Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là: Trần Trọng Dương học viên cao học lớp 13BCĐT.KT khóa 2013B
Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình Robot ba bậc tự do tọa độ cầu
điều khiển bằng máy tính phục vụ đào tạo.
Giáo viên hướng dẫn: TS. Trần Thị Thanh Hải
Tôi xin cam đoan các nghiên cứu, thiết kế và chế tạo trong luận văn này là do
chính tác giả thực hiện.
Hà Nội, tháng 9 năm 2015
Tác giả luận văn

Trần Trọng Dƣơng


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan ............................................................................................................. 1
Danh mục bảng biểu ................................................................................................. 4
Danh mục hình .......................................................................................................... 5
Phần mở đầu .............................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP ................................. 3
1.1. Lịch sử phát triển của Robot công nghiệp ................................................... 3
1.1.1. Quá trình hình thành của Robot công nghiệp ............................................. 3
1.1.2. Quá trình phát triển của robot công nghiệp ................................................ 3
1.2. Định nghĩa và phân loại Robot công nghiệp ................................................ 6
1.2.1. Định nghĩa về Robot công nghiệp .............................................................. 6
1.2.2. Phân loại Robot công nghiệp ...................................................................... 7

3.2.6. Tính chọn bộ truyền động đai răng robot RRR ........................................ 49
3.2.7. Chế tạo hệ thống cơ khí ............................................................................ 52
3.3. Thiết kế, thi công mạch điều khiển ............................................................. 56
3.3.1. Nguyên lý điều khiển động cơ .................................................................. 56
3.3.2. Thiết kế mạch điều khiển ......................................................................... 61
3.4. Kết quả chế tạo mô hình Robot ba bậc tự do ............................................ 64
3.5. Kết luận ......................................................................................................... 66
CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG BÀI THỰC HÀNH CHO SINH VIÊN CAO ĐẲNG
NGHỀ ....................................................................................................................... 67
4.1. Bài thực hành 1: Dạy học cho Robot 3 bậc tự do ...................................... 67
4.2. Bài thực hành 2: Điều khiển Robot 3 bậc tự do theo phƣơng trình động
học thuận .............................................................................................................. 75
4.3. Bài thực hành 3: Điều khiển Robot 3 bậc tự do theo phƣơng trình động
học ngƣợc.............................................................................................................. 76
4.4. Kết luận ......................................................................................................... 77
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 79
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 80


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Bảng thông số Denavit – Hartenberg .....................................................20
Bảng 2.2. Bảng thông số D-H cho Robot 3 bậc tự do ............................................22
Bảng 2.3. Bảng thông số động học DH ..................................................................33
Bảng 3.1. Các ký hiệu L, H, XL và bước đai tương ứng .......................................49
Bảng 3.2. Các chi tiết điển hình trên robot .............................................................56
Bảng 3.3. Bảng chân trị của mạch logic cho driver L298D ...................................61


Hình 2.11.
Hình 3.1.
Hình 3.2.
Hình 3.3.
Hình 3.4.
Hình 3.5.
Hình 3.6.
Hình 3.7.

Robot tạp dịch nổi loạn trong vở kịch của Karel Capek - 1920 ..............3
Tay máy robot tọa độ Đề Các..................................................................7
Tay máy robot tọa độ trụ .........................................................................8
Tay máy robot tọa độ cầu ........................................................................8
Tay máy robot dạng phỏng sinh ..............................................................9
Tay máy robot dạng SCARA ..................................................................9
Sơ đồ điều khiển robot theo mạch hở ....................................................10
Sơ đồ điều khiển robot theo vòng kín ...................................................10
Robot trong ngành luyện kim ...............................................................11
Robot hàn ..............................................................................................13
Robot sơn ..............................................................................................13
Robot lắp ráp .........................................................................................14
Sản lượng robot công nghiệp trên thế giới ............................................15
Biểu đồ thị trường robot công nghiệp Châu Á/Úc, Chấu Âu và Châu Mỹ .15
Biểu đồ sử dụng robot tại các nước .......................................................16
Biểu đồ robot phục vụ trong các ngành công nghiệp ............................17
Sơ đồ động Robot ..................................................................................18
Cấu tạo Robot được thiết kế trên Solidworks .......................................18
Thân dưới ..............................................................................................19
Khâu thứ 2 .............................................................................................19
Khâu thứ 3 .............................................................................................19

Hình 3.22.
Hình 3.23.
Hình 3.24.
Hình 3.25.
Hình 3.26.
Hình 3.27.
Hình 3.28.
Hình 3.29.
Hình 3.30.
Hình 3.31.
Hình 3.32.
Hình 3.33.
Hình 3.34.
Hình 3.35.
Hình 3.36.
Hình 3.37.
Hình 3.38.
Hình 3.39.
Hình 3.40.
Hình 3.41.
Hình 3.42.

Giao diện tính momen động cơ .............................................................40
Giao diện điều khiển chính....................................................................41
Bảng điều khiển .....................................................................................41
Bảng Teaching Mode ............................................................................42
Thông báo chương trình chạy của robot ...............................................42
Trục tại khớp 3 ......................................................................................43
Biểu đồ momen trục 1 ...........................................................................44
Biểu đồ momen trục 2 ...........................................................................45

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Chúng ta luôn mong muốn chương trình đào tạo đại học và cao đẳng gắn liền
với thực tế công nghiệp. Đặc biệt với sinh viên hệ cao đẳng nghề, vấn đề này càng
quan trọng. Trong đó, Robot công nghiệp là thiết bị được sử dụng phổ biến tại các
nước công nghiệp phát triển và bắt đầu được sử dụng ở Việt Nam.
Sinh viên hệ cao đẳng nghề khi ra trường cần được kiến thức và kỹ năng làm
việc tốt nên các môn học về Robot và Robot công nghiệp cũng như các bài thực
hành trong các trường cao đẳng cần phải đáp ứng được yêu cầu thực tế công nghiệp.
Do đó việc xây dựng các thiết bị thực nghiệm trong các trường đại học, cao đẳng
nói chung và các trường cao đẳng nghề nói riêng là rất cần thiết để phục vụ đào tạo.
Trường cao đẳng nghề Bách Khoa Hà Nội là một trong các trường đào tạo
nghề và chưa có Robot phục vụ công tác đào tạo. Việc chế tạo Robot và xây dựng
các bài thực hành là rất quan trọng. Hơn nữa, bản thân tác giả là giảng viên trường
cao đẳng nghề Bách Khoa Hà Nội. Tác giả cũng như các đồng nghiệp luôn tâm
huyết với chất lượng đào tao…Vì vậy, tác giả đã chọn đề tài „Nghiên cứu, thiết kế
và chế tạo mô hình Robot ba bậc tự do tọa độ cầu điều khiển bằng máy tính phục vụ
đào tạo” làm luận văn cao học.
2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận văn
- Mục đích: Thiết kế, chế tạo được mô hình Robot ba bậc tự do tọa độ cầu điều
khiển bằng máy tính để phục vụ mục đích đào tạo.
- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
+ Đối tượng nghiên cứu là Robot 3 bậc tự do: Kết cấu cơ khí, động cơ servo,
van khí nén, vi điều khiển và Matlab .
+ Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tổng quan về robot công nghệp, Bài toán
động học và động lực học cho robot. Thiết kế và chế tạo robot 3 bậc tự do tọa độ
cầu. Thiết kế hệ thống điều khiển robot bằng vi điều khiển có kết nối máy tính.
3. Tóm tắt điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Luận văn được trình bày gồm 4 chương: Chương 1, nghiên cứu tổng quan về
Robot công nghiệp. Tìm hiểu lịch sử phát triển, phân loại robot công nghiệp theo

theo phuơng trình động học ngược) cho môn học Robot công nghiệp.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết chung về tính toán, thiết kế, chế tạo Robot 3 bậc tự do
và xây dựng các bài thực hành
- Nghiên cứu tổng quan về Robot và Robot công nghiệp, các bài toán động
học, động lực học Robot và điều khiển robot. Từ đó có cơ sở tính toán, thiết kế và
chế tạo Robot 3 bậc tự do, xây dựng các bài thực với Robot thực nghiệm phục vụ
đào tạo.
- Tính toán, thiết kế phần mềm điều khiển Robot 3 bậc tự do trên Matlab
- Tính và tính chọn các chi tiết điển hình cho Robot 3 bậc tự do
- Xây dựng các bài thực hành phục vụ đào tạo.

2


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
1.1. Lịch sử phát triển của Robot công nghiệp
1.1.1. Quá trình hình thành của Robot công nghiệp
Thuật ngữ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1921 trong tác phẩm“Rossum‟s
Universal Robots” của nhà văn Tiệp Khắc có tên là Karel Capek như hình 1.1.
Trong tác phẩm này Rossum và con trai của ông đã chế tạo ra những chiếc máy gần
giống với con người để phục vụ con người. Năm 1922, trên sân khấu múa rối Châu
Âu đã xuất hiện con rối Robota với tên gọi là lực sỹ do các nghệ sỹ Tiệp Khắc trình
diễn. Từ đó xuất hiện ý tưởng sáng chế kỹ thuật những cơ cấu máy có khả năng bắt
chước các hoạt động của con người với mục đích robot công nghiệp thay cho cơ
bắp con người [1] [2] [3].


khảo sát đáy biển.
- Thời kỳ kỷ nguyên của robotic(Từ năm 1960):
Đây là thời kỳ phát triển mạnh mẽ của robot công nghiệp:
Năm 1961: Robot Unimate – USA của hãng General Motors được sử dụng
trong phân xưởng đúc, đây là thời kỳ của robot thế hệ thứ nhất. Lập trình điều khiển
để robot lặp lại các thao tác đã được định trước. Nhờ vậy mà robot có các khả năng:
+ Một là: Làm việc liên tục trong 24 giờ và nắm vững các công việc trong
vòng vài phút.
+ Hai là: Làm việc trong mọi điều kiện: nóng bức, khó chịu, nguy hiểm và độc
hại.
Trên cơ sở bản quyền phát minh sáng chế của Mỹ, các nước trên thế giới cũng

4


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

bắt đầu chế tạo robot công nghiệp. Ví dụ: nước Anh (1967) với robot Scara; Thụy
điển, Nhật Bản (1968) với robot Fanuc; Đức(1971), Pháp(1972), Ý(1973) với robot
Sigma.
Năm 1967: Nhật Bản nhập robot công nghiệp đầu tiên của Hoa Kỳ. Đến nay
đã có hơn 40 công ty Nhật Bản chế tạo robot như công ty Panasonic, Hitachi,
Mitsubishi…
Từ năm 1960 – 1970: Ra đời robot công nghệ mạch tích hợp IC (Integrated
Circuit), LSIC (Large Scale Integrated Circuit), bộ vi xử lý (Microprocessor) và
máy vi tính PC (Personal Computer)
Từ năm 1968 – 1972: Đây là giai đoạn phát triển mạnh mẽ của robot trong
công nghiệp ô tô, đặc biệt tại Nhật Bản với công ty YASKAWA – một trong những
nơi đầu tư và nghiên cứu ứng dụng robot hàng đầu thế giới. Thuật ngữ Cơ – Điện tử
(Mechatronics) đã xuất hiện và luôn gắn liền với robot CN, CNC. Năm 1970 xe tự

+ Robot có trí khôn nhân tạo.
Hiện nay, trên thế giới có khoảng trên 500 công ty và hàng nghìn mẫu robot;
robot ngày càng hiện đại, đa dạng về chủng loại và lĩnh vực ứng dụng rất phong
phú.
1.2. Định nghĩa và phân loại Robot công nghiệp
1.2.1. Định nghĩa về Robot công nghiệp
Có nhiều cách định nghĩa về Robot công nghiệp, có thể điểm qua một số định
nghĩa như sau[1] [2] [3]:
Theo tiêu chuẩn ISO 8373: Robot công nghiệp là một tay máy đa mục đích
có thể điều khiển tự động, lập trình lại được, có nhiều hơn hoặc bằng 3 trục. (“ An
industrial robot is defined by ISO as an automatically controlled, reprogrammable,
multipurpose manipulator programmable in three or more axes”- ISO)
Theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp): Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển
động tự động có thể lập trình, lặp đi 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, chi tiết, dao cụ…theo những hành trình thay đổi đã được lập trình trước để
hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau
Theo định nghĩa của 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 các thiết bị chuyên dung thông qua các chương trình chuyển động
có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau

6


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Theo định nghĩa của 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


Hình 1.4. Tay máy robot tọa độ cầu
Robot công nghiệp này có kết cấu tay máy gồm 3 khớp: 3 khớp quay RRR)
hoặc 2 khớp quay và 1 khớp tịnh tiến (RRT). Không gian làm việc trong thể tích
một hình cầu. Bán kính hình cầu phụ thuộc vào góc quay, lượng tịnh tiến và kích
thước của hai khâu cuối.
Robot thường được sử dụng khi làm việc với các chi tiết, bề mặt trong không
gian. Tùy vào trang bị của tay máy mà robot có thể dùng để sơn, hàn, lăp ráp…

8


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

d. Robot dạng phỏng sinh

Hình 1.5. Tay máy robot dạng phỏng sinh
Cánh tay robot dạng phỏng sinh 6 bậc tự do RRRRRR đang được sử dụng rất
nhiều trong thực tế. Với cánh tay robot dạng này cho phép điều khiển được cả vị trí
và hướng của khâu tác động cuối.
Với cấu trúc của mình, tùy vào trang bị của tay máy, robot 6 bậc tự do
RRRRRR có thể sử dụng làm robot hàn, robot sơn, robot lắp ráp hay robot phục vụ
cho máy CNC trong các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS, hệ thống sản xuất tích
hợp CIM.
e. Robot dạng Scara

Hình 1.6. Tay máy robot dạng SCARA
Robot công nghiệp SCARA là cụm từ viết tắt của Selective Compliance
Assemply Robot Arm hay Selective articulates Robot Arm. Tức là cánh tay robot
lắp ráp chọn lọc. Robot được ra đời năm 1981 tại đại học Yamanashi Nhật Bản

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

mà tay máy tương tác. Do đó điều khiển tay máy robot công nghiệp sẽ chính xác
hơn. So với phương pháp điều khiển theo mạch hở, phương pháp điều khiển này
phức tạp hơn do phải trang bị hệ thống cảm biến để đo các giá trị trạng thái của tay
máy như: vị trí, vận tốc, gia tốc, mômen…và các thông số môi trường làm việc.
Với ưu điểm là có độ chính xác cao, tin cậy trong quá trình làm việc nên
phương pháp điều khiển theo vòng kín ngày càng được sử dụng nhiều trên các tay
máy robot công nghiệp.
1.2.2.3. Phân loại theo ứng dụng
Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Nhưng ứng
dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn…[2] [3]
a. Robot trong ngành luyện kim

Hình 1.9. Robot trong ngành luyện kim
Một trong những công việc kém năng suất nhất của con người là rèn luyện
kim loại ở nhiệt độ cao. Các công việc này đòi hỏi công nhân di chuyển phôi có
khối lượng lớn với nhiệt độ cao khắp nơi trong xưởng. Việc tuyển dụng công nhân
làm việc trong môi trường nhiệt độ cao như vậy là một vấn đề khó khăn đối với
ngành công nghiệp này, và robot ban đầu đã được sử dụng để thay thế công nhân
làm việc trong điều kiện môi trường ngặt nghèo như trong lò đúc, xưởng rèn, và
xưởng hàn. Đối với robot thì nhiệt độ cao lại không đáng sợ.
b. Robot hàn
11


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Hàn đường thường được thực hiện bằng tay. Tuy nhiên năng suất thấp do yêu
cầu chất lượng bề mặt mối hàn liên quan đến các thao tác của đầu mỏ hàn với môi

Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Hình 1.10. Robot hàn
c. Robot sơn
Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khỏe của con người,
nhưng lại hoàn toàn không nguy hiểm đối với robot. Ngoài ra, con người phải mất
hơn hai năm để nắm được kỹ thuật và kỹ năng trở thành một thợ sơn lành nghề
trong khi robot có thể học được tất cả kiến thức đó chỉ trong vài giờ và có khả năng
lặp lại một cách chính xác các động tác sơn phức tạp. Tất cả robot sơn đều được‟
dạy‟ bởi một thợ sơn chuyên nghiệp giữ đầu phun và dịch chuyển nó đi đúng
đường, đường đi đó được ghi lại, và khi robot thực hiện công việc phun sơn thì nó
chỉ việc đi theo đường đi đã được định sẵn đó. Như thế, robot phun sơn phải có các
khớp sao cho người thợ sơn có thể dễ dàng dẫn hướng cho chúng.

Hình 1.11. Robot sơn
d. Robot trong lắp ráp
Robot được sử dụng chủ yếu vào các việc tháo lắp phôi và sản phẩm cho các
máy gia công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động…Trong ngành chế tạo

13


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

máy và dụng cụ đo, chi phí lắp ráp thường chiếm đến 40% giá thành sản phẩm,
trong khi đó mức độ cơ khí hóa trong lắp ráp không quá 10 – 15% đối với sản
phẩm hàng loạt và 40% đối với sản xuất hàng loạt lớn. Bởi vậy việc chế tạo và sử
dụng robot lắp ráp có ý nghĩa rất quan trọng và được thực hiện từ khá sớm.

Hình 1.12. Robot lắp ráp


Hình 1.13. Sản lượng robot công nghiệp trên thế giới

Hình 1.14. Biểu đồ thị trường robot công nghiệp Châu Á/Úc, Chấu Âu và Châu Mỹ
Nhìn vào biểu đồ thị trường robot công nghiệp ta thấy. Trong năm 2010, gần 70.000
robot đã được cung cấp cho các nước Châu á (bao gồm cả Australia và New
Zealand) tăng 127% so với năm 2009 và chủ yếu đầu tư cho công nghiệp ô tô và

15


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

công nghệ lắp ráp hàng điện tử. Ở các nước Châu âu, năm 2010 gần 30.000 robot đã
được sử dụng tăng 45% so với năm 2009. Còn các nước Châu mỹ, năm 2010 số
lượng robot được sử dụng là gần 20.000 tăng 87% so với năm 2009.
Ở Nhật Bản năm 2007 số lượng robot được sử dụng là hơn 35.000 nhưng đến
năm 2010 số lượng đã giảm còn hơn 20.000. Trong khi đó ở Hàn Quốc năm 2007
số lượng robot sử dụng là gần 10.000 nhưng đến năm 2010 số lượng đã là gần
25.000, dẫn đầu thế giới trong việc sử dụng robot.

Hình 1.15. Biểu đồ sử dụng robot tại các nước
Việc sử dụng robot trong các ngành nghề cũng rất đa dạng, dựa vào biểu đồ
robot phục vụ trong các ngành công nghiệp ta thấy lĩnh vực điện, điện tử ứng dụng
robot nhiều nhất với hơn 25.000 chiếc trong năm 2010. Lĩnh vực ô tô cũng sử dụng
gần 20.000 chiếc trong năm 2010. Bên cạnh đó việc sử dụng robot trong các ngành
cao su- nhựa, kim loại máy móc, thực phẩm, dược, thủy tinh- gốm sứ cũng ngày
càng cao hơn.

16

CHƢƠNG 2
ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 3 BẬC TỰ DO
2.1. Mô hình Robot 3 bậc tự do
a) Sơ đồ động Robot: Để hiểu rõ mô hình Robot 3 bậc tự do ta xét sơ đồ động
hình 2.1

Hình 2.1. Sơ đồ động Robot
Khâu 1 quay quanh trục Z0 góc θ1; Khâu 2 quay quanh trục Z1 góc θ2; Khâu 3
quay quanh trục Z2 góc θ3.
Độ dài khâu 1: l1 = 240 mm; khâu 2: l2 = 230 mm; khâu 3: l3= 245 mm
b) Mô hình được thiết kế như hình 2.2, hình 2.3, hình 2.4, hình 2.5 trên
solidworks

Hình 2.2. Cấu tạo Robot được thiết kế trên Solidworks

18


Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Khối lượng toàn bộ canh tay: 11,1 kg (tính theo solidworks)

Hình 2.3. Thân dưới
Khối lượng thân dưới (khâu 1): 9295,54 g (tính theo solidworks)

Hình 2.4. Khâu thứ 2
Khối lượng khâu thứ 2: 1594,9 g (tính theo solidworks)

Hình 2.5. Khâu thứ 3