BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
______________***______________ BÁO CÁO TỔNG KẾT
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT
PHỤC VỤ SẢN XUẤT TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN
MÔI TRƯỜNG ĐỘC HẠI VÀ KHÔNG AN TOÀN
PGS. TS. Lê Hoài Quốc
6147
17/11/2006

1.4.2 Tính toán chuỗi truyền động 29
1.5 Nguồn dẫn động 34
1.5.1 Động cơ điện 34
1.5.1.5 Động cơ đồng bộ 35
1.5.1.2 Động cơ không đồng bộ 36
1.5.1.3 Động cơ chuyển động thẳng 36
1.5.2 Nguồn dẫn động điện – dầu ép 37
1.5.3 Cơ cấu truyền động 38
1.5.3.1 Truyền chuyển động thẳng 39
1.5.3.2 Truyền chuyển động quay
40
1.6 Khớp nối 43
1.7 Hệ thống đo 44
1.7.1 Bộ mã hóa quang điện tuyệt đối 44
1.7.2 Bộ mã hóa quang điện loại quay 45
1.7.3 Bộ đo chuyển vò góc dạng cảm ứng điện từ 47
1.8 Hiệu chỉnh chuẩn robot 48
1.8.1 Các bước hiệu chỉnh chuẩn 50
1.8.2 Kỹ thuật và thiết bò đo 52
1.8.3 Nhận dạng các thông số 55
1.8.4 Thực hiện 56
1.8.5 Thử nghiệm 57
Chương 2: CÁC BÀI TOÁN VÀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN & MÔ PHỎNG
CÁC ĐẶC ĐIỂM ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA
CƠ CẤU ROBOT DỰ KIẾN THIẾT KẾ 60
2.1 Mục tiêu nghiên cứu 60
2.2 Bài toán động học và động lực học robot 61
2.2.1 Cơ sở lý thuyết 61
2.2.2 Bài toán động học thuận 62
2.2.3 Bài roán động học ngược 64

Chương 4: CÁC HẠNG MỤC PHẦN MỀM 152
4.1 Giới thiệu chung 152
4.2 Phần mềm 1: Phần mềm hỗ trợ tra cứu robot 152
4.2.1 Giới thiệu 152
4.2.2 Các tính năng của phần mềm tra cứu robot 153
4.2.3 Cách cập nhật dữ liệu cho phần mềm 167
4.2.4 Hướng phát triển trong tương lai của phần mềm 171
4.3 Phần mềm lập trình - điều khiển robot và phần mềm mô phỏng
hoạt động của robot 174
4.3.1 Giới thiệu 174
4.3.2 Môđun điều khiển 175
4.3.3 Môđun mô phỏng - giám sát 177
4.3.4 Lập trình và vận hành robot 179
4.3.5 Mô phỏng và giám sát hoạt động của robot 189
4.3.6 Kết luận 192

Chương 5: Giới thiệu các hạng mục robot đã thực hiện trong đề tài 193
5.1 Robot hàn và robot phục vụ cho các quá trình hóa nhiệt luyện 193
5.1.1 Giới thiệu 193
5.1.2 Những đặc tính cơ bản 194
5.1.3 Kết cấu 196
5.1.4 Truyền động 198
5.1.5 Hệ thống điều khiển 200
5.1.6 Các thiết bò công nghệ 202
5.1.7 Ứng dụng thử nghiệm trong sản xuất 203
5.2 Robot phục vụ trong quốc phòng 204
5.2.1 Chức năng của robot
204
5.2.2 Kết cấu cơ khí 207
5.2.3 Hệ thống điều khiển 207

6.2 Về góc độ phục vụ đào tạo của đề tài 239
6.3 Các sản phẩm cụ thể của đề tài và kết quả ứng dụng thử nghiệm 240
tại cơ sở sản xuất.
6.4 Vài suy nghó tự đánh giá và kiến nghò. 241

Lời cảm ơn 244
Tài liệu tham khảo 245
Phần phụ lục 246
- Bản vẽ lắp của một số hạng mục tiêu biểu
- Ý kiến nhận xét của nơi ứng dụng
- Kết quả kiểm tra, đánh giá của Cơ quan chức năng về một số
đặc điểm và chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của sản phẩm nghiên cứu

Đóa minh họa các hạng mục phần mềm

Tài liệu giới thiệu các hạng mục đã thực hiện của đề tài

Các tập bản vẽ thiết kế của từng hạng mục thiết bò

i

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN

TT Họ và tên Chức danh Cơ quan – đơn vò
1 Lê Hoài Quốc PGS. TS
Chủ nhiệm đề tài
Trường ĐHBK – ĐHQG HCM
2 Lê Văn Ngự TS, chủ nhiệm
ĐT nhánh
Phòng Robot – Viện NC Điện tử, Tin


Theo ước tính chưa đầy đủ trong báo cáo World Robotics 2003 của tổ chức
UNECE thuộc Liên đoàn Robot quốc tế (IRF – International Robot Federation) thì
hiện nay trên toàn thế giới có khoảng 770.000 robot đang được sử dụng trong các
lónh vực sản xuất công nghiệp. Trong số đó, 350.000 (chiếm 45,5%) ở Nhật Bản,
233.000 (chiếm 30,3%) ở EU và khoảng 104.000 (chiếm 13,5%) ở Bắc Mỹ. Ở Châu
u, CHLB Đức dẫn đầu với 105.000 robot, tiếp theo là Italia với 47.000, Pháp
24.000, Tây Ban Nha 18.000 và Anh 14.000.
Trong khoảng thời gian suy thoái kinh tế gần đây nhất (từ năm 1997 đến năm
2002) thò trường Robot giảm trung bình 12% – 16% /năm. Tuy nhiên nhìn chung
mức độ suy giảm trong đầu tư so với các sản phẩm công nghệ cao khác (như máy
công cụ CNC bò suy giảm chỉ còn 1/3) vẫn còn khả quan hơn đáng kể.
Theo điều tra hàng quý của UNECE/ IFR về doanh số đặt hàng robot công
nghiệp của hầu hết các hãng lớn nhất thế giới thì doanh số toàn cầu của năm 2003
tăng 26% so với cùng kỳ năm 2002. Xu thế trong giai đoạn 2003 – 2006 mức tăng
trưởng về doanh số trên sản phẩm robot nói chung (trong đó robot công nghiệp
chiếm hơn 65%) được dự báo như sau: Bắc Mỹ tăng 35%, Châu u tăng 25%, Châu
Á tăng 18%, các khu vực khác tăng 19%.
Những lónh vực công nghiệp sử dụng robot nhiều nhất là công nghiệp Ô tô,
công nghiệp Điện và Điện tử, công nghiệp Chế tạo máy và công nghiệp chế biến
thực phẩm. Những công việc thường được áp dụng robot là hàn, lắp ráp, vận chuyển
sản phẩm và cấp phôi trong các dây chuyền tự động. Tính linh hoạt trong vận hành
khai thác, khả năng hoạt động tinh vi, nhanh và chuẩn xác, khả năng thay thế con
người trong môi trường làm việc độc hại và không an toàn của robot công nghiệp là
những yếu tố quyết đònh của việc áp dụng robot trong các lónh vực công nghiệp nói
trên.
iii
Với nhu cầu rất lớn trong các lónh vực áp dụng chính như trên, sự cạnh tranh
giữa các nhà sản xuất robot trên thế giới đã giúp cho sản phẩm này ngày một hoàn
thiện và giá thành ngày càng hạ hơn.

ngoại vi
Cơ cấu tay máy
Bộ tác động cuối:
bộ phận gắp kẹp,
công cụ gia công
Các phần tử, bộ phận chi tiết
Các bộ phận giao tiếp
Người – Máy
Các khớp,
trục quay
của robot

Cảm biến

Bộ điều khiển
PC based

Mạch lái và điều
khiển công suất
Nghiên cứu cơ bản
Công nghệ Xử lý thông tin Vi điện tử và
điện tử công suất

Thu nhận, xử lý và truyền Lựa chọn và sử dụng hợp tín hiệu từ các cảm biến lý vật liệu cho

- Robot vạn năng cấp phôi cho máy tôi cao tần
- Robot hàn
v
- Robot Crane
- Tay máy phục vụ trong dây chuyền sản xuất đạn, thuốc nổ
- Tay máy lấy sản phẩm phôi PET trên máy ép nhựa
và 3 hạng mục phần mềm là:
- Phần mềm tra cứu về robot
- Phần mềm lập trình và điều khiển robot
- Phần mềm mô phỏng hoạt động của robot
Bên cạnh quá trình nói trên, khi triển khai thực hiện những nhiệm vụ được thể
hiện ở các hạng mục nội dung của đề tài này, việc nghiên cứu xây dựng phương
pháp luận trong thiết kế robot và đưa các sản phẩm nghiên cứu đến những nơi ứng
dụng để thu nhận những kết quả đánh giá từ thực tế sản xuất nhằm hoàn thiện sản
phẩm nghiên cứu được đặc biệt quan tâm.
Nhóm nghiên cứu hy vọng qua việc thực hiện đề tài nghiên cứu này có thể đóng
góp phần nào về phương pháp luận, về các kết quả ứng dụng trong thực tế sản xuất,
cũng như trong việc nghiên cứu, giảng dạy và ứng dụng robot trong nước, nhằm góp
phần xây dựng năng lực nội sinh trong lónh vực nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot
để có thể đáp ứng bước đầu về nhu cầu tự động hóa công nghiệp ở nước ta.
Báo cáo tổng kết này tập trung trình bày các vấn đề có liên quan đến phương
pháp luận – gồm những nội dung liên quan đến những vấn đề về quan điểm nghiên
cứu thiết kế, các vấn đề liên quan đến cơ sở phương pháp tính toán thiết kế, giới
thiệu các phần tử trong hệ thống robot và vấn đề khai thác sử dụng robot trong công
nghiệp thể hiện ở mối liên kệ kết nối điều khiển phối hợp giữa robot với các thiết bò
ngoại vi khác trong hệ thống. Vì vậy, trong báo cáo này không trình bày những vấn
đề hiển nhiên có liên quan đến quá trình thực hiện nhưng là những công việc của kỹ
sư như tính toán thiết kế chi tiết máy, tính bền,…
Theo quan điểm đó, nội dung trình bày trong báo cáo tổng kết được cụ thể hóa ở
các chương sau:


vii
MỤC LỤC
Danh sách những người tham gia thực hiện đề tài i
Giới thiệu tóm tắt đề tài ii
Mục lục vii
Bảng chú giải các chữ viết tắt xiv
Chương I: TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1
1.1 Các giai đoạn thiết kế và tích hợp hệ thống 1
1.2 Nhiệm vụ thiết kế 3
1.2.1 Phân tích chức năng 4
1.2.2 Thiết kế hệ thống robot 7
1.3 Thiết kế động học robot 10
1.3.1 Cấu hình động học 11
1.3.2 Robot hoạt động trong không gian Descartes 14
1.3.3 Robot tọa độ trụ 15
1.3.4 Robot SCARA
15
1.3.5 Robot với liên kết toàn khớp bản lề 16
1.3.6 Robot lắp ghép từ các mô đun chuyển động 16
1.3.7 Robot song song 17
1.4 Điều khiển chuyển động 19
1.4.1 Tổng quát 19
1.4.2 Tính toán chuỗi truyền động 19
1.4.3 Mạch điều khiển servo vò trí 22
1.5 Nguồn dẫn động 25
1.5.1 Động cơ điện 25

Phương pháp tách nhóm 3 khâu 56
ix
Giải BTĐHN bằng phương pháp tách nhóm 3 khâu 59
2.3 Bài toán động lực học 65
2.3.1 Mục đích của việc khảo sát bài toán động lực học 65
2.3.2 Khảo sát bài toán động lực học của Tay máy nhiều bậc tự do 65
2.4 Tính toán điều khiển theo mô men 73
2.4.1
Biến đổi quỹ đạo từ hệ tọa độ Descartes sang không gian khớp 73
2.4.1.1 Nội suy đường đa thức 74
2.4.1.2 Nội suy theo kiểu hàm tuyến tính kết hợp với parabolic. 76
2.4.1.3 Nội suy quỹ đạo theo thời gian nhỏ nhất 79
2.4.2 Tính toán và điều khiển theo mô men 81
2.4.2.1 Đạo hàm của vòng hồi tiếp trong 82
2.4.2.2 Thiết kế PD vòng ngoài 85
2.4.2.3 Thiết kế PID vòng ngoài 92
2.4.3 Các loại điều khiển tương tự tính toán và điều khiển mô men 96
2.4.3.1 Sai số động lực học với luật điều khiển gần đúng 97
2.4.3.2 Điều khiển PD có bù trong lực 98
2.4.3.3 Điều khiển khớp theo cách cổ điển 102
2.4.3.4 Điều khiển PD 104
2.4.3.5 Điều khiển PID 105
2.4.4 Áp dụng Matlab để khảo sát các bài toán cụ thể 108
2.5 Kết quả áp dụng trên một số tay máy trong hạng mục của đề tài 109
2.5.1 Trên robot vạn năng cấp phôi cho máy tôi cao tần 111
x
2.5.2 Trên Robot camera crane 115
2.5.3 Trên robot SCARA
119
2.5.4 Trên tay máy lấy sản phẩm phôi nhựa PET 123

4.3.3 Môđun mô phỏng - giám sát 204
4.3.4 Lập trình và vận hành robot 206
4.3.5 Mô phỏng và giám sát hoạt động của robot 215
4.3.6 Kết luận 218

CHƯƠNG 5: GIỚI THIỆU CÁC HẠNG MỤC ROBOT ĐÃ
THỰC HIỆN TRONG ĐỀ TÀI 219
5.1 Robot hàn và robot phục vụ cho các quá trình hóa nhiệt luyện 219
5.1.1 Giới thiệu 219
5.1.2 Những đặc tính cơ bản 220
5.1.3 Kết cấu 222
5.1.4 Truyền động 224
5.1.5 Hệ thống điều khiển 226
5.1.6 Các thiết bò công nghệ 228
5.1.7 Ứng dụng thử nghiệm trong sản xuất 229
5.2 Robot phục vụ trong quốc phòng 230
5.2.1 Chức năng của robot
230
5.2.2 Kết cấu cơ khí 233
5.2.3 Hệ thống điều khiển 233
5.2.4 Lắp đặt robot trong sản xuất 233
xii
5.3 Robot camera crane – phục vụ cho công việc quay phim
234
5.3.1 Sơ lược quá trình phát triển 234
5.3.2 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động 241
5.3.3 Bài toán ngược vò trí cho các chuyển động bù của RCC 242
để bám mục tiêu đònh trước
5.3.4 Chuyển động bám mục tiêu di động 246
5.3.5 Các chế độ hoạt động 247

- Chương trình MATLAB: Tính toán và điều khiển theo mô men
- Bản vẽ lắp của các hạng mục sản phẩm của đề tài
- Ý kiến nhận xét của nơi ứng dụng
- Kết quả kiểm tra, đánh giá của Cơ quan chức năng về một số
đặc điểm và chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của sản phẩm nghiên cứu.
- Biên bản nghiệm thu kết quả thực hiện của nhánh đề tài
-

Kèm theo phần Phụ lục của báo cáo tổng kết này còn có các tài liệu sau:

1. Đóa CD ROM minh họa các hạng mục phần mềm

2. Tài liệu giới thiệu các hạng mục đã thực hiện của đề tài

3. Các tập bản vẽ thiết kế và dóa CD ROM các bản vẽ chi tiết của từng hạng mục
sản phẩm
xiv


Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm
D/A converters
Digital to analog converters – DAC Bộ chuyển đổi số – tương tự
DC servo motor
Direct Current servo motor Động cơ servo một chiều
DH matrix
Denavitz – Hartenberg matrix Ma trận Denavitz –
Hartenberg sử dụng trong
phương pháp tọa độ thuần nhất
DOF
Degree of Freedom Bậc tự do
EEPROM
Electronic EPROM Bộ nhớ ROM có thể đọc và
ghi bằng tín hiệu điện
ENQ
Enquiry Ký tự yêu cầu truyền thông
từ máy gửi đến máy nhận
FMS
Flexible Manufacturing Systems Các hệ thống sản xuất linh
hoạt
HMI
Human – Machine Interface Giao tiếp giữa người điều
khiển và máy
IRF
International Robot Federation Liên đoàn robot quốc tế
ISO
International Standards Organization Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế
xv
NC
Numerical Control Điều khiển chương trình số


q

Tọa độ suy rộng

q
&

Vận tốc suy rộng

q
&&

Gia tốc suy rộng

ω

Vận tốc góc

ν

Vận tốc dài

τ

Lực và mômen suy rộng


nghiệp thể hiện qua các bảng câu hỏi và trả lời (kiểu Questionaire), tuy nhiên, những
thông tin thu nhận được thông qua tham quan thực tế sản xuất và những ghi nhận được từ
môi trường sản xuất thực tế đủ để minh chứng nhu cầu có thực trong sản xuất, làm chỗ
dựa vững chắc cho việc đònh hướng các hạng mục sản phẩm sẽ thực hiện trong đề tài
nghiên cứu. II. CÁC LĨNH VỰC SẢN XUẤT CĨ NHU CẦU TRANG BỊ ROBOT

2.1 Trong sản xuất vật liệu xây dựng
Hiện nay nước ta có khoảng 500 dây chuyền sản xuất gạch theo cơng nghệ này với
cơng suất trung bình mỗi dây chuyền khoảng 20-30 triệu viên/ năm. Ở đây có cơng đoạn
nghiền than thành bột (để trộn với đất theo tỉ lệ nhất định) và khâu cấp than từ nóc lò cho
lò nung liên tục kiểu tuy nen có mơi trường độc hại do bụi bẩn, khí độc và nhiệt độ cao (Đã
Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật - Đề tài KC-03-02

Chương 1:Khảo sát nhu cầu ứng dụng Robot phục vụ sản xuất trong các điều kiện môi trường
độc hại và không an toàn

2
nghiên cứu úng dụng robot trong dây chuyền sản xuất gạch theo cơng nghệ nung liên tục
bằng lò kiểu tuy nen). Chúng tơi đã chế tạo robot cho dây chuyền nghiền than tại Cơng ty
gốm xây dựng Hạ Long vào năm 2000. Cơng đoạn cấp than cho lò luyện cốc tại nhà máy
Cốc hố thuộc Cơng ty gang thép Thái Ngun là một điển hình về mơi trường độc hại.
Cơng nhân phải thường xun trực tiếp làm việc trong mơi trường có nhiều loại khí thải
độc hại, khói bụi và nhiệt
độ cao, sức khoẻ giảm sút nhanh. Những người làm việc liên tục
ở đây 15 năm là phải nghỉ hưu và ít người sống được 10 năm sau nghỉ hưu. Chúng tơi đã
nghiên cứu thử nghiệm phương án sử dụng robot cho khâu cấp liệu (than) từ phía đỉnh lò
và đề xuất phương án sử dụng robot ở một số khâu khác thuộc cơng ty gang thép Thái

2.3 Trong cơng nghiệp đóng tàu đang được Nhà nước đầu tư phát triển. Các nhà máy
đóng tàu thuộc Tổng Cơng ty Cơng Nghiệp tàu thuỷ Việt Nam đều có các dự án đầu tư
mở rộng để đóng được tàu trọng tải tới 100.000 tấn vào vài năm tới. Việc làm sạch bề
mặt thép trước khi sơn bằng cách phun cát hiện nay khơng chỉ gây bụi bẩn cho người
trực ti
ếp lao động mà làm bụi bẩn cả khu vực sản xuất cùng với khu dân cư xung
quanh. Đây là khâu bức xúc của nhiều nhà máy hiện nay và có thể sử dụng robot để tự
động hố. Hàn và cắt kim loại là cơng nghệ chiếm tỉ trọng lớn trong chế tạo tàu thuỷ và
có ý nghĩa quyết định đến năng suất và chất lượng sản phẩm. Nhu cầu sử dụng robot
hàn, cắt là sản phẩm của
đề tài và đề xuất một số phương án ứng dụng robot trong một
số công đoạn hàn vỏ tàu của tàu thuỷ. Trong giai đoạn trước mắt, ở đề tài này, chúng
tôi sẽ tiến hành nghiên cứu thiết kế robot hàn loại tónh tại nhằm đáp ứng cho nhu cầu
hàn, cắt một số chi tiết của vỏ tàu thủy. Trong giai đoạn sắp tới, sau đề tài này, sẽ
tiếp tục nghiên cứu chế tạo các dạng robot tự hành trên đường ray, có khả năng nhận
dạng vết hàn để hàn các đoạn thân tàu.

2.4 Trong cơng nghiệp quốc phòng - bảo đảm an tồn về cháy nổ trong sản xuất tránh
những tai nạn chết người là điều được đặc biệt quan tâm trong cơng nghiệp quốc phòng.
Chỉ một sai sót nhỏ cũng có thể gây tai hại làm tổn thất lớn về tính mạng và tài s
ản. Các
robot dùng trong an ninh, quốc phòng cũng có nhiều nội dung phong phú cần được
quan tâm. Một hạng mục sản phẩm của đề tài này sẽ được ứng dụng thử nghiệm
trong công đoạn sản xuất quả đạn cối 81 ly tại Xưởng sửa chữa vũ khí thuộc Bộ đội
Biên phòng.