ...................................................... 27
3.2.2 Phép biến đổi thuần nhất quay (rotation) ................................................................ 29
3.2.3 Phép quay theo 3 góc Euler.................................................................................... 30
3.2.4 Phép quay Roll-Pitch-Yaw..................................................................................... 31
3.3 Động học Robot ....................................................................................................... 33

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

3.3.1 Mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu động học ..................................... 33
3.3.2 Các bước giải bài toán động học ............................................................................ 33
CHƯƠNG IV: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC THUẬN CỦA TAY MÁY ROBOT ............... 35

4.1 Các tham số khâu của robot công nghiệp và ma trận biến đổi thuần nhất ................. 35
4.1.1 Các tham số khâu và thiết lập hệ tọa độ khâu ......................................................... 35
4.1.2 Ma trận biến đổi giữa các hệ tọa độ khâu ............................................................... 36
4.2 Động học thuận của robot Puma ............................................................................... 38
4.2.1 Trình tự thiết lập hệ phương trình động học của robot ............................................ 38
4.2.2 Giải bài toán động học thuận của robot PUMA 6 bậc tự do .................................... 39
4.2.3 Xác định tư thế của bàn tay nắm bắt robot PUMA 6 bậc tự do ............................... 43
CHƯƠNG V: BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC CỦA TAY MÁY ROBOT ................ 45
5.1. Các phương pháp giải bài toán động học ngược ..................................................... 45
5.1.1 Mục đích và nội dung giải bài toán động học ngược .............................................. 45
5.2 Giải bài toán động học ngược robot Puma 6 bậc tự do .............................................. 47
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ................................................ 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 53
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 54

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 : Các bộ phận cấu thành robot ............................................................... 11
Hình 1.2 : Các tọa độ suy rộng của robot ............................................................. 12
Hình 1.3 : Khớp tịnh tiến ...................................................................................... 13
Hình 1.4 : Khớp quay ........................................................................................... 13
Hình 1.5 : Không gian hình hộp chữ nhật ............................................................. 14

Hình 1.6 : Không gian hình vành khăn ................................................................ 14
Hình 1.7 : Không gian hình cầu rỗng ................................................................... 14
Hình 1.8 : Không gian làm việc của robot SCARA ............................................. 14
Hình 1.9 : Robot kiểu tọa độ Đề các ..................................................................... 15
Hình 1.10 : Robot kiểu tọa độ trụ ......................................................................... 15
Hình 1.11 : Robot kiểu tọa độ cầu ........................................................................ 16
Hình 1.12: Robot hoạt động theo hệ tọa độ phỏng sinh học .................................. 16
Hình 1.13 : Robot kiểu SCARA ........................................................................... 16
Hình 2.1 : Sơ đồ cấu tạo của robot Puma 6 bậc tự do............................................ 19
Hình 2.2 : Miền làm việc của robot Puma 6 bậc tự do ......................................... 20
Hình 2.3 : Mô hình 3D của robot Puma 560 ......................................................... 20
Hình 2.4 : Hình ảnh robot Puma sử dụng trong việc lắp đặt .................................. 21
Hình 2.5 : Hệ tọa độ gắn trên các khâu của robot Puma ........................................ 21
Hình 3.1 : Vị trí của 1 điểm trong hệ tọa độ {O} .................................................. 23
Hình 3.2 : Hệ tọa độ thuần nhất mô tả hướng các trục .......................................... 24
Hình 3.3 : Mô tả vị thế của vật rắn ....................................................................... 25
Hình 3.4 : Vị trí và tư thế của bàn kẹp .................................................................. 26
Hình 3.5 : Hệ tọa độ mô tả phép biến đổi thuần nhất tịnh tiến .............................. 28
Hình 3.6 : Phép quay quanh trục bất kì ................................................................ 30
Hình 3.7 : Phép quay Euler................................................................................... 31
Hình 3.8 : Phép quay Roll – Pitch – Yaw ............................................................ 32
Hình 4.1 : Chiều dài và góc xoắn của 1 khâu ....................................................... 35
Hình 4.2 : Các tham số của khâu .......................................................................... 35
Hình 4.3 : Hệ tọa độ gắn lên robot Puma .............................................................. 39
Hình 5.1 : Tay máy hai bậc tự do toàn khớp phẳng............................................... 46

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 7



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

ĐẶT VẤN ĐỀ
Mục đích nghiên cứu động học tay máy: nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng
sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa sản xuất.
Xu hướng tạo ra những dây truyền về thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang hình
thành. Các thiết này đang thay thế dần các máy tự động “cứng” chỉ đáp ứng một việc
nhất định trong lúc thị trường luôn luôn đòi hỏi thay đổi mặt hàng về chủng loại, về
kích cỡ và về tính năng v.v… Vì thế ngày càng tăng nhu cầu ứng dụng robot để tạo ra
các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt nên robot nói chung và robot công nghiệp nói
riêng ngày càng được quan tâm nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong đời sống cũng
như trong hoạt động sản xuất. Và robot công nghiệp ngày càng có vai trò quan trọng
trong tự động hóa sản xuất. Nên việc ứng dụng kĩ thuật robot trong công nghiệp là
nhằm nâng cao năng xuất, chất lượng, tính cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải
thiện điều kiện làm việc của con người.
Nội dung nghiên cứu động học tay máy robot chủ yếu là tìm hiểu, nghiên cứu giải
bài toán động học thuận, bài toán động học ngược của một trong những robot điển
hình đó là robot PUMA 6 bậc tự do.
Phương pháp nghiên cứu là sử dụng kiến thức đã được học và kết hợp với những
nguồn tài liệu tham khảo có liên quan để hoàn thành đồ án.

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.1. Vài nét về lịch sử phát triển của Robot và Robot công nghiệp
Thuật ngữ “robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rossum’s
Universal Robots” của Karel Capek. Theo tiếng Séc thì robot là người làm tạp dịch.
Trong tác phẩm này nhân vật Rossum và con trai ông đã tạo ra những chiếc máy gần
giống như con người để hầu hạ con người.
Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực. Ngay
sau chiến tranh thế giới thứ 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những tay máy chép hình điều
khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ.
Vào giữa những năm 1950 bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đã xuất hiện
các loại tay máy chép hình thủy lực và điện từ, như tay máy Minotaur I, 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 dùng để chuyển hàng hóa theo chương trình”. Đến năm 1956
Devol cùng với Joseph F.Engelber, một kĩ sư 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 được đưa vào ứng dụng đầu tiên, năm 1961 ở một nhà
máy ô tô của General Motors tại Trenton, New Jersey.
Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot đầu tiên từ công ty AMF của Hoa Kỳ
(American Machine and Foundry Company). Đến năm 1990 có hơn 40 công ty Nhật
Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như Hitachi và Mitsibishi, đã đưa ra thị
trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng.
Từ những năm 1970 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 môi trường làm việc. Tại
trường đại học Tổng hợp Stanford người ta đã tạo ra loại robot lắp ráp tự động điều
khiển bằng máy tính trên cở 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 các cảm biến xúc giác và cảm biến

lực, điều khiển bằng máy tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết.

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

Vào giai đoạn này ở nhiều nước khác cũng tiến hành các công trình nghiên cứu
tương tự, tạo ra các robot điều khiển bằng máy tính, có lắp đặt các thiết bị cảm biến và
thiết bị giao tiếp người và máy.
Từ những năm 1980, nhất là vào những năm 1990, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ
kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng,
giá thành đã giảm rõ rệt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ vậy robot
công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây truyền tự động sản xuất hiện đại.
1.2. Các khái niệm và định nghĩa về robot công nghiệp
Hiện nay có nhiều định nghĩa về robot công nghiệp, ta có thể điểm qua 1 số định
nghĩa như sau:
Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp):
Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các
chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ, có khả năng định
vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất như các chi tiết, dao cụ, gá lắp…theo
những hành trình thay đổi đã chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công
nghệ khác nhau.
Định nghĩa theo RIA(Robot Institute of America):
Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để di
chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương

trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau.
Định nghĩa theo IOCT 25686-85(Nga):
Robot công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên
kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình
lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong suốt quá trình sản xuất.
Có thể nói robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc
toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng
thích nghi khác nhau. Nó được trang bị những bàn tay máy hoặc các cơ cấu chấp
hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định trong các quá trình công nghệ hoặc trực
tiếp tham gia các nguyên công ( sơn, hàn, phun phủ, rót kim loại vào khuôn đúc, lắp
ráp máy…), hoặc phục vụ quy trình công nghệ (thao tác lắp chi tiết gia công, dao cụ,
đồ gá …) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối tượng với các

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 10


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

trạm công nghệ, trong một hệ thống máy tự động linh hoạt, được gọi là “Hệ thống tự
động linh hoạt robot hóa” cho phép thích ứng nhanh và thao tác đơn giản khi nhiệm
vụ sản xuất thay đổi.
1.3. Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp
1.3.1 Các bộ phận cấu thành robot công nghiệp
Trên hình 1.1 giới thiệu các bộ phận chủ yếu của robot công nghiệp loại thông
thường.


Hình 1.1 : Các bộ phận cấu thành robot
Tay máy gồm các bộ phận: Đế 1 đặt cố định hoặc gắn liền với xe di động 2, thân 3,
cánh tay trên 4, cánh tay dưới 5, bàn tay nắm bắt 6.
Đặt bên trong hoặc ở bên ngoài tay máy còn có nhiều bộ phận khác nữa:
Hệ thống truyền dẫn động có thể là cơ khí, thủy khí hoặc điện khí, là bộ phận chủ
yếu tạo nên sự chuyển dịch ở các khớp động của robot.
Hệ thống điều khiển đảm bảo sự hoạt động của robot theo các thông tin đặt trước
hoặc nhận biết được trong quá trình làm việc.
Hệ thống cảm biến tín hiệu
Thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về hoạt động của bản thân robot
(cảm biến nội tín hiệu) và của môi trường, đối tượng mà robot phục vụ (cảm biến
ngoại tín hiệu).
Các thông tin đặt trước hoặc cảm biến được sẽ đưa vào hệ thống điều khiển sau khi
xử lý bằng máy vi tính, rồi tác động vào hệ thống truyền dẫn động của tay máy.

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

Trực tiếp liên hệ với bàn kẹp là các dụng cụ (tools) thao tác với môi trường và đối
tượng làm việc.
1.3.2 Các đặc trưng cấu trúc của robot công nghiệp
a) Bậc tự do
Bậc tự do là một chỉ tiêu kĩ thuật quan trọng của robot công nghiệp, nó được
quyết định bởi cấu trúc của robot công nghiệp và ảnh hưởng trực tiếp đến tính cơ động

của của nó. Số bậc tự do của tay máy cũng được định nghĩa như sau:
-

Số bậc tự do của tay máy là số khả năng chuyển động độc lập của các khâu
của cơ cấu tay máy đối với hệ quy chiếu gắn với thân của tay máy.

-

Số bậc tự do của tay máy đồng thời là số tham số độc lập xác định vị trí của
tay máy với một hệ quy chiếu gắn với thân robot (tham số độc lập đó là các
tọa độ suy rộng).

Công thức xác định số bậc tự do của robot là công thức tính bậc tự do của cơ cấu
không gian sử dụng trong Nguyên lý máy [1]:
5

W= 6.n -

 i. p

i

(1.1)

i 1

Trong đó :
n là số khâu động.
pi là số khớp loại i.
i là loại của khớp (i=1, 2, 3, 4, 5).

b) Tọa độ suy rộng : ta có thể dùng tọa độ suy rộng để xác định cấu hình của cơ
cấu tay máy tại các thời điểm khác nhau.
Tọa độ suy rộng thường biểu thị các chuyển vị dài hoặc chuyển vị góc của các khớp
trượt hoặc khớp quay tạo thành cơ cấu tay máy.

Hình 1.2 : Các tọa độ suy rộng của robot

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 12


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

c) Khâu và khớp động
Theo sách Nguyên lý máy [1] định nghĩa “khâu do một hoặc một số chi tiết máy nối
cứng với nhau tạo thành. Khâu là đơn vị chuyển động còn chi tiết máy là đơn vị chế
tạo”.
Khớp động là một liên kết động của hai khâu. Thông thường các khâu của tay máy
được nối với nhau bởi các khớp quay và khớp tịnh tiến. Trong đó các khớp quay và
các khớp tịnh tiến đều thuộc khớp động học loại 5.

Hình 1.3 : Khớp tịnh tiến

Hình 1.4 : Khớp quay

d) Bàn tay nắm bắt đối tượng
Tùy theo hình dạng, kích thước, trọng lượng, điều kiện làm việc của đối tượng cần

nắm bắt, người ta chọn kết cấu, nguyên lý hoạt động của bàn tay nắm bắt (bàn kẹp)
phù hợp, cho phép xác định vị trí và thời điểm làm việc hoặc nắm bắt. Bàn tay nắm
bắt là bộ phận làm việc trực tiếp của tay máy.
Đối tượng cần nắm bắt của tay máy là những chi tiết rất đa dạng nên bàn tay nắm bắt
của tay máy cũng rất khác nhau về cấu trúc cũng như về nguyên lý làm việc.
Người ta thường dung các bàn tay nắm bắt cơ khí. Ngoài ra còn có thể thực hiện việc nắm bắt
bằng khí nén, thủy lực hoặc điện từ.

e) Độ cơ động
Độ cơ động của tay máy là số bậc tự do của tay máy khi cố định bàn kẹp (bàn tay
nắm bắt).
m=W–6

(1.2)

Trong đó : W là số bậc tự do của tay máy.
m là độ cơ động.

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 13


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

Khi bậc tự do của robot W < 6 thì không phải lúc nào bàn tay nắm bắt cũng đạt tới vị
trí và định hướng mong muốn. Còn khi W > 6 thì sẽ có nhiều giải pháp đưa bàn tay
nắm bắt tới vị trí và định hướng theo yêu cầu.

Qua đó, ta thấy: độ cơ động của robot càng lớn, càng có nhiều phương án để bộ phận
làm việc đạt tới mục tiêu. Điều đó càng quan trọng khi robot làm việc trong môi
trường có chướng ngại. Tuy nhiên, cũng cần phải thấy rằng khi độ cơ động tăng thì
mức độ phức tạp của kết cấu tay máy cũng tăng theo (do tăng số bậc tự do của cơ cấu)
làm cho độ chính xác khi chuyển động giảm và giá thành tăng.
f) Miền làm việc
Miền làm việc của robot là khoảng không gian hoạt động của bàn tay nắm bắt (bàn
kẹp).
Trong trường hợp cụ thể nào đó không phải bất cứ điểm nào trong miền làm việc tối
đa có thể tay máy cũng dễ dàng thao tác. Khi đó, cần xác định thêm miền phục vụ.
Miền phục vụ là không gian trong miền làm việc mà bàn tay nắm bắt có thể hoạt động
dễ dàng.

Hình 1.5: Không gian hình hộp chữ nhật

Hình 1.7 : Không gian hình cầu rỗng

Hình 1.6 : Không gian hình vành khăn

Hình 1.8 : Không gian làm việc của robot SCARA

1.4. Phân loại robot công nghiệp

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 14


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

Tùy theo mục đích sử dụng, nội dung nghiên cứu và sử dụng, robot công nghiệp
được phân loại theo những tiêu chuẩn khác nhau.
-Theo tải trọng danh nghĩa : robot mini (<1 kg), robot loai nhỏ (1 ÷ 10 kg), robot loại
vừa (>10 ÷ 200 kg), robot loại lớn (>200 ÷ 1000 kg) và robot loại siêu lớn (>1000kg).
-Theo số bậc tự do : robot có 1 bậc tự do, robot có 2 bậc tự do và robot có n bậc tự do.
-Theo khả năng di chuyển : robot di động và robot có vị trí cố định.
-Theo hệ tọa độ được dùng khi thực hiện các chuyển động : robot hoạt động trong hệ
tọa độ vuông góc (đề các), trong hệ tọa độ trụ, trong hệ tọa độ cầu, trong hệ tọa độ góc
hoặc SCARA.
Theo kết cấu của tay máy người ta phần thành robot kiểu tọa độ Đề các, tọa độ trụ, tọa
độ cầu, tọa độ góc…
Robot kiểu tọa độ Đề các : là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương
của các trục hệ tọa độ gốc ( cấu hình TTT ) . Trường công tác có dạng khối hộp chữ
nhật, do đó kết cấu đơn giản, độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì
vậy thường được dùng để vẫn chuyển phôi liệu , lắp ráp, hàn trong mặt phẳng….

Hình 1.9 : Robot kiểu tọa độ Đề các
Robot kiểu tọa độ trụ : vùng làm việc của robot có hình trụ rỗng, thường khớp thứ
nhất chuyển động quay

Hình 1.10 : Robot kiểu tọa độ trụ

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 15


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

Robot kiểu tọa độ cầu: vùng làm việc của robot có dạng hình cầu, thường độ cứng
vững của loại robot này thấp hơn so với 2 loại trên . Ví dụ robot 3 bậc tự do ,cấu hình
R.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu tọa độ cầu .

Hình 1.11 : Robot kiểu tọa độ cầu
Robot kiểu tọa độ góc (hệ tọa độ phỏng sinh học): Là loại robot được sử dụng nhiều
hơn cả , 3 chuyển động đầu tiên là các chuyển động quay , trục quay thứ nhất vuông
góc với hai trục quay kia. Các chuyển động định hướng khác cũng là các chuyển động
quay. Vùng làm việc của tay máy gần giống một khối cầu .Tất cả các khâu đều nằm
trong mặt phẳng thẳng đứng nên các tính toán cơ bản là bài toán phẳng . Ưu điểm nổi
bật của các loại robot hoạt động theo hệ tọa độ góc là gọn nhẹ , tức là có vùng làm
việc tương đối lớn so với kích thước của bản thân robot, độ linh hoạt cao.
Các robot hoạt động theo hệ tọa độ góc như : Robot PUMA của hang Unimation –
Nokia (Hoa kì – Phần Lan ), IRb-60 (Thụy Điển), Toshiba,Mitsubishi, Mazak (Nhật
Bản ).vv…..
Ví dụ một loại robot hoạt động theo kiểu hệ tọa độ góc ( Hệ tọa độ phỏng sinh), có
cấu hình RRR.RRR.

Hình 1.12: Robot hoạt động theo hệ tọa độ phỏng sinh học
Robot kiểu SCARA: là một kiểu robot mới ra đời nhằm đáp ứng sự đa dạng của quá
trình sản xuất. Tên gọi SCARA là viết tắt của “Selectic Compliant Articulated Robot

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 16



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

Arm” : Tay máy mềm dẻo tùy ý. Loại robot này thường được dùng trong công việc
lắp giáp . Ba khớp đầu tiên của robot này có cấu hình R.R.T, các trục khớp đều theo
phương thẳng đứng .

Hình 1.13 : Robot kiểu SCARA
-Theo mục đích sử dụng : robot vận chuyển, robot cấp phôi, robot sơn, robot hàn,
robot lắp ráp, robot vạn năng…
-Theo kiểu truyền động : truyền động thủy lực, truyền động khí nén, truyền động điện
…
-Theo phương thức điều khiển : điều khiển bằng tay và điều khiển tự động.
-Theo kiểu điều khiển : điều khiển hở và điều khiển kín.
1.5 Ứng dụng robot công nghiệp
1.5.1 Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp
Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần năng cao năng suất dây
chuyền công nghiệp, giảm giá thành, năng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của
sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ
bản của robot, đã đúc kết lại qua bao nhiêu năm được ứng dụng ở nhiều nước. Đó là :
-Robot có thể thực hiện được một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn một
người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc.
-Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng robot là vì giảm được đáng kể chi
phí cho người lao động, nhất là ở các nước có mức cao về tiền lương lao động, cộng các
khoản phụ cấp và bảo hiểm xã hội.
-Việc áp dụng robot có thể làm tăng năng suất dây chuyền công nghệ vì nếu tăng
nhịp độ khẩn trương của dây chuyền sản xuất, nếu không thay thế bằng robot thì người thợ
không thể theo kịp hoặc rất chóng mệt mỏi.


SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

-Ứng dụng robot có thể cải thiện điều kiện lao động chính là ưu điểm nổi bật nhất.
1.5.2 Một số ứng dụng điển hình của robot công nghiệp
Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Những ứng dụng
ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn. Một trong những công việc
kém năng suất nhất của con người là rèn kim loại ở nhiệt độ cao. Các công việc này
đòi hỏi công nhân di chuyển phôi có khối lượng lớn với nhiệt độ cao khắp nơi trong
xưởng. Việc tuyển dụng công nhân làm việc trong môi trường nhiệt độ cao như vậy là
một vấn đề khó khăn đối với ngành công nghiệp này, và robot ban đầu đã được sử
dụng để thay thế công nhân làm việc trong điều kiện môi trường khắc nghiệt như
trong lò đúc, xưởng rèn và xưởng hàn. Đối với robot thì nhiệt độ cao lại không đáng
sợ. Những ứng dụng điển hình có thể kể ra của robot công nghiệp là:
-Ứng dụng robot trong công nghệ hàn đường (hàn theo vết hoặc đường dẫn liên tục).
-Ứng dụng robot trong lắp ráp.
-Ứng dụng robot trong nhà máy sản xuất.

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 18


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

CHƯƠNG II: TAY MÁY ROBOT PUMA 6 BẬC TỰ DO
2.1. Giới thiệu robot PUMA 6 bậc tự do
Ra đời cách đây nửa thế kỷ, robot công nghiệp đã có những phát triển vượt bậc.
Nhiều nước trên thế giới sớm áp dụng mạnh mẽ kỹ thuật robot vào sản xuất và nó đã
đem lại những hiệu quả to lớn về kinh tế và kỹ thuật, nâng cao năng suất lao động,
tăng chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, cải thiện điều kiện làm việc của
công nhân.
Đối với nước ta, kỹ thuật robot vẫn còn là vấn đề khá mới mẻ, nhất là việc nghiên
cứu thiết kế, chế tạo robot. Robot Puma là loại robot hoạt động theo hệ tọa độ góc (hệ
tọa độ phỏng sinh học). Với ưu điểm là gọn nhẹ, vùng thao tác tương đối lớn so với
khuôn khổ kích thước của nó, tính linh hoạt rất cao có thể phối hợp làm việc với các
robot khác, do đó nó được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các lĩnh vực của kĩ
thuật, trong công nghiệp, y tế, khai thác....

Hình 2.1 : Sơ đồ cấu tạo của robot puma 6 bậc tự do
Robot PUMA được thiết lần đầu tiên vào năm 1978 bởi công ty Unimation. PUMA có
nghĩa là một máy móc vạn năng lập trình được sử dụng trong công việc lắp ráp tay
máy robot PUMA thường có 5 hoặc 6 khớp quay.

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 19


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh


Hình 2.2 : Miền làm việc của robot Puma 6 bậc tự do

Hình 2.3 : Mô hình 3D của robot Puma 560
2.1.1 Ứng dụng của robot PUMA 6 bậc tự do
Với tốc độ lặp lại cao và tính linh hoạt thì robot PUMA phù hợp với các bộ
phận xử lý nhỏ và nó có thể dễ dàng thiết kế các chương trình ứng dụng để thực
hiện nhiệm vụ khó khăn nhất. Robot PUMA được ứng dụng thực tế vào việc lắp
các bảng mạch ô tô, động cơ điện, bo mạch in, radio, tivi và đồ gia dụng…Ngoài
ra còn có chức năng đóng gói trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm …nó còn
được ứng dụng trong các hệ thống sản xuất linh hoạt, dùng để tháo lắp thiết bị, gá
đặt phôi.

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 20


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

Hình 2.4 : Hình ảnh robot PUMA sử dụng trong việc lắp đặt
2.2. Sơ đồ động và hệ tọa độ của robot PUMA 6 bậc tự do

Robot PUMA là robot có 6 bậc tự do, cấu hình RRRRRR.
Sơ đồ động và hệ tọa độ gắn trên các khâu của robot như sau:

Hình 2.5 : Hệ tọa độ gắn trên các khâu của robot Puma


SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 21


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

BẢNG THÔNG SỐ DENAVIT - HARTENBERG (DH)
Khâu i

ai-1

i-1

di

i

1

0

0o

0

1


2

0

-90o

d2

2

3

a2

0o

0

3

4

a3

-90o

d4

4


5

0

90o

0

5

6

0

-90o

d6

6

Bảng 1. Bảng thông số DH của robot PUMA 6 bậc tự do

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 22


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh


CHƯƠNG III: ĐỘNG HỌC VỊ TRÍ CỦA TAY MÁY
3.1. Tọa độ thuần nhất và mô tả vật đối tượng
Khi gắn các hệ tọa độ lên các khớp động, ta có thể dùng các phép biến đổi thuần nhất
để mô tả vị thế và phương hướng tương đối giữa các hệ tọa độ đó. Phép biến đổi thuần
nhất có ý nghĩa hình học tương đối trực quan nên còn có thể mô tả quan hệ giữa các
khâu. Vì vậy nó thường được dùng để giải các bài toán động học.
3.1.1. Mô tả vị trí của điểm

Hình 3.1: Vị trí của 1 điểm trong hệ tọa độ O
Trong hệ tọa độ vuông góc chọn trước O , vị trí điểm P bất kỳ trong không gian có
thể biểu thị bằng véc tơ vị trí AP:
 px 
 
P =  py 
p 
 z

A

(3.1)

Trong đó : ký hiệu chữ A bên trái P biểu thị hệ tọa độ tham khảo chọn trước, px, py,pz
là 3 thành phần tọa độ vị trí của điểm P trong hệ tọa độ O .
3.1.2. Tọa độ thuần nhất
 px 
p 
y
Nếu dùng ma trận cột gồm 4 phần tử (4x1): P=  
 pz 

 
1 

(3.2)

Biểu thị điểm P trong hệ tọa độ vuông góc không gian 3 chiều A thì ma trận
chuyển vị  p x p y p z 1T gọi là tọa độ thuần nhất của P trong không gian 3 chiều.

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 23


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

Chú ý : Không phải chỉ có 1 cách duy nhất biểu diễn véc tơ trong không gian tọa độ
thuần nhất, ta có thể nhân tất cả các phần tử trên với ω (≠0), ta được véc tơ mở rộng
vẫn biểu thị véc tơ của cùng điểm P trong không gian tọa độ thuần nhất nghĩa là:
 p x  a 
p   
b
y
P=   =  
 p z  c 
   
1   

(3.3)


Trong đó : a=ωpx ; b=ωpy ; c=ωpz .
Các tọa độ thực của véc tơ mở rộng này vẫn là px, py, pz nếu lấy ω=1 thì các tọa độ
biểu diễn bằng các tọa độ thực . Nếu ω≠1 thì các tọa độ biểu diễn gấp ω lần tọa độ
thực. Khi cần biểu diễn sự thay đổi tọa độ cùng với sự biến dạng tỷ lệ thì lấy ω≠1.
3.1.3. Mô tả phương hướng của trục tọa độ
Như biểu thị ở hình 3.2 i, j, k lần lượt là các véc tơ đơn vị của các trục tọa độ X, Y,
Z trong hệ tọa độ vuông góc. Nếu dùng tọa độ thuần nhất để mô tả phương hướng
của các trục tọa độ X, Y, Z. thì
X= 1 0 0 0T
Y= 1 0 0 0T
Z= 1 0 0 0T

Hình 3.2 : Hệ tọa độ thuần nhất mô tả hướng các trục

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 24


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD : PGS.TS.Lê Phước Ninh

Ta quy ước : trong ma trận (4x1) [a b c 0]T phần tử thứ tư bằng 0 và a2+b2 +c2=1 sẽ
biểu thị phương hướng của trục nào đó (vecto nào đó). Trong ma trận (4x1) [a b c ω]T
phần tử thứ tư khác không , sẽ biểu thị vị trí của điểm nào đó trong không gian.
Có thể dùng ma trận (4x1) để biểu thị phương hướng của véc tơ υ trên hình vẽ 3.2.
υ = [a b c 0]T (3.4)
a=cosα ; b=cosβ ; c=cosγ

Điểm O của véc tơ υ trên hình 3.2 là gốc tọa độ có thể dùng ma trận (4x1) để biểu thị
O = [0 0 0 1]T.`
3.1.4. Mô tả vị thế của hệ tọa độ động
Mô tả vị thế của hệ tọa độ động là mô tả vị trí của điểm gốc của hệ tọa độ động và
mô tả phương hướng của các trục tọa độ của hệ tọa độ động .
Để hiểu rõ điều đó, ta xét hai trường hợp sau đây :
a) Mô tả vị trí và tư thế của vật rắn
a

Q

Z
Z’

o
Y’
O’(x0,y0,z0)

p

O

X’

n
Y

X

Hình 3.3 : Mô tả vị thế của vật rắn

Mỗi khâu của robot có thể xem như 1 vật rắn. Nếu cho trước vị trí của một điểm nào
đó trên vật rắn Q và tư thế của vật rắn đó trong không gian thì hoàn toàn có thể xác
định được vật rắn đó trong không gian.
Giả sử có vật rắn biểu thị như trên hình 3.3. O’ là 1 điểm nào đó trong vật rắn
.O’X’Y’Z’ là hệ tọa độ gắn chặt với vật rắn gọi là hệ tọa độ động. Vị trí của vật rắn
trong hệ tọa độ cố định OXYZ có thể dùng ma trận cột (4x1) kiểu tọa độ thuần nhất.

SVTH : Nguyễn Tài Thu – CĐT49

Trang 25