Báo cáo Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng robot công nghiệp 3 bậc tự do

 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNTT VÀ TRUYỀN THÔNG
 KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HÓA
 BÁO CÁO THỰC TẬP CHUYÊN NGÀNH
Đề tài : Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng robot công nghiệp 
 3 bậc tự do 
 Giáo viên hướng dẫn : T.S Nguyễn Vôn Dim
 Họ và tên SV : Lại Đức Toàn
 Lớp : ĐHLT- KTĐ- ĐT- K16D
 Thái Nguyên 3/ 2019 LỜI NÓI ĐẦU
 Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất 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 chuyền và thiết bị tự động có tính 
linh hoạt cao đã hình thành và phát triển mạnh mẽ Vì thế ngày càng tăng 
nhanh nhu cầu ứng dụng người máy, các cánh tay máy tự động (Robot) để tạo 
ra các hệ sản xuất tự động linh hoạt.
Robot ứng dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng sản xuất cũng như trong 
đời sống. Robot là cơ cấu đa chức năng có khả năng lập trình được dùng để di 
chuyển nguyên vật liệu, các chi tiết, các dụng cụ thông qua các truyền động 
được lập trình trước. Khoa học robot chủ yếu dựa vào các phép toán về đại số 
ma trận.
Robot có cánh tay với nhiều bậc tự do và có thể thực hiện được các chuyển 
động như tay người và điều khiển được bằng máy tính hoặc có thể điều khiển 
bằng chương trình được nạp sẵn trong chip trên bo mạch điều khiển robot. 
Chính vì vậy em chọn đề tài : “Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng robot công 
nghiệp 3 bậc tự do”.
Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong 
khoa Công nghệ TĐH, cùng các bạn trong lớp KTĐ – ĐT K16D, đặc biệt là 
thầy giáo Tiến sĩ Nguyễn Vôn Dim giảng viên trường Đại học Công nghệ 
thông tin và Truyền thông, người đã trực tiếp giảng dạy và cho em kiến thức 
để hoàn thành đồ án này. 
Trong quá trình làm đề tài mặc dù em đã nhiều cố gắng nhưng vẫn không 
tránh khỏi sai xót. Rất mong các thầy thông cảm và giúp đỡ em nhiều hơn. 
Em xin chân thành cảm ơn ! LỜI NÓI ĐẦU
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG .................................................1
1.1. Sự ra đời của robot công nghiệp.................................................................1
1.2. Các định nghĩa về robot công nghiệp.........................................................2
1.3. Tay máy robot ............................................................................................3
 1.3.1. Kết cấu của tay máy .............................................................................4
 1.3.2 Bậc tự do của robot ...............................................................................5
 1.3.3. Vùng làm việc của robot ......................................................................6
1.4. Ưu điểm của robot công nghiệp .................................................................7
1.5. Tình hình tiếp cận robot ở Việt Nam và ứng dụng của robot công nghiệp7
 1.5.1. Tình hình tiếp cận robot ở Việt Nam ...................................................7
 1.5.2. Ứng dụng của robot công nghiệp.........................................................8
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC THUẬN VÀ 
NGƯỢC CHO ROBOT 3 BẬC TỰ DO.........................................................10
2.1. Sơ đồ động học của robot.........................................................................10
2.2. Thiết lập hệ tọa độ khảo sát và lập bảng D-H ..........................................11
2.3. Hệ phương trình động học Robot.............................................................13
2.4. Phương trình động học thuận Robot ........................................................14
2.5. Phương trình động học ngược Robot .......................................................17
CHƯƠNG 3: THẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT 3 BẬC TỰ DO .......................19 3.1. Giới thiệu các phần mềm mô phỏng ........................................................19
 3.1.1. Thiết kế cơ cấu robot trên SolidWorks. .............................................19
 3.1.2. Thiết kế mô hình robot trên MATLAB/ Simulink.............................19
3.2. Điều khiển chuyển động robot .................................................................21
 3.2.1. Điều khiển góc quay khớp với bộ điều khiển phản hồi PD ...............21
 3.2.2. Điều khiển robot theo quỹ đạo thẳng .................................................24
 3.2.3. Điều khiển robot theo quỹ đạo tròn....................................................27
 3.2.4. Kết hợp điều khiển robot theo quỹ đạo tròn và bộ điều khiển phản hồi 
 PD.................................................................................................................28
KẾT LUẬN.....................................................................................................31
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................32
PHỤ LỤC .. .. 33 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
1.1. Sự ra đời của robot công nghiệp
 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 chuyền về thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang hình thành. 
Các thiết bị 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 nhanh nhu 
cầu ứng dụng robot để tạo ra các hệ thống sản xuất linh hoạt. Thuật ngữ 
“robot” lần đầu tiên xuất hiện vào khoảng năm 1921 trong tác phẩm 
“Rossum’s Universal Robot” của nhà viễn tưởng người Sec Karel Capek. 
Trong vở kịch này, ông dùng từ “robot”, biến thể của từ gốc Slavơ “Robota”, 
để gọi một thiết bị do con người tạo ta. Vào những năm 40 nhà văn viễn 
tưởng người Nga, Issac Asimov, mô tả robot là một chiếc máy tự động, mang 
diện mạo của con người. Asimov cũng đặt tên cho ngành nghiên cứu về robot 
là Robotics, trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản:
- Robot không gây tổn hại cho con người.
- Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra. Các quy 
tắc này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất.
- Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhưng không được vi phạm 2 
nguyên tắc trước. Và cũng trong những năm này, ước mơ viễn tưởng của 
Kerel Capek đã bắt đầu thành hiện thực. Ngay sau chiến tranh thế giới thứ 2, 
ở Hoa Kì đã xuất hiện những tay máy chép hình điều khiển từ xa trong các 
phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ.
Vào 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 
 1 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 theo chương 
trình”. Đến năm 1956 Devol cùng với một kĩ sư trẻ của công nghiệp hàng 
không Joseph F.Engelber, đã tạo ra loại robot đầu tiên năm 1959 ở công ty 
Unimation. Chỉ đến năm 1975 công ty Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ 
các 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 Hoa Kỳ. 
Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp 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 công ty Hitachi 
và công ty Mitsubishi đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot.
1.2. Các định nghĩa về robot công nghiệp
Các nhà khoa học đã đưa ra rất nhiều định nghĩa về robot:
- Theo viện kỹ thuật robot của Hoa Kỳ: “Robot là loại tay máy nhiều chức 
năng, với chương trình làm việc thay đổi được, dùng để thực hiện một số thao 
tác sản xuất.”
- Theo ISO (International Standards Organization): “Robot công nghiệp là 
một tay máy đa mục tiêu, có một số bậc tự do dễ dàng lập trình, điều khiển, 
dùng để tháo lắp phôi, dụng cụ hoặc các vật dụng khác. Do chương trình thao 
tác có thể thay đổi nên thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng.”
- 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: 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.”
 2 - 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 cácthiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có 
thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau.”
- Theo ΓOCT 25686-85 (Nga): “Robot công nghiệp là một tay 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.”
- Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD: “ Robot là một thiết bị có nhiều trục, thực 
hiện các chuyển động có thể chương trình hóa và nối ghép các chuyển động 
của chúng trong những khoảng cách tuyến tính hay tuyến tính của động trình. 
Chúng được điều khiển bởi các bộ phận hợp nhất ghép kết nối với nhau, có 
khả năng học và nhớ các chương trình; chúng được trang bị dụng cụ hoặc các 
phương tiện công nghệ khác để thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp và 
gián tiếp.”
- Theo tiêu chuẩn GHOST 1980: “Robot là máy tự động liên kết giữa một tay 
máy và một cụm điều khiển chương trình hóa, thực hiện một chu trình công 
nghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay thế chức năng tương tự 
của con người.” Bản chất của các định nghĩa khác nhau trên đây giúp ta thấy 
được một ý nghĩa quan trọng là: Riêng một mình robot thì không thể hoàn 
thành tốt được công việc. Nó phải được liên hệ chặt chẽ với máy móc, công 
cụ và các thiết bị công nghệ tự động khác trong một hệ thống tự động tổng 
hợp. Do đó trong quá trình phân tích và thiết kế, không thể quan niệm robot 
như một đơn vị cấu trúc biệt lập, trái lại đó phải là những thiết kế tổng thể của 
“hệ thống tự động linh hoạt robot hóa” cho phép thích ứng nhanh và đơn giản 
khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi.
1.3. Tay máy robot
 3 1.3.1. Kết cấu của tay máy
Tay máy là phần cơ sở nó quyết định đến khả năng làm việc của robot. Đó là 
thiết bị cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian để 
thực hiện các nhiệm vụ như nâng hạ, vận chuyển, lắp ráp.. Tay máy robot 
thông thường là cơ cấu hở gồm một chuỗi các khâu liên kết với nhau bằng các 
khớp, khâu đầu tiên được nối với giá cố định. Khớp tạo sự linh hoạt giữa các 
khâu với nhau nói riêng và toàn bộ toàn bộ tay máy robot công nghiệp nói 
chung. Thông qua khớp nối, các khâu trong cơ cấu tay máy được chuyển 
động tương đối với nhau. Tùy theo yêu cầu về kết cấu của robot mà ta lựa 
chọn loại khớp liên kết giữa các khâu khác nhau. Trong robot công nghiệp 
hiện nay, người ta thường dùng chủ yếu hai loại khớp là khớp quay và khớp 
trượt.
Khớp quay: (thường được kí hiệu là R) loại khớp này cho phép chuyển động 
quay của khâu này và khâu khác quanh một trục quay. Loại khớp này hạn chế 
năm khả năng chuyển động giữa hai thành phần khớp do đó có một bậc tự do.
 Hình 1.1. Khớp quay
Khớp trượt: (thường được kí hiệu là T) loại khớp này cho phép hai khâu trượt 
tương đối với nhau theo phương của một trục nào đó và hạn chế năm khả 
năng chuyển động do đó khớp có một bậc tự do.
 4 Hình 1. 2. Khớp trượt
Ngoài ra trong một số trường hợp người ta còn dùng khớp cầu để tăng tính 
linh hoạt cho robot. Với loại khớp này cho phép các khâu thực hiện các 
chuyển động quay theo tất cả các hướng qua tâm khớp, và hạn chế chuyển 
động tịnh tiến giữa các khâu. Do đó khớp cầu có số bậc tự do là ba.
Trong quá trình thiết kế tay máy robot, người ta quan tâm đến các thông số 
ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của robot như:
- Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay 
- Tầm với hay vùng làm việc: kích thước và hình dáng vùng mà phần công tác 
có thể với tới.
- Sự khéo léo của robot: thông số này liên quan đến bậc tự do của robot
1.3.2. Bậc tự do của robot
Bậc tự do là số khả năng chuyển động tịnh tiến hoặc quay của cơ cấu. Để dịch 
chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải 
đạt được một số bậc tự do. Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở nên số 
bậc tự do của nó có thể tính theo công thức:
 w = 6n − ∑ ipi
 i =1
 5 Trong đó:
n: Số khâu động
pi : Số khớp loại i (i=1,2, ,5: Số bậc tự do bị hạn chế)
Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh 
tiến (khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động. Đối với cơ cấu 
hở, số bậc tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động.
Số bậc tự do của robot quyết định đến tính linh hoạt của robot trong quá trình 
làm việc. Số bậc tự do càng lớn robot càng linh hoạt, càng nhiều phương án 
để điểm thao tác thực hiện được yêu cầu công việc, điều này rất có ý nghĩa 
trong trường hợp robot làm việc trong môi trường có nhiều chướng ngại vật. 
Tuy nhiên số bậc tự do chuyển động này không nên lớn hơn sáu, bởi vì nếu 
sáu bậc tự do nếu bố trí một cách hợp lý sẽ đủ để tạo ra khả năng linh hoạt 
của khâu tác động cuối nhằm có thể tiếp cận đối tượng theo mọi hướng. Mặt 
khác cũng phải thừa nhận rằng số bậc tự do lớn kéo theo hệ quả là: tăng sai số 
dịch chuyển, tăng chi phí, thời gian sản xuất và bảo dưỡng robot. Do đó tùy 
theo yêu cầu, chức năng mà người ta lựa chọn số bậc tự do cho robot thích 
hợp.
1.3.3. Vùng làm việc của robot
Vùng làm việc của robot hay không gian làm việc của robot là toàn bộ thể tích 
được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động 
có thể.
Vùng làm việc bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các 
ràng buộc cơ học của các khớp. Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả 
vùng làm việc của một robot.
 6