1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
b Hệ số ma sát nhớt
D-H Denavit-Hartenberg
J Mô men quán tính
L Điện cảm cuộn dây
Kd Hệ số vi phân
Ki Hệ số tích phân
Kp Hệ số tỉ lệ
M Mô men
P Trọng lượng
R Điện trở
RC Servo Radio Control Servo
ω Vận tốc góc
ε Gia tốc góc
2
MỤC LỤC
3
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, khoa học kỹ thuật phát triển như vũ bão. Nhiều thành tựu khoa
học kỹ thuật đã và đang được ứng dụng vào thực tiễn và đem lại những lợi ích to
lớn, tạo ra những bước ngoặt cho sự phát triển của xã hội. Từ khi ra đời, Robot
đã phát triển mạnh mẽ và đã góp phần đáng kể làm thay đổi bộ mặt của nền sản
xuất – xã hội.
Trong ứng dụng công nghiệp, từ những tay máy điều khiển từ xa cho
ngành hoá phóng xạ ban đầu, ngày nay robot đã được sử dụng rộng khắp trong
các lĩnh vực gia công, lắp ráp của nhiều ngành sản xuất như năng lượng, ô tô,
máy bay, sản phẩm điện - điện tử…
Trong nền sản xuất hiện đại, chúng ta không thể phủ nhận vai trò quan
trọng của các robot công nghiệp trong các hệ thống sản xuất tự động . Robot
công nghiệp giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, giải phóng con

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy trong bộ môn Robot đặc biệt và Cơ
điện tử đặc biệt là hai thầy hướng dẫn là thầy TS. Hoàng Quang Chính và thầy
KS. Hoàng Văn Tiến đã tâm huyết hướng dẫn tôi hoàn thành đồ án của mình.
Học viên thực hiện đồ án
Đỗ Thành Nam
5
PHẦN I MỞ ĐẦU
I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Hiện nay, có nhiều loại robot được sử dụng trong sản xuất với nhiều bậc
tự do, trong đó có robot ba bậc tự do kiểu RRR. Việc trang bị kiến thức về robot
nói chung và Robot kiểu RRR nói riêng cho sinh viên kỹ thuật đặc biệt là sinh
viên chuyên ngành cơ điện tử là rất cần thiết. Sinh viên cần phải được học tập,
làm việc cùng với robot thật như trong sản xuất thực tế để nắm bắt vấn đề và đi
vào vận dụng nhanh chóng có hiệu quả hơn.
Các mô hình robot tay máy phục vụ giáo dục đào tạo đã được nhiều
trường đại học trong và ngoài nước thực hiện khá nhiều. Tại Học viện Kỹ thuật
Quân sự, đã được trang bị một số robot tay máy trong phòng thí nghiệm CIM,
tuy nhiên số thiết bị này còn khá ít và đắt tiền chưa thể đáp ứng hết được yêu
cầu và nội dung đào tạo vì tỉ lệ robot phục vụ dạy học so với tỉ lệ sinh viên, học
viên còn khá thấp.
II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Robot công nghiệp đã trở thành một môn học quan trọng trong chương
trình đào tạo của các trường đại học trên thế giới, xuất hiện ngày càng nhiều
công ty chuyên nghiên cứu sản xuất ra những robot dùng trong nền sản xuất
công nghiệp, trong y học và trong các lĩnh vực khác của cuộc sống như:
GENERAL MOTORS, HITACHI, MITSUBISHI, IBM,MOTOMAN, EPSON,
PANASONIC, SONY, …
Đặc biệt hơn hết là các robot được dùng trong giáo dục, chúng phải gần
với thực tế sản xuất nhưng cũng phải mang nhiều tính khoa học sư phạm như:
trực quan, dễ sử dụng, linh hoạt và phải được kết nối đa điều khiển để có thể đáp

cứu chủ yếu được sử dụng trong đề tài là:
7
Tham khảo tài liệu: Robot liên quan đến rất nhiều lĩnh vực như: cơ khí,
điện – điện tử, đồ học máy tính, lập trình giao tiếp, … Vì vậy cần phải tham
khảo nhiều loại tài liệu để có một nền tảng kiến thức hoàn chỉnh, có cái nhìn
tổng quan chính xác về toàn bộ vấn đề chế tạo, điều khiển robot tay máy.
Truy cập mạng Internet: Internet là một nguồn tài liệu phong phú và
hữu ích cho con người. Nó chứa đựng những nguồn thông tin mới nhất, những
tiến bộ nhất của khoa học kỹ thuật.
Tự nghiên cứu: Sau khi đã tham khảo giảng viên hướng dẫn, tham khảo
tài liệu và tìm thông tin trên Internet, tôi phải tự nghiên cứu để đưa ra và chọn
phương pháp thiết kế, chế tạo và điều khiển cho robot tay máy.
Phương pháp thử sai: Một trong những phương pháp để nghiên cứu cho
kết quả đúng đắn hơn là phải trải nghiệm thực tế kiểm tra độ chính xác và đưa ra
thông số điều khiển chính xác nhất.
Hệ thống điều khiển: Là bộ phận đảm bảo sự hoạt động của robot theo
các thông tin đặt trước.
Giao diện điều khiển trên máy tính: Robot được điều khiển theo
chương trình dựa trên phần mềm được lập trình và thực thi trên máy tính. Phần
mềm lập trình bằng các ngôn ngữ cấp cao như: Basic, C, C++, Delphi, ….Trong
đề tài này, phần mềm điều khiển được lập trình bằng ngôn ngữ C trên nền phiên
bản Visual Basic và điều khiển thông qua cổng RS232 của máy tính.
Phương pháp điều khiển: Điều khiển dạng vòng hở, đây là dạng điều
khiển mà tín hiệu chỉ đi theo một hướng từ bộ điều khiển đến động cơ. Không
có tín hiệu từ động cơ hoặc tải để cho bộ điều khiển biết rằng hành động hay
chuyển động đã xảy ra. Vì vậy cần yêu cầu đảm bảo chính xác cả về cơ khí và
kỹ thuật điều khiển.
8
PHẦN II NỘI DUNG
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ROBOT TAY MÁY

thiết kế Robot lập trình với điều khiển chương trình số đầu tiên nhờ một thiết bị
do ông phát minh được gọi là thiết bị chuyển khớp được lập trình. Joseph
Engelberger, người mà ngày nay thường được gọi là cha đẻ của Robot công
nghiệp, đã thành lập hãng Unimation sau khi mua bản quyền thiết bị của Devol
và sau đó đã phát triển những thế hệ Robot điều khiển theo chương trình. Năm
1962, Robot Unmation đầu tiên được đưa vào sử dụng tại hãng General Motors;
và năm 1976 cánh tay Robot đầu tiên trong không gian đã được sử dụng trên tàu
thám hiểm Viking của cơ quan Không Gian NASA của Hoa Kỳ để lấy mẫu đất
trên sao Hoả (hình 1.1).
Hình 1.1 Tay Robot trên tàu thám hiểm Viking 1
Năm 1968 R.S. Mosher, thuộc hãng General Electric, sau nhiều năm
nghiên cứu phát triển đã chế tạo một thiết bị biết đi và cho ra mắt sản phẩm
robot bốn chân, có chiều dài hơn 3m, nặng 1.400kg, sử dụng động cơ đốt trong
có công suất gắn 100 mã lực (hình 1.2).
10
Hình 1.2 Robot 4 chân của hãng RS Mosher và hãng General Electric
Cũng trong lĩnh vực này, một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã
đạt được vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng
Lunokohod 1 được điều khiển từ trái đất (hình 1.3).
Hình 1.3 Xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunokohod 1
Viện nghiên cứu thuộc Trường Đại học Stanford vào năm 1969 đã thiết kế
Robot Shakey di động tinh vi hơn để thực hiện những thí nghiệm về điều khiển
sử dụng hệ thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tượng (hình 1.4). Robot
11
này được lập trình trước để nhận dạng đối tượng bằng camera, xác định đường
đi đến đối tượng và thực hiện một số tác động trên đối tượng.
Hình 1.4 Robot Shakey-Robot đầu tiên nhận dạng đối tượng bằng camera
Trong hoạt động sản xuất, đa số những Robot công nghiệp có hình
dạng của “cánh tay cơ khí”, cũng chính vì vậy mà đôi khi ta gặp thuật ngữ
người máy, tay máy trong những tài liệu tham khảo và giáo trình về Robot.

Robot là một đối tượng máy móc có thể lập trình điều khiển, có chức
năng nhiệm vụ, có thể tái lập trình, có thể được điều khiển tự động hoặc điều
khiển bằng tay,
Định nghĩa robot còn được Mikell P.Groover, một nhà nghiên cứu hàng
đầu trong lĩnh vực robot, mở rộng hơn như sau: “Robot công nghiệp là những
máy, thiết bị tổng hợp hoạt động theo chương trình có những đặc điểm nhất
13
định tương tự như ở con người”.
Định nghĩa của M.P.Groover về robot không dừng lại ở tay máy mà mở
rộng ra cho nhiều đối tượng khác có những đặc tính tương tự như con người
như là suy nghĩ, có khả năng đưa ra quy định và có thể nhìn thấy hoặc cảm nhận
được đặc điểm của vật hay đối tượng mà nó phải thao tác hoặc xử lý. Theo
Artobolevski I.I., Vorobiov M.V. và các nhà nghiên cứu thuộc trường phái khối
SEV trước đây thì phát biểu rằng:
“Robot công nghiệp là những máy hoạt động tự động được điều khiển
theo chương trình để thực hiện việc thay đổi vị trí của những đối tượng thao tác
khác nhau với mục đích tự động hoá các quá trình sản xuất”.
Kết cấu cơ bản của
r
obot:
Hình 1.6 Kết cấu Robot
1.3. Phân loại robot tay máy
Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản
nhất của robot để giúp cho việc nhận xét đánh giá được dễ dàng đối với từng
loại robot từ đó ứng dụng cho phù hợp với từng mục đích và nhiệm vụ của mỗi
loại công việc. Có nhiều phương pháp để phân loại robot tay máy, tùy theo kết
14
cấu, ứng dụng của mỗi loại robot, tuy nhiên thông thường thì có 4 yếu tố chính
để phân loại robot như sau: theo dạng hình học của không gian hoạt động, theo
thế hệ robot, theo bộ điều khiển, theo nguồn dẫn động.

16
(5) Tay máy kiểu tay
ng
ư
ờ
i:
Ba khớp đều là các khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với 2
trục kia. Với kết cấu này, không có sự tương ứng giữa khả năng chuyển động
của các khâu và số bậc tự do. Tay máy làm việc rất khéo léo, nhưng độ chính
xác định vị phụ thuộc vị trí của phần công tác trong vùng làm việc. Vùng làm
việc của tay máy kiểu này gần giống một phần khối cầu.
Hình 1.11 Robot tay máy kiểu tay người
1.3.2. Phân loại theo hệ điều khiển
Có hai 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 (hay 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).
+ Điều khiển điểm - điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm nμy 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,
17
+ 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.
1.3.3. Phân loại theo ứng dụng
- Robot trong công nghiệp;

cần hàn, sau đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước.
Hình 1.12 Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi
Hàn đường thường được thực hiện bằng tay. Tuy nhiên năng suất thấp do
yêu cầu chất lượng bề mặt mối hàng liên quan đến các thao tác của đầu mỏ hàn
với môi trường khắc nghiệt do khói và nhiệt độ phát ra trong quá trình hàn.
Không giống kỹ thuật hàn điểm, ở đó mối hàn có vị trí cố định, mối hàn
trong kỹ thuật hàn đường nằm dọc theo mối ghép giữa hai tấm kim loại. Những
19
hệ thống hàn đường thực tế (hình 1.13) phụ thuộc vào con người trong việc kẹp
chặt chính xác chi tiết được hàn, và sau đó Robot di chuyển dọc theo quĩ đạo
được lập trình trước.
Hình 1.13 Hệ thống Robot hàn đường của hãng FANUC
Ưu điểm duy nhất so với hàn bằng tay là chất lượng mối hàn được ổn
định. Người vận hành chỉ còn thực hiện một việc tẻ nhạt là kẹp chặt các chi tiết.
Có thể thực hiện tăng năng suất bằng cách trang bị hàn định vị quay nhờ đó
người vận hành có thể kẹp chặt một chi tiết trong khi thực hiện việc hàn chi tiết
khác. Tuy nhiên, luôn có vấn đề khó khăn trong việc lắp khít chi tiết do dung sai
trong chế tạo, chi tiết bị cong vênh, và các thiết kế cần lắp ghép theo đường cong
không đồng dạng. Các vấn đề đó làm cho việc kẹp chặt chi tiết khó khăn, đặc
biệt là đối với các chi tiết lớn và lắp tấm kim loại mỏng. Hơn nữa, đường hàn có
thể không xử lý được với mỏ hàn vì nó bị che khuất bởi chi tiết khác. Thợ hàn
tay phải xử lý khó khăn nhiều loại mối nối và vị trí các chi tiết khác nhau. Gần
đây các nghiên cứu tập trung vào phương pháp dò vết đường hàn với mục đích
giảm bớt yêu cầu định vị chính xác, và do đó giảm chi phí hàn trong khi chất
lượng mối hàn lại tăng.
Cảm biến trang bị trên các Robot hàn đường phải có khả năng xác định vị
trí đúng của đường hàn. Như vậy, để mối hàn được đặt chính xác, đúng yêu cầu
về hình dáng và kích thước thì Robot phải giữ điện cực theo hướng đúng của
20
đường hàn với khoảng cách đúng từ đường hàn đến đầu mỏ hàn và di chuyển với

người trừ chương trình điều khiển trong máy tính điện tử. Các Robot làm tất cả
các công việc như vận chuyển sản phẩm từ công đoạn sản xuất này tới công đoạn
sản xuất khác kể cả việc đưa và sắp xếp thành phẩm vào kho. Các nhà máy lớn
thì thường sản xuất một số mặt hàng nhất định trên các dây chuyền hiện đại. Các
nhà máy cỡ vừa và nhỏ, như nhà máy sản xuất phụ tùng xe đạp chẳng hạn, thì
thường sản xuất sản phẩm đa dạng với số lượng không lớn. Bằng cách trang bị
nhiều thiết bị đa dạng cho tay gắp của Robot cho phép Robot có khả năng điều
chỉnh nhanh chóng thiết bị công nghệ đáp ứng linh hoạt với nhiều dạng công việc
khác nhau.
22
Hình 1.16 Robot được sử dụng trên máy ép nhựa để lấy thành phẩm
1.5. Xu hướng phát triển của robot công nghiệp
Tối ưu cấu trúc cơ khí, chú ý tới việc sử dụng vật liệu nhẹ, độ bền cao; lựa
chọn bộ truyền có tỷ số truyền và hiệu suất lớn, tuổi thọ, độ chính xác cao để
tăng độ chính xác điều khiển, tăng ổn định và tuổi thọ của Robot.
Các bài toán cơ học: động học, động lực – điều khiển, cân bằng, dư dẫn
động, rung, tránh va chạm, cho các cấu trúc Robot công nghiệp truyền thống và
đặc biệt cho các cấu trúc động học song song, cấu trúc tích hợp trên Robot di
động. Các bài toán có kể đến yếu tố đàn hồi (chuyển vị, dao động) và khe hở
(giữa các mối ghép, tương tác, ) là các vấn đề cũng đang được đề cập rộng
khắp, nhằm nâng cao chất lượng điều khiển theo yêu cầu, tránh cộng hưởng,
nâng cao tuổi thọ, độ bền cơ cấu,
Các cơ cấu dẫn động và cảm biến tín hiệu: Đáp ứng yêu cầu về kết cấu và
điều khiển Robot, các cơ cấu dẫn động được nghiên cứu ứng dụng theo hướng
tiết kiệm năng lượng, bền lâu, đủ công suất, gọn nhẹ. Các sensor được nghiên
cứu phát triển sao cho đáp ứng được các yêu cầu về độ chính xác cảm nhận tín
hiệu, tốc độ lấy mẫu, chống nhiễu,
Điều khiển thông minh: Cùng với sự phát triển và thành tựu của các lĩnh
vực Trí tuệ nhân tạo, Thị giác máy và xử lý ảnh, xử lý âm thanh, tiếng nói, lĩnh
vực điều khiển thông minh trong kỹ thuật Robot đang trên đà phát triển vô cùng

- Hoạt động theo các chế độ:
+ Tự động theo quỹ đạo cố định lập trình sẵn;
+ Chế độ điều khiển bằng tay.
2.1.2. Yêu cầu về kết cấu
- Trọng lượng nhỏ;
- Kích thước nhỏ gọn đặt được trên bàn học để có thể minh họa thí
nghiệm;
- Kết cấu vững chắc, gọn, có tính thẩm mỹ;
- Dễ dàng vận hành điều khiển, giao tiếp người – máy thân thiện;
- Giá thành rẻ.
2.1.3. Yêu cầu về các thông số kỹ thuật
- Ba bậc tự do, kiểu RRR;
25
- Không gian công tác như hình 2.1 với giới hạn các góc quay như sau:
; ; ;
Sai số cho phép của khâu công tác: 1mm
Hình 2.1 Không gian công tác của robot
Vận tốc góc và gia tốc góc tối đa ở các khớp:
Khớp 1: ; ;
Khớp 2: ; ;
Khớp 3: ; ;
Kích thước các khâu:
+ Khâu 1 < 200 mm;
+ Khâu 2 < 150 mm;
+ Khâu 3 < 100 mm.
- Khối lượng robot không quá 5 kg có trọng tâm thấp để đảm bảo robot
không bị lật trong quá trình hoạt động.
2.2. Thiết kế sơ đồ cấu trúc
Trong thiết kế robot, các giải pháp thiết kế đều được phát triển dựa trên
các đặc tả về chức năng – yêu cầu cơ bản đặt ra. Xây dựng các giải pháp thiết kế