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

MẠC THỊ NGUYÊN

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC
VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ

Hà Nội, 2010


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

MẠC THỊ NGUYÊN

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC
VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:
TS NGUYỄN TRỌNG DOANH

Hà Nội, 2010

Luận văn thạc sỹ

Bộ môn công nghệ chế tạo máy

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan rằng, số liệu và những kết quả thực nghiệm được nghiên
cứu trong luận văn Nghiên cứu mô phỏng động lực học và điều khiển Robot
Scara là hoàn toàn thực tế khách quan. Những kết quả tương tự chưa từng được sử
dụng để bảo vệ một học vị nào.

Tác giả luận văn

Mạc Thị Nguyên

Mạc Thị Nguyên

3

Trường ĐH Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ

Bộ môn công nghệ chế tạo máy

Lời cảm ơn
Tôi xin được bày tỏ sự cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn
TS. Nguyễn Trọng Doanh. Những lời gợi ý và giúp đỡ lựa chọn đề tài luận
văn tốt nghiệp, sự hướng dẫn tận tình , ủng hộ thường xuyên cũng như sự động viên
của thầy trong quá trình thực hiện luận văn này. Bên cạnh đó thầy cũng đưa ra

những đánh giá tổng kết sâu sắc và gợi mở hướng phát triển của đề tài nghiên cứu
trong tương lai
Tôi cũng chân thành gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô giáo đà tham gia
giảng dạy các môn học trong chương trình cao học, các thầy cô đà cung cấp cho tôi
những kiến thức cần thiết làm nền tảng để tôi có thể hoàn thành tốt nội dung của
luận văn tốt nghiệp này.
Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn đặc biệt tới những người thân trong gia
đình, bạn bè và đồng nghiệp với sự quan tâm, động viên và ủng hộ nhiệt tình của
họ đối với tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này.
Trong quá trình thực hiện luận văn không thể tránh khỏi những sai sót, tôi rất
mong những ý kiến đóng góp, phản biện của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp.

Hi Dng 25 tháng 10 nm 2010

Mạc Thị Nguyên

Mạc Thị Nguyên

4

Trường ĐH Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ

Bộ môn công nghệ chế tạo máy

Mục lục

Lời cam đoan ............................................................................................. 3

Mục lục ......................................................................................................... 5
Mở đầu ......................................................................................................... 10
I. Lý do chọn đề tài:........................................................................................ 10
II. Mục đích nghiên cứu đề tài, đối tượng nghiên cứu của
đề tài ......................................................................................................................... 10
III. Phương pháp nghiên cứu .................................................................... 10
Chương I: Tổng quan vỊ robot .................................................... 11
1.1. Giíi thiƯu chung....................................................................................... 11
1.1.1. CÊu t¹o:............................................................................................................11
1.1.2. Các chuyển động của Robot: ...........................................................................12
1.1.3. Hệ thống truyền động: .....................................................................................13
1.1.4. Hệ thống nhận dạng ........................................................................................13

1.2. Phân loại robot........................................................................................ 14
1.2.1. Phân loại theo số bậc tự do của trường công tác .............................................14
1.2.2. Phân loại theo cấu trúc động học ....................................................................14
1.2.3. Phân loại theo hệ thống truyền động ...............................................................18
1.2.4. Phân loại theo điều khiển ................................................................................19
1.2.5. Phân loại theo các đặc điểm hoạt động ...........................................................19
1.2.6. Phân loại theo ứng dụng ..................................................................................20

1.3. ứng dụng và hướng phát triển của robot công
nghiệp trong tự động hoá sản xuất. .............................................. 21
1.4. ứng dụng robot công nghiệp trong tự động hoá sản
xuất ở Việt Nam. ............................................................................................... 23
1.5. Mô hình toán học hệ thống truyền động:..........................25
1.6. Tổng quan về các phương pháp điều khiển:........................26
1.6.1. Điều khiển quĩ đạo khớp: ................................................................................27
1.6.2. Điều khiển quĩ đạo tay: ...................................................................................27
1.6.3. Điều khiển lực: ................................................................................................28

1.6.4. Điều khiển vị trí: .............................................................................................28

1.7. ứng dụng của Robot: ............................................................................. 32
1.7.1. Ưu điểm của Robot: ........................................................................................32
1.7.2. ứng dụng của Robot: .......................................................................................33

Mạc Thị Nguyên

5

Trường ĐH Bách khoa Hà Néi


Luận văn thạc sỹ

Bộ môn công nghệ chế tạo máy

Chương II: Tính toán động học và động lực học cho
robot scara............................................................................................. 34
2.1. Kh¸i niƯm robot scara -serpent: ................................................ 34
2.2. Kh¸i niệm về động học vị trí robot: ........................................ 35
2.2.1. Các phép biến đổi thuần nhất: .........................................................................35
2.2.2. Biểu diễn tay Robot: ........................................................................................37
2.2.3. Động học vị trí: ...............................................................................................39

2.3. xây dựng động học vị trí của robot serpent...................41
2.4. xây dựng phương trình động học ngược robot
serpent:................................................................................................................... 46
2.5. Động lực học robot serpent: ........................................................ 48
2.5.1 . Hàm Lagrange và các vấn đề động lực học:...................................................49

2.5.2 . Phương trình động lực học Robot Serpent:.....................................................50

Chương III : HƯ thèng ®iỊu khiĨn cđa robot scara ....... 60
3.1. Thiết kế quỹ đạo điều khiển robot serpent ......................60
3.1.1. Giới thiệu .........................................................................................................60
3.1.2. Xây dựng quỹ đạo chuyển động chuẩn cho các khớp Robot Serpent: ............61
3.1.3. Xây dựng quỹ đạo chuyển động của Robot Serpent: ......................................66
3.1.4. Kết quả mô phỏng quỹ đạo chuyển động của các khớp: .................................68

3.2. Thiết kế luật ®iỊu khiĨn q ®¹o robot serpent .........71
3.2.1. Tỉng quan vỊ các luật điều khiển: ...................................................................71
3.2.2. Thiết kế luật điều khiển Robot Serpent: ..........................................................74

Chương IV: Lập trình điều khiển ................................................ 85
4.1. Giao diện chương trình ...................................................................... 85
4.2. Các chức năng chính của chương trình .............................. 85
Kết luận và khuyến nghị ................................................................ 92

Mạc Thị Nguyên

6

Trường ĐH Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ

Bộ môn công nghệ chế tạo máy

Danh mục bảng

Bảng 2. 1: Tham số động học Robot Serpent ............................................................42
Bảng 2. 2: Thông số động lực học Robot Serpent .....................................................50
Bảng 3. 1: Vị trí tay máy ...........................................................................................67
Bảng 3. 2: Vị trí khớp ................................................................................................67
Bảng 3.3: Thông số động cơ truyền động các khớp ..................................................77

Mạc Thị Nguyên

7

Trường ĐH Bách khoa Hà Néi


Luận văn thạc sỹ

Bộ môn công nghệ chế tạo máy

Dang mục hình vẽ
Hình 1.1. Tay máy kiểu hệ toạ độ đề các ..................................................................15
Hình 1.2. Tay máy kiểu tọa độ trụ ............................................................................15
Hình 1.3. Tay máy kiểu tọa độ cầu ..........................................................................15
Hình 1.4. Tay máy kiểu SCARA ...............................................................................15
Hình 1.5. Tay máy kiểu tay ng­êi .............................................................................15
H×nh 1.6. Robot song song ........................................................................................15
H×nh 1.7. Robot di chun ........................................................................................17
H×nh 1.8. Robot Asimo cđa Honda-NhËt ..................................................................18
H×nh 1.9. Robot leo cầu thang (General Electric - USA) ..........................................20
Hình 1.10. Robot song song dùng trong y tế.............................................................20
Hình 1.11. Robot chân nhện (Mech. Laboratory-Japan) ...........................................20
Hình 1.12. Robot làm việc dưới nước (OCA)............................................................20

Hình 1.13. Robot hàn ................................................................................................20
Hình 1.14. Robot trong dây truyền lắp ráp ô tô ........................................................20
Hình 1.15. Một số loại robot được ứng dụng trong thực tế .......................................21
Hình 1. 16. Mô hình truyền động .............................................................................25
Hình 1. 17. Mô hình toán học động cơ.....................................................................26
Hình 1. 18. Phân loại các phương pháp điều khiển Robot .......................................27
Hình 1. 19. Sơ đồ mạch vòng phản hồi lực ..............................................................28
Hình 1. 20. Sơ đồ điều khiển phản hồi .....................................................................29
Hình 1. 21. Sơ đồ điều khiển PD đơn giản ................................................................30
Hình 1. 22. Sơ đồ điều khiển mô men tính toán .......................................................31
Hình 2. 1: Robot Serpent ...........................................................................................34
Hình 2. 2: Đặt hệ toạ độ cho thanh nối Robot ...........................................................40
Hình 2. 3: Cấu hình Robot Serpent............................................................................42
Hình 2. 4: Cấu hình động lực học Robot Serpent ......................................................51
Hình 3. 1: Quỹ đạo điều khiển dạng 2 - 1 - 2 ............................................................62
Hình 3. 2: Quỹ đạo khớp 1 ........................................................................................68
Hình 3. 3: Quỹ đạo khớp 2 ........................................................................................69
Hình 3. 4: Đồ thị chuyển động khớp 3 ......................................................................69
Hình 3. 5: Quỹ đạo chuyển động khớp 4 ..................................................................70
Hình 3. 6: Quỹ đạo chuyển động tay máy.................................................................70
Hình 3.7. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tay máy Robot ...................................74
Hình 3.8. Mô phỏng tay máy Robot .........................................................................76
Hình 3.9. Mô hình toán học động cơ điện một chiều ...............................................77
Hình 3.10. Đồ thị sai số góc quay khớp 1 ................................................................79
Hình 3.11. Đồ thị sai số góc quay khớp 2 ................................................................80
Hình 3.12. Đồ thị sai số góc quay khớp 4 ................................................................81
Hình 3.13. Đồ thị quỹ đạo thực khớp 1 ....................................................................81
Hình 3.14. Đồ thị quỹ đạo thực khớp 2 ....................................................................82
Hình 3.15. Đồ thị quỹ đạo thực khớp 4 ....................................................................82
Hình 3.16. Đồ thị vận tốc thực khớp 1 .....................................................................83


Mạc Thị Nguyên

8

Trường ĐH Bách khoa Hà Néi


Luận văn thạc sỹ

Bộ môn công nghệ chế tạo máy

Hình 3.17. Đồ thị vận tốc thực khớp 2 .....................................................................83
Hình 3.18. Đồ thị vận tốc thực khớp 4 .....................................................................84
Hình 4.1. Giao diện phần mềm điều khiển robot SCARA ........................................85
Hình 4.2. Các chức năng được chọn trong pop- up menu .........................................85
Hình 4.3. Kết quả bài toán động học thuận ...............................................................86
Hình 4.4. Màn hình vẽ biên dạng ..............................................................................87
Hình 4.5. Quỹ đạo xoắn ốc........................................................................................88
Hình 4.6. Vật cần gia công ........................................................................................90
Hình 4.7. Đường chạy dao.........................................................................................90
Hình 4.8. Xuất ra file CL Data ..................................................................................90
Hình 4.9. Quỹ đạo chạy dao trong chương trình điều khiển Robot ..........................90

Mạc Thị Nguyên

9

Trường ĐH Bách khoa Hà Nội



Luận văn thạc sỹ

Bộ môn công nghệ chế tạo máy

Mở đầu
I. Lý do chọn đề tài:
Ngày nay, Robot được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống xÃ
hội, từ các ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, các dịch vụ y tế,
các dịch vụ công cộng đến các hoạt động khai thác tài nguyên. Chính vì lẽ đó, việc
nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các loại Robot để thay thế con người trong mét sè
lÜnh vùc lµ rÊt thiÕt thùc. ë ViƯt Nam việc nghiên cứu về Robot cũng đà đạt được
những thành tựu nhất định. Một số Robot đà được chế tạo và đưa vào sử dụng trong
đời sống xà hội. Với mục đích tìm hiểu sâu hơn và có những nghiên cứu bước đầu về
Robot tôi đà nhận đề tài Nghiên cứu mô phỏng động lực học và điều khiển Robot
Scara cho đề tài luận văn cao học của mình.
II. Mục đích nghiên cứu đề tài, đối tượng nghiên cứu
của đề tài
Mục đích của đề tài là nghiên cứu lý thuyết và giải bài toán động học, động
lực học Robot, mô phỏng bài toán động lực học cho Robot Scara 4 bậc tự do. Tìm
hiểu lý thuyết về điều khiển động cơ bước và viết chương trình lập trình điều khiển
trong Robot.
III. Phương pháp nghiên cứu
Dựa trên cơ sở nghiên cứu tính toán lý thuyết sau đó mô phỏng bằng phần
mềm Matlab, có sự kết hợp với khảo nghiệm trên mô hình thực.

Mạc Thị Nguyên

10


Trường ĐH Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ

Bộ môn công nghệ chế tạo máy

Chương I: Tỉng quan vỊ robot
1.1. Giíi thiƯu chung
Tõ gi÷a thËp kỷ 18, J.de Vancauson xây dựng các bupbe cơ khí có thể chơi
nhạc, đây được coi là sản phẩm đầu tiên của Tự động hoá - Robot.
Các thiết bị điều khiển có thể ghi nhớ tín hiệu điện từ và dùng lại với sự trợ
giúp các hoạt động cơ khí của máy móc được cấp chứng nhận vào những năm 1950
tại Anh, Mỹ, Đức.
Năm 1968 Robot Shakey ra đời, phát triển hơn các loại Robot khác là nó
được trang bị các cảm biến va chạm, các camera và nó có thể di chuyển trên sàn
nhà.
Robot dùng ngôn ngữ lập trình và máy tính ra đời năm 1973. Ngôn ngữ
WAVE kết hợp với ngôn ngữ AL thành ngôn ngữ VAL, được phát triển mạnh vào
thời gian sau đó bởi Victor Sheinman và Bruce Simano.
Các Robot phục vụ công nghiệp cơ khí được phát triển từ năm 1974, sau khi
hÃng Kawasaki nhận được giấy phép của Unimation dùng Robot trong việc hàn hồ
quang cho ô tô.
Ngày nay, Robot được sử dụng rộng rÃi và phát triển trong các ngành kỹ
thuật. Dưới sự ®iỊu khiĨn cđa m¸y tÝnh cho phÐp Robot cã thĨ có nhiều ứng dụng
hơn nữa.
Robot công nghiệp được định nghĩa là một cơ cấu máy có thể lập trình được,
có khả năng làm việc một cách tự động không cần sự trợ giúp của con người. và giữa
các tay máy có thể hợp tác được với nhau.
1.1.1. Cấu tạo:

Các Robot công nghiệp ngày nay thường được đặt trên đế và gắn chặt với
sàn. Cơ thể được gắn với để, tổ hợp cánh tay được nối với cơ thể. Cuối cánh tay là cổ
tay. Cổ tay gồm nhiều phần tử cho phép Robot định vị đa dạng các vị trí. Quan hệ
chuyển động giữa các phần tử khác nhau của cơ thể như: cổ tay, cánh tay được thực

Mạc Thị Nguyên

11

Trường ĐH Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ

Bộ môn công nghệ chế tạo máy

hiện qua một chuỗi các khớp nối. Các chuyển động bao gồm chuyển động quay và
chuyển động tịnh tiến.
Về mặt cơ khí, Robot được cấu tạo từ những thanh nối và khớp. Các thanh
nối được ghép với nhau bởi các khớp, cho phép Robot có các chuyển động đa dạng.
1.1.2. Các chuyển động của Robot:
Robot được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau trong sản xuất. Các
công việc được thực hiện bởi khả năng chuyển động của cơ thể, cánh tay, cổ tay của
Robot qua một chuỗi các chuyển động và vị trí. Cổ tay được sử dụng cho Robot thực
hiện chính xác công việc. Các chuyển động của Robot được chia làm hai chuyển
động cơ bản là chuyển động của cổ tay và chuyển động của toàn bộ cơ thể. Các
chuyển động riêng lẻ được ghép nối và gắn chặt với hai dạng chuyển động này và
chúng được giới hạn bởi số bậc tự do (deggrees of freedom). Các Robot thông
thường có 4 đến 6 bậc tự do.
Các chuyển động cơ bản được thực hiện bởi các ghép nối về năng lượng. Với

Robot có từ 4 đến 6 bËc tù do, th­êng cã 3 ghÐp nèi víi hoạt động của cánh tay và
cơ thể, từ 2 đến 3 khớp nối sử dụng cho hoạt động của cổ tay. Trong một chuỗi các
chuyển động đều có liên hệ với nhau. Chuyển động đầu ra có liên hệ với chuyển
động đầu vào.
Các khớp nối được sử dụng trong thiết kế Robot công nghiệp điển hình là
khớp tịnh tiến và khớp quay.
+ Khớp tịnh tiến gồm cả chuyển động trượt và di chuyển.
+ Có 3 loại khớp quay trong tay m¸y Robot:
Khíp R (Rotation).
Khíp T (Twisting).
Khíp V (Revolving).
C¸nh tay Robot ®­ỵc thiÕt kÕ cho phÐp Robot cã thĨ chun ®éng tù do trong
giíi h¹n vỊ kÝch th­íc. Giíi h¹n chun động của Robot phụ thuộc:

Mạc Thị Nguyên

12

Trường ĐH Bách khoa Hµ Néi


Luận văn thạc sỹ

Bộ môn công nghệ chế tạo máy

+ Hình dạng vật lý của Robot.
+ Kích thước các phần tử: cánh tay, cổ tay.
+ Giới hạn chuyển động của các khớp nối.
1.1.3. Hệ thống truyền động:
Có 3 dạng hệ thống truyền động chính của Robot là:

+ Truyền động bằng thủ lùc.
+ Trun ®éng ®iƯn.
+ Trun ®éng khÝ nÐn.
Trong ®ã truyền động điện và truyền động bằng thuỷ lực được sử dụng phổ
biến trong các Robot vì tính kinh tế và đơn giản còn truyền động khí nén thường sử
dụng trong các Robot có số bậc tự do nhỏ, yêu cầu độ tác động nhanh cao.
1.1.4. Hệ thống nhận dạng
Cảm biến được sử dụng như thiết bị ngoại vi của Robot, gồm 2 loại đơn giản
như: công tắc hành trình và hệ thống camera. Cảm biến cũng được dùng như các
phần tử tích hợp của hệ thống phản hồi vị trí.
Các loại cảm biến thông dụng:
+ Cảm biến va chạm: là cảm biến phản ứng lại lực khi va chạm với một vật
khác.
+ Cảm biến phạm vi gần: là thiết bị cảm nhận được vật ở gần.
+ Cảm biến hỗn hợp: gồm các cảm biến nhiệt độ, áp suất và các đại lượng vật
lý khác.
+ Camera được sử dụng thực hiện việc kiểm tra, quan sát.
Cảm biến là phần tử quan trọng trong hệ thống điều khiển và giám sát an
toàn.

Mạc Thị Nguyên

13

Trường ĐH Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ

Bộ môn công nghệ chế tạo máy


1.2. Phân loại robot
1.2.1. Phân loại theo số bậc tự do của trường công tác
Robot có hai hình thức chuyển động cơ bản làm chuẩn:
Chuyển động thẳng theo các trục x, y, z trong không gian toạ độ Đề-các với
các khớp lăng trụ hay còn gọi là các khớp trượt, ký hiệu là P.
Chuyển động quay quanh các trục x, y, z, ký hiƯu lµ R.
T thc vµo sè bËc tù do và cách tổ hợp P-R, robot sẽ hoạt động trong các
trường công tác với các hình khối khác nhau. Ví dụ robot có trường làm việc hình
trụ: RRP, RPP,
Robot cần phải thao tác ngày càng khéo léo, tinh vi trong trường công tác của
nó. Số bậc tự do của robot là không hạn chế. Tuy nhiên khi số bậc tự do tăng lên sẽ
kéo theo nhiều vấn đề kỹ thuật và kinh tế phải giải quyết. Do đó việc chọn số bậc tự
do và phương án tổ hợp đề thiết lập không gian làm việc (trường công tác) của robot
phải đảm bảo tính hợp lý và tính tối ưu với những tính năng kỹ thuật xác định của
robot.
1.2.2. Phân loại theo cấu trúc động học
Một robot được gọi là robot tuần tự hay robot chuỗi hở nếu cấu trúc động học
của nó có dạng một chuỗi hở, gọi là robot song song nếu cấu trúc động học của
chúng là một chuỗi đóng, và gọi là robot hỗn hợp nếu nó bao gồm cả hai loại chuỗi
hở và chuỗi đóng.
1.2.2.1 Robot chuỗi (Serial manipulators)
Đây là dạng phổ biến nhất của robot công nghiệp, nó có thể có dạng chuỗi hở
hay chuỗi hở có vòng kín. Tuỳ theo số lượng và cách bố trí các khớp (thường là
khớp trụ và khớp quay) mà có thể tạo ra tay máy kiểu tọa độ đề các, tọa độ trụ, tọa
độ cầu, SCARA và kiểu tay người (Anthropomorphic).
- Tay máy kiểu tọa độ Đề-các
- Tay máy kiểu tọa độ trụ

Mạc Thị Nguyên


14

Trường ĐH Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ

Bộ môn công nghệ chế tạo máy

- Tay máy kiểu tọa độ cầu
- Tay máy kiểu người

Hình 1.1. Tay máy kiểu hệ toạ độ đề các

Hình 1.3. Tay máy kiểu tọa độ cầu

Hình 1.2. Tay máy kiểu tọa độ trụ

Hình 1.4. Tay máy kiểu SCARA

Hình 1.5. Tay máy kiểu tay người

Hình 1.6. Robot song song

SCARA được đề xuất lần đầu vào năm 1979 tại trường đại học Yamanashi
(Nhật Bản), dùng cho công việc lắp ráp. Đó là một kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt,
gồm 2 khớp quay và 1 khớp trượt, nhưng cả 3 khớp ®Ịu cã trơc song song víi nhau.
KÕt cÊu nµy lµm tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng


Mạc Thị Nguyên

15

Trường ĐH Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ

Bộ môn công nghệ chế tạo máy

vững (Compliance) theo phương được chọn (Selective), là phương ngang. Loại này
chuyên dùng cho công việc lắp ráp (Assembly) với tải trọng nhỏ, theo phương thẳng
đứng dùng trong công việc lắp ráp (Assembly) với tải trọng nhỏ, theo phương thẳng
đứng. Từ SCARA là viết tắt của Selective Compliance Assembly robot Arm để mô
tả các đặc điểm trên. Vùng làm việc của SCARA là một phần của hình trụ rỗng.
1.2.2.2 Robot song song (Parallel manipulators)
Loại robot song song điển hình thường có bàn di chuyển được nối với giá cố
định bằng một số nhánh hay chân (Limb or Leg). Do vậy các khâu chỉ chịu lực kéo
hay lực nén, không có chịu uèn. Th­êng sè ch©n chÝnh b»ng sè bËc tù do và các
chân được điều kiển bởi một nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc ngay trên
thân của chân.
Robot song song có các ưu điểm:
Khả năng chịu tải lớn vì tải trọng được chia cho các chân của robot nên tính ì
thấp.
Tốc độ cao hơn, độ chính xác vị trí cao hơn, cấu trúc nhẹ hơn và giới hạn về
không gian làm việc do có kích thước truyền qua ít khâu trung gian hơn. Độ trễ thấp
hơn vì các khâu trung gian ít hơn so với các robot chuỗi. Bộ tay máy nhỏ đặt trên giá
của khâu cuối cùng lớn nhưng chậm hơn so với tay máy chuỗi.
Do có tốc độ cao và chính xác cao nên có thể hoạt động như một máy phay.

Đây là một ứng dụng rất mới về robot vì nó kết hợp nguyên lý điều kiển robot với
nguyên lý cắt gọt kinh điển vào trong quá trình công nghệ, một điều mà từ trước tíi
nay robot ch­a hỊ cã.
Tõ c¸c robot song song cã thể xây dựng nên nhiều ứng dụng, như các mô
phỏng ghế lái máy bay (Stewart, 1965), bàn khung lắp ráp (Reinholtz và Gokhale,
1987), bàn điều kiển dao hay bàn gá vật trên máy phay (Arai và đồng sự, 1991), các
thiết bị định điểm (Gosselin và Hamel, 1994), và các máy chuyển động có chân
bước (Waldron, 1984). Thời gian gần đây, robot song song đà được phát triển mạnh,
ứng dụng trong các trung tâm gia công nhiều bậc tự do, tốc độ cao và độ chính xác
cao.

Mạc Thị Nguyên

16

Trường ĐH Bách khoa Hµ Néi


Luận văn thạc sỹ

Bộ môn công nghệ chế tạo máy

Hầu hÕt c¸c robot song song s¸u bËc tù do cho đến nay đều có sáu chân.
Nhưng nó cũng có nhược điểm vì gặp phải một số trở ngại như không gian làm việc
nhỏ, các chân có thể va chạm lẫn nhau và việc thiết kế rất khó khăn. Hơn nữa, bài
toán động học thuận là một vấn đề khó giải. Có lẽ, các robot song song sáu chân,
sáu bậc tự do với cấu trúc động học đóng được công bố trên các tài liệu nghiên cứu
mới chỉ là những dạng đặc biệt của robot Stewart-Ghough Platform tổng quát. Trong
những dạng đặc biệt này, các thành phần của khớp cầu đồng tâm vẫn còn tương đối
khó khăn trong việc chế tạo.

1.2.2.3 Robot di chuyển (Mobile Robot)
Robot này hiện nay được dùng trong chuyên chở vật liệu trong nhà máy rộng,
trong các bệnh viện, văn phòng cần chuyển giấy tờ,

Hình 1.7. Robot di chuyển
1.2.2.4 Robot có dạng hình người (Humanoid Robot)
Nói một cách đơn giản, một robot dạng này nếu nó có dạng hình người. Nó
có hai chân, hai tay, một đầu và dùng chúng trong các hoạt động như con người:
dùng chân để đi, tay để cầm nắm, đầu để nhìn và nghe,Gần đây robot loại này
càng được chế tạo giống con người cả về hình thức và khẳ năng. Tuy nhiên không
một máy móc nào có thể bằng với sự thông minh của con người. Ngày nay một số
công ty Nhật đà cho ra đời một số loại robot có thể nói nhiều ngôn ngữ, biết hát và
làm một số công việc giống con người. Robot loại này có cấu trúc và điều khiển
phức tạp nhất.

Mạc Thị Nguyên

17

Trường ĐH Bách khoa Hµ Néi


Luận văn thạc sỹ

Bộ môn công nghệ chế tạo máy

Hình 1.8. Robot Asimo của Honda-Nhật
1.2.3. Phân loại theo hệ thống truyền động
1.2.3.1 Hệ truyền động gián tiếp
Các cơ cấu chấp hành nối với nguồn động lực thông qua các bộ truyền, các

kết cấu truyền động cơ khí thường gặp trong thực tế như hệ bánh răng thường, hệ
bánh răng hành tinh, hệ bánh răng sóng, dây đai, bộ truyền xích, hay là bộ truyền
vít-đai ốc,Nhược điểm của hệ này là bị mòn, tạo khe hở động học dẫn đến tính phi
tuyến và hiệu ứng trễ ngày càng cao hơn. Mặt khác hiệu suất truyền động sẽ giảm
do tiêu hao công suất trên bộ truyền.
1.2.3.2 Hệ truyền động trực tiếp
Các cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp với nguồn động lực, do đó kết cấu sẽ
gọn nhẹ và hạn chế, loại bỏ được các nhược điểm của truyền động gián tiếp. Mặt
khác, những khó khăn đặt ra là cần thiết kế và chế tạo các động cơ có số vòng quay
thích hợp và cho phép điều kiển vô cấp trên một dải rộng. Đối với động cơ bước, cần
tiếp tục nâng cao công suất bằng các giải pháp khác nhau để thích hợp với yêu cầu
hoạt động của các cơ cấu chấp hành.

Mạc Thị Nguyên

18

Trường ĐH Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ

Bộ môn công nghệ chế tạo máy

1.2.4. Phân loại theo điều khiển
Có 2 kiểu điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín.
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.
Điều khiển kín (điều khiển servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ

chính xác điều khiển. Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm 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 (không làm việc). Nó chỉ làm việc tại các
điểm dừng. Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán
đinh, bắn đinh,...
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.
1.2.5. Phân loại theo các đặc điểm hoạt động
Các robot cũng có thể phân loại theo các hoạt động tự nhiên của chúng. Một
cơ cấu gọi là cơ cấu phẳng nếu tất cả các khâu của nó chuyển động trong một mặt
phẳng hay trong các mặt phẳng song song với nhau. Cơ cấu phẳng chỉ dùng các
khớp thấp gọi là liên kết phẳng đó là khớp quay và khớp tịnh tiến. Các robot phẳng
rất hữu dụng cho việc cầm nắm các đối tượng trên một mặt phẳng. Một cơ cấu mà
có các khâu chuyển động trong các mặt bất kì trong đó có ít nhất hai mặt cắt nhau là
cơ cấu không gian. Các cơ cấu này có độ linh hoạt cao và thường sử dụng trong
robot công nghiệp.

Mạc Thị Nguyên

19

Trường ĐH Bách khoa Hµ Néi


Luận văn thạc sỹ

Bộ môn công nghệ chế tạo máy


1.2.6. Phân loại theo ứng dụng

Hình 1.9. Robot leo cầu thang

Hình 1.10. Robot song song dïng trong

(General Electric - USA)

y tÕ

H×nh 1.11. Robot chân nhện

Hình 1.12. Robot làm việc dưới nước

(Mech. Laboratory-Japan)

(OCA)

Hình 1.13. Robot hàn

Hình 1.14. Robot trong dây truyền lắp
ráp ô tô

Mạc Thị Nguyên

20

Trường ĐH Bách khoa Hà Nội



Luận văn thạc sỹ

Bộ môn công nghệ chế tạo máy

Robot trong hệ thống sản xuất linh hoạt
Hình 1.15. Một số loại robot được ứng dụng trong thực tế
Ngoài ra, người ta cũng có thể phân loại robot theo phương pháp lập trình,
theo cấp độ thông minh,
1.3. ứng dụng và hướng phát triển của robot công
nghiệp trong tự động hoá sản xuất.
Xuất phát từ mục tiêu là góp phần nâng cao năng suất dây truyền công nghệ,
giảm giá thành, nâng cao chất lượng và cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện
điều kiện lao động, việc ứng dụng công nghệ robot vào sản xuất là hết sức cần thiết.
Robot có những đặc điểm nổi trội đó là:
Có thể thực hiện công việc một cách bền bỉ, không biết mệt mỏi nên chất
lượng sản phẩm được giữ ổn định. Giá thành sản phẩm hạ do giảm được chi phí cho
người lao ®éng. ë nhiỊu doanh nghiƯp n­íc ta, kho¶n chi phÝ về lương bổng cũng
chiếm tỷ lệ khá cao trong giá thành sản phẩm, càng cần phải ứng dụng công nghệ
robot vào dây truyền sản xuất.
Nhất là ở nhiều nơi hiện nay cũng cần ứng dụng công nghệ robot để cải thiện
điều kiện lao động vì thực trong thực tế sản xuất người lao động phải làm việc suốt

Mạc Thị Nguyên

21

Trường ĐH Bách khoa Hà Nội


Luận văn thạc sỹ


Bộ môn công nghệ chế tạo máy

buổi trong môi trường bụi bặm, ẩm ướt, ồn ào... quá mức cho phép nhiều lần. Thậm
chí phải làm việc trong môi trường độc hại, nguy hiểm đến sức khoẻ con người.
Mặt khác, khi áp dụng công nghệ robot vào sản xuất ta cũng cần phải lưu ý
phân tích kỹ toàn bộ hệ thống sản xuất sao cho phù hợp với các nguyên công và phù
hợp với tình hình sản xuất của nhà máy. Cần xét đến đầy đủ các chi phí phụ và hiệu
quả mang lại cho toàn bộ hệ thống. Khi xác định đưa robot vào hệ thống sản xuất thì
cũng cần phải xem xét khả năng liệu robot có thay thế được hay không và có hiệu
quả hơn không. Vì trong thực tế sản xuất cho thấy xu hướng thay thế hoàn toàn bằng
robot nhiều khi không hiệu quả bằng việc giữ lại một số công đoạn mà cần phải có
sự khéo léo của con người.
Kỹ thuật robot có ưu điểm quan trọng nhất là tạo nên khả năng linh hoạt hoá
sản xuất. Mà trong đó kĩ thuật robot công nghiệp và máy vi tính đà đóng vai trò
quan trọng trong việc tạo ra các dây truyền tự động linh hoạt. Vì vậy trong những
năm gần đây không những chỉ là các nhà khoa học mà cả các nhà sản xuất đà tập
chung sự chú ý vào việc hình thành và áp dụng vào các hệ sản xuất linh hoạt.
So với lúc mới ra đời, ngày nay công nghệ robot đà có những bước phát triển
vượt bậc. Đặc biệt là vào những năm 60 của thế kỉ trước, với sự góp mặt của máy
tính. ở giai đoạn đầu người ta rất quan tâm đến việc tạo ra những cơ cấu tay máy
nhiều bậc tự do, được trang bị cảm biến để thực hiện những công việc phức tạp.
Ngày càng có những cải tiến quan trọng trong kết cấu các bộ phận chấp hành, tăng
độ tin cậy của các bộ phận điều khiển, tăng mức thuận tiện và dễ dàng khi lập trình.
Tăng cường khả năng nhận biết và xử lý tín hiệu từ môi trường làm việc để mở rộng
phạm vi ứng dụng cho robot.
Trong tương lai số lượng lao động được thay thế ngày càng nhiều vì một mặt
giá thành robot ngày càng giảm do mặt hàng vi điện tử liên tục giảm đồng thời chất
lượng liên tục tăng. Mặt khác chi phí về lương và các khoản phụ cấp cho người lao
động ngày càng tăng. Robot ngày càng vạn năng hơn để có thể làm được nhiều việc

trên dây truyền.

Mạc Thị Nguyên

22

Trường ĐH Bách khoa Hà Néi


Luận văn thạc sỹ

Bộ môn công nghệ chế tạo máy

Công đoạn lắp ráp thường chiếm tỷ cao so với tổng thời gian sản xuất trên
toàn bộ dây truyền. Công việc lại đòi hỏi phải cẩn thận nhẹ nhàng tinh tế và chính
xác. Nên nếu là công nhân thì cần phải thợ có tay nghề cao và làm việc đơn điệu,
căng thẳng. Robot đà có nhiều trên các công đoạn lắp ráp phức tạp do được thừa
hưởng kĩ thuật cảm biến, kĩ thuật tin học với những ngôn ngữ bậc cao. Robot tự
hành cũng sẽ phát triển mạnh trong tương lai, có thể đi được bằng hai chân để thích
hợp với mọi địa hình ví dụ như có thể tự leo bậc thang... Việc tạo ra các cơ cấu chấp
hành cơ khí vừa bền vững, vừa nhẹ nhàng và linh hoạt như chân người là đối tượng
nghiên cứu chủ yếu.
Kỹ thuật robot cũng từng bước áp dụng các kết quả nghiên cứu về trí khôn
nhân tạo và đưa vào ứng dụng trong công nghiệp. Cải tiến và bổ xung các modul
cảm biến và các modul phần mềm phù hợp có thể cải tiến và thông minh hoá nhiều
loại robot. Điều quan trọng là các cơ cấu chấp hành của robot phải hoạt động chính
xác.
1.4. ứng dụng robot công nghiệp trong tự động hoá
sản xuất ở Việt Nam.
Tại Việt Nam, khái niệm robot con khá mới mẻ đối với nhiều tầng lớp nhân

dân. Kỹ thuật robot bắt đầu du nhập vào nước ta khoảng đầu những năm 1990. Do
những điều kiện khách quan về mặt kinh tế, nên robot chưa được chú trọng trong kế
hoạch phát triển kinh tế nói chung.
Nền công nghiệp robot Việt nam còn rất non trẻ. Tại Việt Nam, chưa xuất
hiện các nhà máy, tổ chức, tập đoàn lớn chế tạo, sản xuất robot có tầm cỡ khu vực
hay trên thế giới. Tuy nhiên cũng đà xuất hiện nhà máy chuyên nghiệp chế tạo lắp
ráp robot như nhà máy Robotech ở khu công nghiệp Nomura Hải Phòng...Tất cả mới
chỉ dừng lại ở mô hình lý thuyết hoặc lắp ráp các linh kiện chế tạo từ nước ngoài.
Những năm đầu tiên thế kỉ XXI, nhiều cơ sơ sản xuất đà nhập ngoại dây
truyền thiết bị sản xuất hiện đại với những hệ thống thông minh, đà cho ra đời các
sản phẩm có chất lượng tốt hơn, có năng suất cao hơn.Trong những dây truyền sản

Mạc Thị Nguyên

23

Trường ĐH Bách khoa Hµ Néi


Luận văn thạc sỹ

Bộ môn công nghệ chế tạo máy

xuất ấy, robot nói chung, các tay máy, người máy thông minh nói riêng đóng góp
một phần không nhỏ cho sự hoạt động của dây truyền sản xuất.
Vì sự phát triển chung của nền kinh tế Việt Nam, đặc biệt là sự phát triển nền
công nghiệp nước nhà, chúng ta phải cải tiến các dây truyền sản xuất, thiết kế chế
tạo ra nhiều robot linh hoạt, viết các phần mềm điều khiển thông minh... Thế giới
cũng đà chứng minh rằng robot sÏ gióp ®ì rÊt nhiỊu cho ng­êi lao ®éng trong tương
lai.

Các lĩnh vực ứng dụng robot công nghiệp của nước ta hiện nay, lĩnh vực đầu
tiên mà robot có thể tham gia vào đó là công nghệ đúc. Trong xưởng đúc công việc
rất đa dạng, điều kiện làm việc nóng lực, bụi bặm... Mẫu mà luôn thay đổi, chất
lượng vật đúc phụ thuộc nhiều vào quá trình thao tác. Với đúc robot có thể làm các
vật liệu như: rót kim loại nóng chảy vào khuôn, lấy vật đúc ra khỏi khuôn, cắt mép
thừa, làm sạch vật đúc... Do đó dùng robot để đảm bảo chế độ làm việc, chuẩn hoá
về thời gian thao tác cũng như về nhiệt độ... làm tăng chất lượng vật đúc.
Trong ngành gia công áp lực điều kiện làm việc cũng khá nặng nề, hoặc trong
các phân xưởng rèn dập, đòi hỏi sớm áp dụng công nghệ robot. Dùng robot sẽ nhanh
hơn, chính xác hơn và cơ động hơn.
Đặc biệt trong quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm nhiều công việc
nặng nhọc, độc hại và ở nhiệt độ rất cao. Khi sử dụng robot hàn với những mối hàn
chạy theo đường cong trong không gian cần phải đảm bảo sao cho điều chỉnh được
phương và khoảng cách của điện cực so với mặt phẳng của mối hàn. Robot có thể
thực hiện tốt công việc nếu biết thông số làm việc nếu biết thông số chuyển động,
các bộ phận cảm biến ...
Trong gia công lắp ráp robot được sử dụng rộng rÃi, thường được sử dụng vào
tháo lắp phôi và sản phẩm cho các máy gia công bánh răng, máy tiện, máy khoan
bán tự động... Yêu cầu hiện nay đối với các loại robot lắp ráp là nâng cao tính linh
hoạt để đáp ứng với nhiều loại công việc, hạ giá thành và dễ thích ứng với loạt sản
xuất nhỏ.

Mạc Thị Nguyên

24

Trường ĐH Bách khoa Hµ Néi


Luận văn thạc sỹ


Bộ môn công nghệ chế tạo máy

1.5. Mô hình toán học hệ thống truyền động:
Các khớp trong Robot được truyền động bởi hệ thống truyền động điện, thuỷ
lực hoặc khí nén. Mỗi hệ thống truyền động có ưu, nhược điểm khác nhau.
Hệ thống truyền động điện sử dụng các động cơ điện một chiều hoặc động cơ
đồng bộ. Sơ đồ cấu trúc động học hệ thống điều khiển cho khớp như ở hình 1. 5.
+ Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu.
+ J Đ : mô men quán tính động cơ.
+ J t : mô men quán tính của khớp.
+ M t : mô men khíp.
+ i: tØ sè trun.
+ η: hiƯu st bé trun.

H×nh 1. 16. Mô hình truyền động
Mô men cản qui đổi về trục động cơ:
Mc =

Trong đó:

Mt
i.

M t : là mô men khíp.
i : tû sè trun.
η : hiƯu st bé truyền.

Mạc Thị Nguyên


25

Trường ĐH Bách khoa Hà Nội