BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---- ---- o0o ---- ---HOÀNG SƠN

N
SỬ DỤNG BỘ TƯƠNG TÁC LỰC TRONG ĐIỀU
KHIỂN LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA ROBOT VÀ MÔI
TRƯỜNG
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học :
TS NGUYỄN THỤC ANH

HÀ NỘI - 2010


LỜI CẢM ƠN
Qua một thời gian nghiên cứu, đến nay luận văn tốt nghiệp của tác giả đã hoàn
thành. Đạt được thành quả như vậy, trước tiên tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn
chân thành đến cô giáo hướng dẫn, TS. Nguyễn Phạm Thục Anh đã tận tình chỉ bảo,
cung cấp kiến thức và tài liệu giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện. Tác giả
xin được chân thành cảm ơn các Thầy, Các cô trong khoa Điện, bộ môn Tự động
hóa Xí nghiệp Công nghiệp và Viện Đào tạo sau đại học đã truyền cho tôi kiến thức
quí báu trong quá trình theo học trong trường.
Do thời gian thực hiện có hạn và kiến thức bản thân còn nhiều hạn chế, nên
luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự chỉ bảo,
góp y và phê bình của các Thầy, Cô và bạn bè

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất
kì công trình nào khác.
Tác giả luận văn:

Hoàng Sơn

2


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT………………………………...5
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ..................................................................5
MỞ ĐẦU ................. ................................................................................................10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP...............................12
1.1. Giới thiệu về Robot công nghiệp ...................................................................12
1.1.1 Lịch sử phát triển của robot công nghiệp ...............................................12
1.1.2 Một số định nghĩa về robot.....................................................................15
1.1.3 Các đặc tính của robot công nghiệp........................................................16
1.2. Cấu tạo robot công nghiệp .............................................................................18
1.2.1 Hệ thống chuyển động ............................................................................19
1.2.2 Hệ thống truyền động robot....................................................................25
1.2.3 Hệ thống cảm biến ..................................................................................26
1.2.4 Bộ điều khiển..........................................................................................26
1.3 .Các ứng dụng của robot công nghiệp .............................................................28
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN LỰC
ROBOT CÔNG NGHIỆP ......................................................................................31

2.1. Mô hình động lực học của robot ....................................................................32
2.1.1. Mô hình không gian khớp .......................................................................32
2.1.2. Mô hình không gian làm việc xét đến lực tác dụng lên môi trường.......33
2.2. Điều khiển cứng (Stiffness Control) ..............................................................34
2.2.1. Luật điều khiển........................................................................................34
2.2.2. Tóm tắt nguyên lý điều khiển .................................................................37
2.2.3. Nhận xét ..................................................................................................37
2.3. Điều khiển lai vị trí- lực .................................................................................38
2.3.1. Phương pháp tuyến tính hóa chính xác: ..................................................38
3


2.3.2. Điều khiển lai vị trí – lực trên cơ sở mạch phản hồi kinh điển...............41
2.3.3. Nhận xét ..................................................................................................43
2.4. Điều khiển lai trở kháng.................................................................................43
2.4.1. Thiết kế bộ điều khiển ............................................................................43
2.4.2. Tóm tắt nguyên lý điều khiển và sơ đồ điều khiển .................................45
2.4.3. Nhận xét ..................................................................................................46
2.5. Nhận xét chung về các phương pháp điều khiển lực/ vị trí ...........................46
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ QUAN SÁT LỰC ĐỂ ĐIỀU
KHIỂN LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA ROBOT VÀ MÔI TRƯỜNG....................48
3.1. Ươc lượng lực trên cơ sở bộ quan sát ............................................................48
3.2. Xây dựng bộ quan sát lực...............................................................................50
3.2.1. Quan sát lực.............................................................................................50
3.2.2. Động lực học khâu quan sát ....................................................................51
3.3. Xây dựng bộ quan sát lực cho robot ..............................................................52
3.4. Xây dựng bộ quan sát lực cho robot Planar ..................................................54
3.4.1. Khái quát về Robot Planar 2 bậc tự do ...................................................54
3.4.2. Bài toán động học thuận..........................................................................54
3.4.3. Xác định ma trận Jacoby của robot Planar..............................................57

3.4.4. Động lực học robot Planar ......................................................................58
3.4.5. Quan sát lực cho robot Planar ................................................................61
3.5. Xây dựng bộ điều khiển lai vị trí - lực cho robot Planar sử dụng bộ quan sát
lực: ………………………………………………………………………………62
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ....... ..........64
4.1. Xây dựng mô hình mô phỏng cho khâu quan sát...........................................64
4.1.1. Kết quả mô phỏng đối với bộ quan sát lực :...........................................66
4.2. Điều khiển lai vị trí/ lực cho Robot Planar hai bậc tự do...............................69
4.2.1. Bài toán đặt ra.........................................................................................69
4


4.2.2. Xây dựng mô hình với bộ điều khiển lai vị trí - lực : .............................70
4.3.

Đánh giá kết quả mô phỏng ……………………….……………………..77

KẾT LUẬN……………………………………………………………………

78

TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………..79
PHỤ LỤC………………………………………………………………………….81

5


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
M


Ma trận mô men

H(q)
.

Ma trận chứa thành phần quán tính
.

.

V ( q , q ) = C ( q, q ) q

G(q)
f
^

F
sθ1

sθ12 = s(θ1 + θ 2 )
cθ1

cθ12 = c(θ1 + θ 2 )

Ma trận chứa thành mô men nhớt và hướng tâm
Ma trận chứa thành phần trọng trường
Ngoại lực tác động
Lực quan sát
sin θ1
sin(θ1 + θ 2 )

cosθ1
cos(θ1 + θ 2 )

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1:

Bảng thông số D-H cho robot Planar
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1:

Hình dạng của một robot công nghiệp

Hình 1.2:

Hệ thống chuyển động robot

Hình 1.3:

Khớp tịnh tiến

Hình 1.4:

Các loại khớp quay

Hình 1.5:

Cơ cấu kẹp của robot

Hình 1.6:


Cấu hình robot dạng Decac

Hình 1.7 :

Cấu hình robot dạng Decac
6


Hình 1.8 :

Cấu hình robot dạng hình trụ

Hình 1.9 :

Cấu hình robot dạng hình cầu

Hình 1.10:

Cấu hình robot dạng khớp nối

Hình 1.11:

Cấu hình Scara

Hình 1.12:

Sơ đồ khối robot công nghiệp.

Hình 1.13:


Robot phun sơn

Hình 1.14:

Robot hàn

Hình 1.15:

Robot lắp ráp

Hình 2.1:

Các phương pháp điều khiển Robot

Hình 2.2:

Hệ thống một bậc tự do

Hình 2.3:

Sơ đồ điều khiển lai vị trí- lực theo phương pháp tuyến tính hóa
chính xác

Hình 2.3:

Điều khiển lai vi trí- lực trên cơ sở mạch phản hồi kinh điển

Hình 2.4:


Sơ đồ hệ điều khiển lai trở kháng

Hình 3.1:

Sơ đồ khôi bộ quan sát

Hình 3.2:

Mô hình robot Planar hai bậc tự do

Hình 3.3:

Chọn các hệ tọa độ gắn với Robot

Hình 3.4:

Bộ điều khiển vị trí- lực cho robot Planar

Hình 4.1:

Sơ đồ khối quan sát lực

7


Hình 4.2:

Mô hình khối quan sát lực robot planar được xây trên matlab/
Simulink.


Hình 4.3:

Mô hình bộ quan sát lực được xây dựng trên matlab/ Simulink.

Hình 4.4:

Góc quay của khớp

Hình 4.5:

Kết quả mô phỏng với K1= 6 và K2= 9

Hình 4.6:

Kết quả mô phỏng với K1= 20 và K2= 100

Hình 4.7:

Kết quả mô phỏng với K1= 40 và K2 = 400

Hình 4.8:

Kết quả mô phỏng với ngoại lực biến thiên theo kiểu xung răng
của

Hình 4.9:

Kết quả mô phỏng với ngoại lực biến thiên dạng hình sin

Hình 4.10:


Kết quả mô phỏng với ngoại lực dạng bước nhảy

Hình 4.11:

Yêu cầu chuyển động của robot

Hình 4.12:

Sơ đồ bộ điều khiển lai vị trí- lực robot Planar

Hình 4.13

Mô hình bộ điều lai vị trí- lực xây dựng trên matlab/simulink

Hình 4.14:

Đáp ứng vị trí với KP= 30 và KD= 2

Hình 4.15:

Đáp ứng vị trí với KP= 30 và KD= 20

Hình 4.16:

Đáp ứng vị trí với KP= 300 và KD= 20

Hình 4.17:

Đáp ứng vị trí với KP= 3000 và KD= 200


Hình 4.18:

Sai lệch vị trí theo phương X

8


Hình 4.19:

Đáp ứng lực với Kf = 100

Hình 4.20:

Đáp ứng lực với Kf = 61

9


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Với tốc độ phát triển của khoa học kỹ thuật nói chung và nền công nghiệp tự
động hóa nói riêng, robot công nghiệp ngày càng khẳng định được tầm quan trọng
của mình. Bởi vậy, việc nghiên cứu, phát triển, nâng cao tính năng của robot cũng là
một công việc hết sức cần thiết đối với các nhà khoa học
Trong lĩnh vực điều khiển robot ngoài việc điều khiển vị trí tay robot con người
còn phải điều khiển được lực tương tác giữa tay robot và môi trường. Khi robot
tương tác một lực với ngoại vật để thực hiện một nhiệm vụ nào đó, ngoài việc phải
điều khiển tay robot di chuyển theo đúng quỹ đạo mong muốn còn phải điều khiển
để tay robot tác động một lực lên vật thể để thao tác các công việc như: Cầm

nắm,bốc dỡ, mài, đánh bóng...
Hiện nay có rất nhiều phương pháp điều khiển đồng thời quỹ đạo và lực đổi với
cánh tay robot như: Điều khiển cứng ( Stiffness control), Điều khiển lai vị trí- lực
( Hybrid position-force control), Điều khiển trở kháng (Hybrid impedance control ).
Nhưng tất cả các phương pháp điều khiển quỹ đạo và lực đều phải sử dụng sensor
lực để đo tín hiệu của lực phản hồi về. Nhưng sensor lực có những hạn chế như: dải
đo, độ nhạy cảm cao với nhiệt độ môi trường thay đổi, ngoài ra giá thành của các
sensor lực cao cũng là một vấn đề. Do vậy trong một số trường hợp không sử dụng
được sensor lực thì phải sử dụng một phương pháp nào đó để thay thế cho sensor
lực.
Trong khuân khổ một luận văn tốt nghiệp thạc sĩ, được sự đồng ý của cô giáo
hướng dẫn và sự cho phép của Viện Đào tạo Sau đại học, tác giả tiến hành thực hiện
luận văn “Sử dụng bộ quan sát lực trong điều khiển lực tương tác giữa robot và
môi trường ” . Luận văn đã đưa ra phương pháp sử dụng bộ quan sát lực để thay thế
cho sensor lực trong việc điều khiển lực trong robot
2. Mục đích, phạm vi nghiên cứu:

10


Luận văn nhằm mục đích chính tìm phương pháp để thay thế sensor lực, trên
cơ sở đề xuất một phương pháp ước lượng lực tương tác giữa robot và môi trường
bằng việc sử dụng bộ quan sát lực.
Giới hạn các vấn đề cần thực hiện trong luận văn như sau:
• Tìm hiểu về robot, các phương pháp điều khiển đồng thời vị trí và lực trong
robot
• Nghiên cứu thiết kế bộ quan sát lực để ước lượng lực tương tác giữa robot và
môi trường
• Thiết kế bộ điều khiển lai vị trí- lực cho robot Planar sử dụng bộ quan sát lực
để lấy tín hiệu phản hồi về lực

Để thực hiện được các mục tiêu đã đề ra, tác giả tiến hành nghiên cứu lý thuyết,
tổng hợp các kết quả của những nghiên cứu đi trước và kết hợp việc mô phỏng bằng
công cụ matlab/simulink
3. Cấu trúc của luận văn
Luận văn được trình bày thành 4 chương với nội dung cơ bản của từng chương
được tóm tắt như sau
Chương 1- Tổng quan về robot công nghiệp : Tóm tắt sơ lược về quá trình ra
đời và phát triển của robot công nghiệp, mối quan hệ giữa robot công nghiệp và tự
động hóa. Cấu tạo của robot công nghiệp và ứng dụng của robot trong công nghiệp
Chương 2- Nghiên cứu các phương pháp điều khiển lực robot công nghiệp:
Trình bày về các phương pháp điều khiển lực cho robot như điều khiển cứng, điều
khiển trở kháng, điều khiển lai vị trí- lực
Chương 3- Nghiên cứu, thiết kế bộ quan sát lực để điều khiển lực tương tác
giữa robot và môi trường: Trong chương này tác giả nghiên cứu xây dựng bộ
quan sát lực cho robot, xây dựng bộ quan sát lực cho robot Planar, xây dựng bộ điều
khiển lực cho robot Planar với việc sử dụng bộ quan sát lực
Chương 4- Mô phỏng và đánh giá kết quả: Tiến hành mô phỏng thuật toán
điều khiển và bộ quan sát cho robot planar trên Matlab/Simulink và đánh giá kết
quả đạt được.
11


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.1 Giới thiệu về robot công nghiệp

1.1.1 Lịch sử phát triển của robot công nghiệp
Từ khi thuật ngữ robot đầu tiên xuất hiện năm 1920 trong vở kịch của nhà viết
kịch người Tiệp Karel Capek, trong đó những robot có thể ứng xử như con người,
có sức khỏe gấp đôi con người, nhưng không có cảm giác như con người. Sự phát
triển của lĩnh vực robot bắt đầu từ 40 năm sau đó, Cho đến bây giờ sự phát triển về

kỹ thuật robot đã trải qua một quá trình cải tiến và hoàn thiện rất nhanh chóng. Bắt
đầu là cơ cấu tay máy chép hình cơ khí, thủy lực hoặc điện từ được điều khiển từ xa
trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ ở Hoa Kỳ như tay máy Minotaur I
hoặc tay máy Handyman.

Hình 1.1: Hình dạng của một robot công nghiệp

12


Một số mốc phát triển đáng chú ý của robot công nghiệp có thể điểm qua:
ƒ Năm 1938, Harolh Roselund và Willard người Mỹ đã thiết kế ra cơ cấu phun
sơn có thể lập trình đầu tiên cho công ty DeVibiss.
ƒ Năm 1942, Isaac Asimov xuất bản cuốn “Runaround” trong đó ông đưa ra 3
quy tắc về Robot.
ƒ Năm 1951, ở Pháp RayMond Goertz đã thiết kế một cánh tay có khớp có thể
hoạt động từ xa cho dự án năng lượng nguyên tử. Thiết kế này dựa toàn bộ
vào các lien kết cơ học giữa cánh tay chính và cánh tay phụ (sử dụng cáp
bằng thép và ròng rọc). Mẫu thiết kế này ngày nay vẫn được sử dụng khi cần
sử lý các mẫu hạt nhân. Đây được coi như một bước ngoặt trong kỹ thuật
phản hồi lực.
ƒ Năm 1954, Goerge C. Devol đã thiết kế ra một cơ cấu robot đầu tiên có thể
lập trình được và đặt tên là Universal Automation, và cũng chính là nguồn
gốc tên công ty sau này của ông là Unimation.
ƒ Năm 1959, Marvin Minsky và John McCarthy thành lập phòng thí nghiệm trí
tuệ nhân tạo tại MIT (Massachusetts Institute of Technology).
ƒ Năm 1959, C.DeVol và các cộng sự cho ra đời chiếc robot công nghiệp đầu
tiên có tên là Unimate.
ƒ Năm 1960, Tập đoàn Codec đã mua lại công ty Unimation của C.Devol và
bắt đầu phát triển hệ thống robot Uminate. General Motors đã mua lại chiếc

Robot công nghiệp đầu tiên Unimate từ công ty Unimation và lắp đặt cho
dây chuyền sản xuất. robot điều khiển bằng tay chính là loại đầu tiên của thế
hệ robot Unimate.
ƒ Năm 1964, Các phòng thí nghiệm nghiên cứu trí tuệ nhân tạo nhân tạo được
mở tại MIT,SRI(Stanford Research Institute), Trường Đai học Stanford, và

13


trường đại học Edinburgh.1964 hãng C&D Robotics được thành lập.
Carnegie Mellon University thành lập học viện về robot (Robotics Institute).
ƒ Năm 1965, phép biến đổi thuần nhất được ứng dụng cho cách tính động học
robot – Nguồn gốc hình thành học thuyết robot ngày nay.
ƒ Năm 1968, SRI đã thiết kế ra Shakey, một robot di động có khả năng quan
sát và được điều khiển bởi một máy cỡ lớn như một căn phòng.
ƒ Năm 1970, Giáo sư Victor Scheinman của đại học Stanford đã thiết kế ra
mẫu Robot Standard Arm. Mà ngày nay cơ cấu động học của nó được xem
như là cách tay robot tiêu chuẩn.
ƒ Năm 1973, Cincinnati Milacron đã phát minh ra loại T3, loại robot công
nghiệp mang tính thương mại được điều khiển bởi một máy tính mini
commercially available (designed by Richard Hohn).
ƒ Năm 1974, Giáo sư Victor Scheinman, nhà phát triển loại cánh tay Stanford,
đã thành lập công ty Vicarm nhắm đưa ra thị trường một phiên bản cánh tay
robot cho các ứng dụng công nghiệp. Loại cánh tay mới này được điều khiển
bởi một máy tính mini.
ƒ Năm 1976, cánh tay robot được sử dụng trên các tàu thăm dò vũ trụ Viking 1
và 2. Trong các thiết bị này công ty Vicarm đã sử dụng các vi tính máy tính
(Microcomputer).
ƒ Năm 1977, ASEA, một công ty robot của Châu Âu đã giới thiệu 2 loại robot
công nghiệp chạy bằng điện. Cả 2 đều sử dụng máy vi tính cho việc lập trình

và điều khiển hoạt động.
ƒ Năm 1978, Sử dụng công nghệ của Vicarm, Unimation đã sản xuất robot
PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly). Ngày nay chúng
ta có thể thấy Puma vẫn có ở trong một số phòng thí nghiệm.

14


ƒ Năm 1979, Sankyo và IBM đã đưa ra thị trường mẫu robot Scara (Selective
compliant articulated robot arm) tại trường Yamanashi của Nhật.
Cho đến nay nhờ áp dụng có các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ
thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, tính năng có nhiều bước tiến vượt
bậc. Do đó robot công nghiệp đã chiếm vị trí quan trọng trong cá dây truyền sản
xuất. Đã có rất nhiều chủng loại robot với nhiều hình dáng, kích cỡ được ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực của xã hội, như: công nghiệp, khoa học, y tế, an ninh…

1.1.2 Một số định nghĩa về robot
Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về robot tùy theo tính chất công việc mà
Robot phải thực hiện hay tuỳ theo chức năng cụ thể của robot. Dưới đây là một số
định nghĩa thông dụng nhất về một robot công nghiệp.
• Theo RIA-Viện nghiên cứu robot Hoa Kì: Robot là một tay máy nhiều chức
năng, thay đổi được chương trình hoạt động, được dùng để di chuyển vật
liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua
những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích hoàn thành
những nhiệm vụ đa dạng.
• 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 toạ độ; có khả năng định vị, định hướng,
di chuyển các đối tượng vật chất : chi tiết, dao cụ, gá lắp. . .theo những hành
trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ

khác nhau.
• Định nghĩa theo ΓOCT 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 quá trình sản xuất.

15


• Còn theo giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học Tổng hợp Tokyo) thì một robot
công nghiệp phải là robot thỏa mãn năm yếu tố:
9 Có khả năng thay đổi chuyển động
9 Có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác
9 Có số bậc tự do cao
9 Có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động
9 Có khả năng hoạt động tương hỗ với môi trường bên ngoài
Sự thống nhất trong tất cả các định nghĩa nêu trên là đặc điểm điều khiển theo
chương trình, đó là nhờ những bộ vi xử lí và các vi mạch tích hợp chuyên dùng.

1.1.3 Các đặc tính của robot công nghiệp
• Tải trọng
Tải trọng là trọng lượng robot có thể mang và giữ trong khi vẫn đảm bảo một
số đặc tính nào đó. Tải trọng lớn nhất lớn hơn tải trọng định mức nhiều, nhưng
Robot không thể mang tải trọng lớn hơn định mức, vì khi đó robot không đảm bảo
được độ chính xác di chuyển. Tải trọng của robot thông thường rất nhỏ so với trọng
lượng robot. Ví dụ, robot LR Mate của hãng Fanuc có trọng lượng 40 Kg chỉ mang
được tải trọng 3 Kg, robot M-16i có trọng lượng 269 Kg mang được tải trọng 18.5
Kg.
• Tầm với
Tầm với là khoảng cách lớn nhất mà robot có thể vươn tới trong phạm vi làm

việc. Tầm với là một hàm phụ thuộc và cấu trúc robot.
• Độ phân giải không gian
Độ phân giải không gian là gia tăng nhỏ nhất robot có thể thực hiện khi di
chuyển trong không gian. Độ phân giải phụ thuộc vào độ phân giải điểu khiển và độ
chính xác cơ khí. Độ phân giải điều khiển xác định bởi độ phân giải hệ thống điều

16


khiển vị trí và hệ thống phản hồi: là tỷ số của phạm vi di chuyển và số bước di
chuyển của khớp được địa chỉ hóa trong bộ điều khiển robot:
Số bước di chuyển = 2n

Với n – Số bit bộ nhớ.
Ví Dụ: Một khớp tịnh tiến của robot có hệ thống điều khiển 12 bit di chuyển

trong phạm vi 100 mm , số bước di chuyển có thể là : 4096. Độ phân giải tương ứng
là:
100
= 0.0244mm
4096

Độ di chuyển của robot là tổng các dich chuyển thành phần. Do đó độ phân
giải của cả robot là tổng các độ phân giải của từng khớp robot.
Độ chính xác cơ khí trong cơ cấu chuyển động các khớp và khâu phản hồi của
hệ thống điều khiển secvo sẽ ảnh hưởng đến độ phẩn giải. Các yếu tố làm giảm độ
chính xác cơ khí như khe hở trong hộp truyền, điều kiện bảo dưỡng robot…Độ
chính xác cơ khí sẽ làm giảm độ phân giải.
• Độ chính xác


Độ chính xác đánh giá độ chính xác vị trí tay robot có thể đạt được. Độ chính
xác được định nghĩa theo độ phân giải của cơ cấu chấp hành. Độ chính xác di
chuyển đến vị trí mong muốn sẽ phụ thuộc vào độ dịch chuyển nhỏ nhất của khớp.
Khi coi cơ cấu cơ khí có độ chính xác rất cao.
Trong thực tế, độ phân giải bị ảnh hưởng đối với một số yếu tố. Độ chính xác
sẽ thay đổi tùy thuộc vào phạm vi di chuyển của tay robot: Phạm vi di chuyển càng
xa bệ robot, độ chính xác càng giảm do độ mất chính xác cơ khí càng lớn. Độ chính
xác của robot sẽ được cải thiện nếu di chuyển của robot được giới hạn trong phạm
vi cho phép. Tải trọng cũng ảnh hưởng đến độ chính xác, tải trọng lớn sẽ gây ra độ
chính xác cơ khí thấp và làm giảm độ chính xác di chuyển. Thông thường độ chính
xác di chuyển của robot công nghiệp đạt 0,025 mm.

17


• Độ lặp lại

Độ lặp lại đánh giá độ chính xác khi robot di chuyển để với tới một điểm
trong nhiều lần hoạt động (ví dụ 100 lần). Do một số yếu tố mà robot không thể với
tới cùng một điểm trong nhiều lần hoạt động, mà các điểm mà các điểm với của
Robot nằm trong một vòng tròn với tâm là điểm đích mong muốn. Bán kính của
đường tròn đó là độ lặp lại . Độ lặp lại là đại lượng có ý nghĩa quan trọng hơn độ
chính xác. Độ chính xác đánh giá bằng sai số cố định, sai số cố định có thể phán
đoán được và có thể hiệu chỉnh bằng chương trình. Nhưng sai số ngẫu nhiên khó có
thể khử được. Độ lặp lại cần phải được xác định bằng thực nghiệm với tải trọng và
các hướng di chuyển khác nhau (phương thẳng đứng và phương nằm ngang). Độ lặp
lại của các robot công nghiệp thông thường là 0,025 mm.
• Độ nhún

Độ nhún biểu thị sự dịch chuyển của điểm cuối cổ tay robot đáp ứng lại lực

hoặc moment tác dụng. Độ nhún lớn có nghĩa là tay robot dịch chuyển nhiều khi lực
tác động nhỏ và ngược lại. Độ nhún có ý nghĩa quan trọng vì nó làm giảm độ chính
xác dịch chuyển khi Robot mang tải trọng. Nếu robot mang tải trọng nặng, trọng
lượng tải trọng sẽ làm cho cánh tay robot bị dịch chuyển. Khi robot thực hiện gia
công khoan, ấn mũi khoan vào chi tiết phản lực sẽ làm cơ cấu tay di chuyển Nếu
robot được lập trình trong điều kiện không tải của cơ cấu tay, độ chính xác sẽ giảm
trong điều kiện làm việc có tải.
1.2 Cấu tạo robot công nghiệp

Một robot công nghiệp điển hình gồm có các bộ phận sau
-

Hệ thống chuyển động

-

Hệ thống truyền động

-

Hệ thống cảm biến

-

Hệ thống điều khiển

18


1.2.1 Hệ thống chuyển động

Hệ thống chuyển động robot công nghiệp đảm bảo cho robot có thể thực hiện
các nhiệm vụ trong không gian làm việc bao gồm các chuyển động của thân, cánh
tay, cổ tay giữa các vị trí hoặc chuyển động theo một quỹ đạo đặt trước
Các bộ phận cơ bản của robot là cánh tay (arm), cánh tay được cấu thành bởi
các thanh nối liên kết với nhau qua các khớp nối mềm (joint ). Cánh tay được gắn
lên thân (base), cổ tay (wrist ) được gắn ở thanh nối cuối cùng của cánh tay robot,
bàn tay (hand) được gắn lên cổ tay để thực hiện các nhiệm vụ theo yêu cầu công
nghệ: cầm nắm hoặc gia công

Hình 1.2: Hệ thống chuyển động robot
1.2.1.1.

Khớp robot

Khớp là khâu liên kết hai thanh nối có chức năng truyền chuyển động để thực
hiện di chuyển của robot. Các thanh nối sẽ chuyển động tương đối với nhau. Thông
thường khớp robot được sử dụng là dạng khớp tịnh tiến và khớp quay
-

Khớp tịnh tiến thực hiện chuyển động tịnh tiến hoặc trượt của thanh nối.
Khớp tịnh tiến thường có dạng xilanh- piston, cơ cấu kính viễn vọng...

19


-

Khớp quay có 3 dạng: Khớp quay dạng R có trục xoay vuông góc với hai
trục thanh nối. Khớp quay dạng T có trục xoay trùng với trục hai thanh nối.
Khớp quay dạng V có trục xoay trùng với trục thanh nối vào và vuông góc

với trục thanh nối ra.

• Khớp tịnh tiến :

Thực hiện dịch chuyển thẳng, chuyển động dọc trục

Hình 1.3: Khớp tịnh tiến
• Khớp quay :

Thực hiện các loại chuyển động quay, bao gồm nhiều loại như: khớp quay 1
hướng, khớp bản lề, khớp cầu…

Hình 1.4: Các dạng khớp quay

20


1.2.1.2 Cổ tay robot

Cổ tay robot có nhiệm vụ định hướng chính xác bàn tay robot (cơ cấu tác động
cuối ) trong không gian làm việc.Thông thường cơ cấu cổ tay robot có 3 bậc tự do
tương ứng với 3 chuyển động
1.2.1.3 Bàn tay robot

Bàn tay được gắn lên cổ tay robot đảm bảo cho robot thực hiện các nhiệm vụ
khác nhau trong không gian làm việc. Thông thường cơ cấu bàn tay robot được cấu
tạo theo hai dạng: Cơ cấu bàn kẹp ( gripper) và cơ cấu dụng cụ (tool)
• Cơ cấu kẹp: Được sử dụng để cầm giữ một vật thể hoặc chi tiết ở các robot

làm việc trong dây chuyền lắp ráp khi gắp một chi tiết và lắp ráp một bộ

phận của một máy, robot ở dây chuyền đóng gói hoặc robot có chức năng
vận chuyển, gắp một chi tiết lên một băng tải…
Cơ cấu kẹp thường có kiểu ngón tay. Các ngón tay có chức năng biến
đổi một dạng năng lượng ( điện, cơ khí, khí nén, thủy lực ) nhờ một cơ cấu
chấp hành để nắm giữ một vật thể. (Hình 1.5 ) thể hiện cơ cấu ngón tay
robot

Hình 1.5: Cơ cấu kẹp của robot

21


• Cơ cấu dụng cụ: Trong nhiều dây chuyền sản xuất, robot có nhiệm vụ như

một dụng cụ (gia công kim loại, sơn, hàn…). Để thực hiện các công nghệ đó,
dụng cụ có thể được kẹp trên bàn tay robot (cơ cấu kẹp ) hoặc một dụng cụ
được gắn cố định trên cổ tay của robot. Các dụng cụ này có thể là: Mũi
khoan, dụng cụ cắt, đá mài, vòi phun sơn, cơ cấu hàn điểm…Khi bàn tay
robot là một dụng cụ, robot được điều khiển chuyển động của dụng cụ tương
tự như điều khiển cơ cấu bàn tay kiểu kẹp
1.2.1.4.

Các cấu hình không gian

• Dạng Đề Các

Dạng Đecac sử dụng 3 đường trượt vuông góc nhau trong không gian là các
trục toạ độ x, y, z.
Robot chuyển động theo 3 trục toạ độ. Sử dụng các khớp tịnh tiến, phạm vi
làm việc của robot được mở rộng theo hình chữ nhật.


Hình 1.6: Cấu hình robot dạng Decac

22


•

Hình 1.7 : Cấu hình robot dạng Decac

• Dạng hình trụ

Trục cơ bản là một trụ dọc, robot chuyển động lên và xuống dọc theo trục. Bằng
các chuyển động quay quanh trục, tịnh tiến dọc trục phạm vi làm việc của robot
được mở rộng theo một hình trụ bao quanh trục cơ bản.

Hình 1.8 a: Cấu hình robot dạng hình trụ

Hình 1.8 b: Cấu hình robot dạng hình trụ

23


• Dạng hình cầu

Sử dụng các khớp lồng vào nhau, giúp cho robot có khả năng chuyển động lên
hoặc xuống theo chiều ngang của trục quay. Dạng đa khớp nối cho phép robot mở
rộng khoảng không gian làm việc theo hình cầu.

Hình 1.9: Cấu hình robot dạng hình cầu

• Dạng khớp nối

Tương tự như hai cánh tay con người, nó gồm hai phần tử thẳng đứng ứng với
cánh tay và cổ tay. Các phần tử này được ghép nối với nhau bởi hai khớp tương ứng
với khớp bả vai và khớp khuỷu tay. Cổ tay được nối với cẳng tay.
Các robot dạng này có số bậc tự do cao, vùng làm việc rất rộng, nhưng do kết
cấu phức tạp nên lập trình khó.

.

Hình 1.10: Cấu hình robot dạng khớp nối

24