Đồ án - Nhập môn Kỹ thuật điện - HUST

TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
----------
BÁO CÁO NHẬN THỨC
Đề tài: “Robot”
Học phần: Nhập môn kỹ thuật điện (EE1010)
Mã lớp học: 74920
Giảng viên hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức
Họ và tên: Nguyễn Tiến Khang – 20132044
Nguyễn Văn Mạnh – 20132506
Nguyễn Đức Mạnh – 20132531
Phạm Xuân Ngọc – 20132800
Hà Nội, 2014

Viện Điện – Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức
Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 2
MỤC LỤC
MỤC LỤC.................................................................................................................... 2
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................. 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT................................................................. 5
1.1. Sơ lược quá trình phát triển ............................................................................ 5
1.2. Những ứng dụng điển hình của robot............................................................. 7
1.3. Phân loại robot................................................................................................ 10
1.3.1. Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động .......................... 10
1.3.2. Phân loại theo thiết kế................................................................................ 11
1.3.3. Phân loại theo bộ điều khiển...................................................................... 11
1.3.4. Phân loại theo nguồn dẫn động.................................................................. 12
1.3.5. Phân loại theo ứng dụng của robot ............................................................ 12
1.4. Xu hướng phát triển của robot...................................................................... 13
1.4.1. Robot điều dưỡng trợ giúp con người........................................................ 14
1.4.2. Robot cánh tay kép (competitive control robot) ........................................ 14
1.4.3. Robot đeo được.......................................................................................... 15
1.4.4. Robot gắp và chuyển động tốc độ cao cơ cấu song song .......................... 15
1.4.5. Robot có khả năng học hỏi tương tự như não người ................................. 16
1.4.6. Robot cứu hộ.............................................................................................. 16
CHƯƠNG 2. CẤU TẠO CỦA ROBOT.................................................................. 17
2.1. Tay máy (manipulator) .................................................................................. 17
2.1.1. Chế độ huấn luyện (teaching mode) .......................................................... 18
2.1.2. Chế độ tự động (auto mode) ...................................................................... 18
2.2. Bộ điều khiển robot......................................................................................... 18
2.2.1. Điều khiển lực............................................................................................ 19
2.2.2. Bộ xử lý trung tâm ..................................................................................... 19
2.2.3. Bộ nhớ........................................................................................................ 20
2.2.4. Bộ xuất/nhập .............................................................................................. 20
2.3. Nguồn dẫn động .............................................................................................. 20
2.3.1. Nguồn dẫn dầu ép ...................................................................................... 20
2.3.2. Nguồn dẫn truyền động khí nén................................................................. 20
2.3.3. Nguồn dẫn truyền động điện cơ................................................................. 21
2.3.4. Nguồn dẫn truyền động hỗn hợp................................................................ 21

CHƯƠNG 3. CÁC BÀI TOÁN VỀ ROBOT.......................................................... 22
3.1. Bài toán động học............................................................................................ 22
3.1.1 Động học thuận.............................................................................................. 22
3.1.2 Động học ngược ............................................................................................ 22
3.2. Bài toán tĩnh học ............................................................................................. 23
3.3. Bài toán động lực học ..................................................................................... 23
3.4. Bài toán điều khiển ......................................................................................... 23
3.1.1. Điều khiển thích nghi................................................................................. 23
3.1.2. Điều khiển tối ưu........................................................................................ 23
3.1.3. Điều khiển thông minh............................................................................... 23
3.5. Bài toán dò đường tránh vật cản................................................................... 24
KẾT LUẬN ................................................................................................................ 25
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 26
HÌNH VẼ
Hình 1.1 - Robot 4 chân của hãng R.S Mosher và hãng General Electric.................. 5
Hình 1.2 - Xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunokohod 1......................................... 6
Hình 1.3 - Robot Shakey - robot đầu tiên nhận dạng đối tượng bằng camera............ 6
Hình 1.4 - Robot Unmation......................................................................................... 7
Hình 1.5 - Robot hàn ARC.......................................................................................... 7
Hình 1.6 - Robot gắp hàng - đóng gói bia................................................................... 8
Hình 1.7 - Robot sơn ô tô tự động............................................................................... 8
Hình 1.8 - Robot hàn điểm trong sản xuất xe hơi....................................................... 9
Hình 1.9 - Robot xếp chồng sản phẩm........................................................................ 9
Hình 1.10 - Robot rà phá bom mìn warrior 710.......................................................... 10
Hình 1.11 - Robot tự hành thám hiểm sao hỏa và mặt trăng ...................................... 10
Hình 2.1 - Các thành phân chính của một robot công nghiệp................................... 17
Hình 2.2 – Bộ điều khiển robot theo cấu trúc PC – based.......................................... 18

LỜI NÓI ĐẦU
Năm 1961, Robot kỹ thuật số và được lập trình đầu tiên ra đời, có tên gọi
Unimate, từ đó đến nay,ngành robot học không ngừng phát triển và chế tạo robot trở
thành 1 ngành công nghiệp được chú trọng phát triển ở nhiều quốc gia, với sự đi đầu
của các cường quốc như Mỹ, Nhật Bản….Ngày nay, robot có mặt trong hầu hết các
lĩnh vực của đời sống của con người: sản xuất, y tế, quân sự, hàng không vũ trụ,...Các
robot thương mại và robot công nghiệp được sử dụng phổ biến để thực hiện các công
việc với giá rẻ hơn, chính xác và đáng tin cậy hơn con người. Chúng cũng được sử
dụng trong các công việc mà độ ô nhiễm cao, nguy hiểm, hoặc đơn điệu. Robot được
sử dụng rộng rãi trong sản xuất, lắp ráp, đóng gói và mở gói, vận chuyển, và thăm dò
không gian cũng như lòng đất, phẫu thuật, chế tạo vũ khí, nghiên cứu trong phòng thí
nghiệm, dây chuyền sản xuất hàng loạt…..Ngoài ra, còn có các robot phục vụ các nhu
cầu khác của con người như: giải trí, giúp việc, hỗ trợ người khuyết tật….Hiện nay
các loại robot đang không ngừng được hoàn thiện và chế tạo mới nhằm hướng tới
mục tiêu robot có khả năng tư duy như con người, chính vì vậy mà phạm vi ứng dụng
của robot không ngừng mở rộng trong mọi lĩnh vực, đặc biệt là thay thế con người
trong sản xuất, tăng năng suất lao động.
Trước những yêu cầu đòi hỏi bức thiết của việc ứng dụng robot vào thực tiễn
cuộc sống, nhóm chúng em đã thực hiện tìm hiểu tổng quan về lịch sử phát triển, cấu
tạo,các bài toán và ứng dụng của robot. Từ đó, chúng em đã có cái nhìn tổng quát
nhất về ngành robot học,cũng như có thêm những kiến thức mới về ngành kỹ thuật
Điều khiển - Tự động hóa.
Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của TS Dương Minh
Đức trong suốt thời gian thực hiện báo cáo này. Với sự giúp đỡ tận tình đó két hợp
cùng sự nỗ lực cố gắng của cả nhóm, chúng em đã hoàn thành báo cáo này. Tuy
nhiên, do hạn chế về chuyên môn, kiến thức chưa sâu nên bản báo cáo có thể sẽ
không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em xin chân thành tiếp thu những ý kiến chỉ
bảo đóng góp của thầy để bài báo cáo sẽ hoàn thiện tốt hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện báo cáo

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT
1.1. Sơ lược quá trình phát triển
Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng
sản xuất. Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở trên NewYork vào ngày
09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp
Karen Kapek viết năm 1921, còn từ robot là cách gọi tắt của từ robota - theo tiếng
Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch.
Những robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào những ứng dụng trong
công nghiệp thực sự lại là những tay máy. Vào năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz đã
nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hãng
General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cơ cấu tác động là những động
cơ điện kết hợp với các cử hành trình. Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một
dạng tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu
cuối. Sử dụng những thành quả đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay
máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển.
Năm 1968 R.S. Mosher, thuộc hãng General Electric, đã chế tạo một thiết bị
biết đi có bốn chân, có chiều dài hơn 3m, nặng 1.400kg, sử dụng động cơ đốt trong
có công suất gắn 100 mã lực (hình 1.1)
Hình 1.1. Robot 4 chân của hãng R.S Mosher và hãng General Electric
Cũng trong lĩnh vực này, một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạt
được vào năm 197G là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1
được điều khiển từ trái đất (hình 1.2).

Hình 1.2. 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 1.3). Robot 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 1.3. Robot Shakey - robot đầu tiên nhận dạng đối tượng bằng camera
Năm 1952 máy điều khiển chương trình số đầu tiên ra đời tại Học Viện Công
nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ). Trên cơ sở đó năm 1954, George Devol đã 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 1.4)
Hình 1.4. Robot Unmation
1.2. Những ứng dụng điển hình của robot
Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Những ứng
dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn.
Một trong những công việc kém năng suất nhất của con người là rèn 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.
Hình 1.5. Robot hàn ARC1
1
ABB Robotics

Hình 1.6 - Robot gắp hàng - đóng gói bia2
Hình 1.7 - Robot sơn ô tô tự động3
2
ABB Robotics
3
ABB Robotics

Hình 1.8 - Robot hàn điểm trong sản xuất xe hơi4
Hình 1.9 - Robot xếp chồng sản phẩm5
4
New China Factory Auto Tech
5
ABB Robotics

Hình 1.10 - Robot rà phá bom mìn warrior 7106
Hình 1.11 – Robot tự hành thám hiểm sao hỏa và mặt trăng7
Robot còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nữa như phục vụ cho máy
công cụ, làm khuôn trong công nghiệp đồ nhựa, gắn kính xe hơi, dò phá bom mìn,
làm bánh,…
1.3. Phân loại robot
1.3.1. Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động
1. Robot toạ độ vuông góc (cartesian robot)
2. Robot toạ độ trụ (cylindrical robot)
3. Robot toạ độ cầu (spherical robot)
4. Robot khớp bản lề (articular robot)
6
www.irobot.com
7
Internet

1.3.2. Phân loại theo thiết kế
Theo quá trình phát triển của robot, ta có thể chia ra theo các mức độ sau đây:
1. Robot thế hệ thứ nhất:
Bao gồm các dạng robot hoạt động lặp lại theo một chu trình không thay đổi
(playback robots), theo chương trình định trước. Chương trình ở đây cũng có hai
dạng; chương trình “cứng” không thay đổi được như điều khiển bằng hệ thống cam
và điều khiển với chương trình có thể thay đổi theo yêu cầu công nghệ của môi
trường sử dụng nhờ các panel điều khiển hoặc máy tính.
2. Robot thể hiện thứ hai
Trong trường hợp này robot được trang bị các bộ cảm biến (sensors) cho phép
cung cấp tín hiệu phản hồi hỗ trợ lại hệ thống điều khiển về vị trí, trạng thái không
gian của robot cũng như những thông tin về môi trường bên ngoài như trạng thái, vị
trí của đối tượng thao tác, của các máy công nghệ mà robot phối hợp, nhiệt độ của
môi trường, v.v... giúp cho bộ điều khiển có thể lựa chọn những thuật toán thích hợp
để điều khiển robot thực hiện những thao tác xử lý phù hợp.
3. Robot thế hệ thứ ba
Đây là dạng phát triển cao nhất của robot tự cảm nhận. Các robot ở đây được
trang bị những thuật toán xử lý các phản xạ logic thích nghi theo những thông tin và
tác động của môi trường lên chúng; nhờ đó robot tự biết phải làm gì để hoàn thành
được công việc đã được đặt ra cho chúng. Hiện nay cũng đã có nhiều công bố về
những thành tựu trong lĩnh vực điều khiển này trong các phòng thí nghiệm và được
đưa ra thị trường dưới dạng những robot giải trí có hình dạng của các động vật máy.
4. Robot thế hệ thứ tư
Bao gồm các robot sử dụng các thuật toán và cơ chế điều khiển thích nghi
(adaptively controlled robot) được trang bị bước đầu khả năng lựa chọn các đáp ứng
tuân theo một mô hình tính toán xác định trước nhằm tạo ra những ứng xử phù hợp
với điều kiện của môi trường thao tác.
5. Robot thế hệ thứ năm
Là tập hợp những robot được trang bị trí tuệ nhân tạo (artificially intelligent
robot).
1.3.3. Phân loại theo bộ điều khiển
1. Robot gắp - đặt:
Robot này thường nhỏ và sử dụng nguồn dẫn động khí nén. Bộ điều khiển phổ
biến là bộ điều khiển lập trình (PLC) để thực hiện điều khiển vòng hở. Robot hoạt
động căn cứ vào các tín hiệu phản hồi từ các tiếp điểm giới hạn hành trình cơ khí đặt
trên các trục của tay máy.

2. Robot đường dẫn liên tục
Robot loại này sử dụng bộ điều khiển servo thực hiện điều khiển vòng kín. Hệ
thống điều khiển liên tục là hệ thống trong đó robot được lập trình theo một đường
chính xác. Trong hệ thống điều khiển này, đường dẫn được biểu điễn bằng một loạt
các điểm rời rạc gần nhau và được lưu vào bộ nhớ robot, sau đó robot sẽ thực hiện lại
chính xác đường dẫn đó.
1.3.4. Phân loại theo nguồn dẫn động
1. Robot dùng nguồn cấp điện
Nguồn điện cấp cho robot thường là DC để điều khiển động cơ DC. Hệ thống
dùng nguồn AC cũng được chuyển đổi sang DC. Các động cơ sử dụng thường là
động cơ bước, động cơ DC servo, động cơ AC servo. Robot loại này có thiết kế gọn,
chạy êm, định vị rất chính xác. Các ứng dụng phổ biến là robot sơn, hàn.
2. Robot dùng nguồn khí nén
Hệ thống cán được trang bị máy nén, bình chứa khí và động cơ kéo máy nén.
Robot loại này thường được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng nhỏ có tay máy
là các xy - lanh khí nén thực hiện chuyển động thẳng và chuyển động quay. Do khí
nén là lưu chất nén được nén, robot loại này thường được sử dụng trong các thao tác
gắp đặt không cần độ chính xác cao.
3. Robot dùng nguồn thuỷ lực
Nguồn thuỷ lực sử dụng lưu chất không nén được là dầu ép. Hệ thống cần
trang bị bơm để tạo áp lực dầu. Tay máy là các xy - lanh thuỷ lực chuyển động thẳng
và quay động cơ dầu. robot loại này được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng lớn
1.3.5. Phân loại theo ứng dụng của robot
1. Human robot
Robot hình người được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như giải trí, y tế, dịch
vụ…Đặc điểm của loại robot này là chúng sở hữu khuôn mặt và tay giống như con
người, có khả năng thực hiện những chuyển động tương tự như còn người, đặc biệt
một số loại robot còn có khả năng nhảy, giao tiếp thông minh với con người. Sau đây
là một vài ví dụ:
Hình 1.12. Robot phục vụ quán ăn Hình 1.13. Robot nhảy

2. Finger robot
Chứa một ngân hàng tích hợp của 40
chuyển động cơ bắp mà làm cho nó di chuyển.
Các cơ được tuân thủ, cho phép cầm tay được
sử dụng trên các đối tượng mềm hoặc dễ vỡ,
và quan trọng hơn là làm cho các tay an toàn
trong việc sử dụng với con người.
cung cấp 24 động tác, cho phép ánh xạ trực
tiếp từ một con người với robot.
là khả năng nắm giữ trọng lượng của nó
khoảng 3.9kg.
3. Under water robot
Robot dưới nước là một trong số những loại robot có nhiều ứng dụng nhất
trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học, tìm kiếm, cứu hộ. Với khả năng lặn sâu dưới
nưới đến hàng nghìn mét, gửi những hình ảnh chi tiết về trung tâm điều khiển, rõ
ràng đây là loại robot hữu dụng khi thay thế con người thực hiện những công việc
nguy hiểm dưới nước. Ví dụ như robot AUQUA2 có thể di chuyển trên đất liền cũng
như bơi lội và lặn dưới nước phục vụ cho công việc khám khoa học.
1.4. Xu hướng phát triển của robot
Trên thế giời hiện nay, công nghệ robot đang thay thế con người ở nhiều ngành
nghề hơn, ở nhiều quốc gia hơn. Những chú robot lớn nhỏ, không chỉ là các nhân vật
trong phim khoa học viễn tưởng nữa mà đang trở thành một phần không thể thiếu của
các nền kinh tế: từ làm nông cho đến bác sĩ phẫu thuật…hay kể cả nhân viên đánh
trống trong ban nhạc.
Các công nghệ cơ bản đằng sau các sản phẩm này đã được đề xuất từ nhiều
năm trước, nhưng trong một thời gian chúng chỉ phục vụ cho những thị trường
chuyên biệt. Tuy nhiên, có vẻ như đột nhiên các công nghệ này trở thành chủ đạo và
các công ty khác nhau đang xây dựng các sản phẩm mới dựa trên cùng một dải ý
tưởng.
Sau đây là một vài xu hướng đáng chú ý trong những năm gần đây.

1.4.1. Robot điều dưỡng trợ giúp con người
EU hiện đang phát triển dự án robot có khả năng theo dõi và chăm sóc sức
khỏe người già nhằm cắt giảm chi phí điều dưỡng của một lục địa vốn đang già hóa.
Dự án hiện đang được thí điểm tại thành phố Rome.
1.4.2. Robot cánh tay kép (competitive control robot)
Con người (và nhiều loài linh trưởng khác) sử dụng hai cánh tay để thực hiện
các thao tác phức tạp, nhưng robot công nghiệp trong một thời gian rất dài chỉ đặc
trưng với một cánh tay. Lập luận đưa ra nếu bạn cần dùng hai cánh tay, chỉ cần mua
và gắn chúng cạnh nhau. Việc sử dụng hai cánh tay, chỉ được đưa ra dưới dạng một
gói mở rộng. Tuy nhiên, có vẻ như cộng đồng robot công nghiệp đã thay đổi suy nghĩ
của mình trong vài năm qua. Việc sử dụng hai cánh tay sẽ cho phép tiến hành các
thao tác phức tạp hơn khi thực hiện nhiệm vụ, giống xu hướng tự nhiên của con
người. Ví dụ về robot từ Nachi và từ ABB.

1.4.3. Robot đeo được
Các sản phẩm thông minh đeo được (wearable) đang trở nên phổ biến và nó
cũng thành một xu hướng phát triển của robot. Có rất nhiều loại khác nhau, từ màn
hình đến thiết bị bổ trợ, hay cao hơn là bộ xương ngoài. Một số robot nhắm mục tiêu
vật lý trị liệu phục hồi chức năng, hồi phục chấn thương vận động. Một số robot được
nhắm vào thị trường công nghệ hỗ trợ. Có vẻ như ngành công nghiệp robot đã kết
hợp cơ cấu truyền động hiệu quả cao, vật liệu cấu trúc nhẹ, và các công nghệ pin mới
để tạo ra một sản phẩm hữu ích. Có ít nhất bốn bộ xương ngoài khác nhau và các
thiết bị trợ giúp tại IREX. Dưới đây là hai ví dụ: Thiết bị hỗ trợ di chuyển Honda và
bộ giáp robot HAL từ Cyberdyne.
1.4.4. Robot gắp và chuyển động tốc độ cao cơ cấu song song

Robot gắp và chuyển tốc độ cao dựa trên chuyển động song song có vẻ đang
được các công ty lớn đón nhận. Robot này hết sức phù hợp với không gian làm việc
nhỏ, công việc có tính lặp lại cao, và khả năng tải mở rộng. Các robot đang mang lại
tốc độ tương đương với các phần cứng dựa trên hệ thống cố định, nhưng linh hoạt
hơn rất nhiều và có thể lập trình tự động hóa. Có ít nhất nửa tá robot dạng này, ví dụ
ABB FlexPicker và robot gắp - chuyển của FANUC.
1.4.5. Robot có khả năng học hỏi tương tự như não người
Tại hội nghị Uplinq vừa
mới diễn ra ở Mỹ, Qualcomm đã
trình diễn hai chú robot mang
tên Snapdragon Rover
vàSnapdragon Micro Rover.
Chiếc Snapdragon Rover có thể
nhận biết được những vật thể mà
nó "nhìn thấy" thông qua camera
tích hợp cảm biến chiều sâu, kết
hợp với đó là bộ xử lí
Qualcomm Zeroth có khả năng
học hỏi như não người.
1.4.6. Robot cứu hộ
Trong tương lai, các đội cứu hộ có sự phối hợp giữa con người và robot sẽ là
lực lượng phản ứng nhanh nhất khi xảy ra thiên tai như động đất, sóng thần... Với vai
trò hỗ trợ hoạt động cứu hộ, các robot sẽ đảm nhiệm các phần việc khó khăn như
"xông pha" vào những nơi nguy hiểm trong khi các nhân viên cứu hộ sẽ phụ trách
phần việc ở những chỗ an toàn hơn. Cũng theo ông Pratt, khi "đồng hành" cùng các
chuyên gia, các robot sẽ hoạt động hiệu quả hơn là khi hoạt động riêng lẻ.

CHƯƠNG 2. CẤU TẠO CỦA ROBOT
Về mặt truyền động và điều khiển, robot được cấu tạo từ các khối cấu trúc cơ
khí hoạt động nhờ các cơ cấu tác động. Các cơ cấu tác động này có thể hoạt động
phối hợp với nhau để thực hiện những công việc phức tạp dưới sự điều khiển của một
bộ phận có cấu tạo như máy tính, còn gọi là những bộ điều khiển PC - based. Với
những đặc điểm về cấu tạo và hoạt động thì robot thường được sử dụng trong các hệ
thống sản xuất linh hoạt dạng workcell (FMS - Flexoble Manufacturing Systems) và
các hệ thống sản xuất tích hợp máy tính (CIM - Computer Integrated Manufacturing).
Càng ngày các dây chuyền sản xuất tự động có sử dụng robot thay thế dần các dây
chuyền sản xuất tự động với chương trình hoạt động “cứng” trước đây.
Về mặt kết cấu, robot được chế tạo rất khác biệt nhau, nhưng chúng được xây
dựng từ các thành phần cơ bản như nhau. (hình 2.1):
Hình 2.1 Các thành phân chính của một robot
2.1. Tay máy (manipulator)
Tay máy có thể gọi là cánh tay cơ khí của robot công nghiệp thông thường là
một chuỗi động hở được tạo thành từ nhiều khâu được liên kết với nhau nhờ các khớp
động. Khâu cuối (hay khâu tác động cuối) của tay máy thường có dạng một tay gắp
hoặc được gắn dụng cụ công tác. Mỗi khâu động trên tay máy có nguồn dẫn động
riêng, năng lượng và chuyển động truyền đến cho chúng được điều khiển trên cơ sở
tín hiệu nhận được từ bộ phận phản hồi là các cảm biến nhằm thông báo trạng thái
hoạt động của các khâu chấp hành, trong đó vấn đề được đặc biệt quan tâm là vị trí và
Người
dùng
Interface
Điều
khiển
Điều khiển
công suất
Cơ cấu
chấp
hành
Khung
cơ khí
Cảm
biến

vận tốc dịch chuyển của khâu cuối - khâu thể hiện kết quả tổng hợp các chuyển động
của các khâu thành phần.
Robot công nghiệp thường có hai chế độ hoạt động:
2.1.1. Chế độ huấn luyện (teaching mode)
Chế độ này còn gọi là chế độ lập trình. Ở chế độ hoạt động này chương trình
thao tác của robot sẽ được người sử dụng “ước định” bằng những bước chương trình;
có nghĩa là, mỗi bước chương trình sẽ được nhập vào bộ điều khiển robot bằng những
công cụ khác nhau được trang bị kèm theo như pa-nen lập trình và điều khiển (teach
pendant), bộ mô phỏng (simulator hoặc makette) hoặc bàn phím trong trường hợp
điều khiển trực tiếp bằng máy tính.
2.1.2. Chế độ tự động (auto mode)
Chế độ này còn gọi là chế độ tự động thực hiện thao tác công nghệ. Ở chế độ
này, khi có tín hiệu khởi động, dựa theo dữ liệu của chương trình gồm các bước tuần
tự lưu trong bộ nhớ đã được thiết lập trong chế độ huấn luyện, tay máy sẽ ‘tự động’
thực hiện chương trình quỹ đạo.
2.2. Bộ điều khiển robot
Bộ điều khiển robot thường cấu thành từ các bộ phận cơ bản tương tự như máy
tính (bộ điều khiển PC based) bao gồm bộ xử lý trung tâm, bộ nhớ và bộ xuất/nhập
kết hợp với màn hình để hiển thị các lệnh khi lập trình và đồng thời theo dõi sự thay
đổi toạ độ trong dịch chuyển của các khâu.
Thiết bị xuất/nhập để máy tính nhận thông tin từ các bộ phận hỗ trợ lập trình,
từ các cảm biến và chuyển tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu tác động vận hành các
trục và đến các phần tử chấp hành bên ngoài có liên quan trong quá trình hoạt động
của robot cũng như trao đổi thông tin, dữ liệu với các máy tính và bộ điều khiển khác.
Hình 2.2. Bộ điều khiển robot theo cấu trúc PC – based

Khoa học về robot được phát triển nhanh chóng với các đặc điểm kỹ thuật tiên
tiến của robot được thực hiện nhờ những bộ điều khiển mạnh. Mặc dù vậy, các robot
thế hệ cũ chuyên thực hiện các công việc đơn giản vẫn còn được sử dụng khi vẫn còn
có ích cho công việc sản xuất.
2.2.1. Điều khiển lực
Điều khiển lực là trường hợp tổng quát của điều khiển quỹ đạo, vì đại đa số
robot trong quá trình làm việc sẽ tiếp xúc vởi môt trường khi di chuyển theo một quỹ
đạo đạt trước. Khi đó cần thiết xíiều khiển cả vị trí robot và lực robot sinh ra. Ví dụ
các robot lắp ráp, đánh bóng, đóng và mở cửa. Hai phương pháp điều khiển lực đã
được phát triển là: Điều khiển trở kháng (điều khiển độ nhún) và điều khiển hỗn hợp.
Nguyên lý cơ bản của điều khiển trở kháng là điều khiển vị trí và lực bằng điều
chỉnh trở kháng (độ nhún) của cơ cấu cơ khí tay robot phù hợp với ngoại lực tác dụng
lên tay robot khi tiếp xúc với môi trường. Trở kháng cơ khí là một khái niệm biểu thị
độ cứng của cơ cấu chống lại lực tác dụng lên nó. Điều khiển trở kháng gồm hai
phương pháp: Phương pháp diều khiển trở kháng thụ động và chủ đông. Ở hệ thống
điều khiển trở kháng thụ động, trở kháng cơ khí của bộ phận kẹp chi tiết của tay robot
được điều chỉnh bằng các phần tử cơ khí như lò xo, bộ giảm chấn. Phương pháp điều
khiển trở kháng tích cực thực hiện điều khiển trở kháng cơ khí theo hệ thống kín của
cơ cấu chấp hành khớp với các tín hiệu phản hồi vị trí, tốc độ và lực...
Điều khiển hỗn hợp gồm hai kênh điều khiển độc lập vị trí và lực. Các tín hiệu
đầu ra của bộ diều chỉnh sẽ điều khiển cơ cấu chấp hành khớp bám theo quỹ đạo vị trí
và sinh ra lực đạt trước. Hướng vị trí và lực được điều khiển tuỳ thuộc vào nhiệm vụ
robot thực hiên trong đây chuyền sản xuất.
2.2.2. Bộ xử lý trung tâm
Trung tâm của bộ điều khiển là CPU chịu trách nhiệm quản lý thông tin về bộ
nhớ, quản lý xuất nhập, xử lý thông tin, tính toán và điều khiển và đưa ra các tín hiệu
điều khiển cho bộ phận chuyển đổi tín hiệu. Ứng dụng CPU vào trong bộ điều khiển
rất khác nhau đối với từng nhà sản xuất.
Robot trở nên phổ biến từ khi các máy tính 8-bít như loại APPLE 2E trở nên
thông dụng. Cho đến hiện nay người ta vẫn còn sử dụng các robot với bộ vi xử lý 8
bit như 6800 của MOTOROLA hay Z80 của ZILOG. Nhược điểm cơ bản của những
bộ điều khiển đầu tiên này là bên cạnh vấn đề tốc độ xử lý chậm hơn những bộ vi xử
lý hiện nay, chúng còn bị giới hạn ở dung lượng bộ nhơ mà chúng có thể gửi thông
tin đến. Điều này làm giới hạn khả năng lập trình cũng như hạn chế một số vị trí
trong vùng không gian làm việc mà robot phải nhớ trong chế độ huấn luyện.

2.2.3. Bộ nhớ
Bộ nhớ dùng để lưu giữ chương trình và những thông tin phản hồi từ môi
trường thao tác.
Các máy tính 8-bit có thể gửi thông tin đến 64 KB bộ nhớ. Các máy tính 16-
bit thường bị giới hạn ở 1 MB, trong khi đó các máy tính 42-bit có thể thực hiện việc
gửi thông tin đến bộ nhớ 4 GB. Bộ nhớ này không chỉ dành cho người lập trình để
lưu giữ chương trình. Các bộ nhớ ROM được cung cấp cho các robot chiếm giữ một
phần bộ nhớ. Các chương trình xuất/nhập cơ bản nằm trong bộ nhớ ROM. Các
chương trình này cho phép máy tính nhận và chuyển thông tin với các mạch giao tiếp
của cảm biến, mạch giao tiếp của các cơ cấu tác động, mạch truyền thông nối tiếp,
bàn phím, màn hình và các bộ điều khiển lập trình trong chế độ huấn luyện (teach
pendants).
2.2.4. Bộ xuất/nhập
Bộ xuất nhập dùng để đưa chương trình vào bộ xử lý và kiểm tra, theo dõi hoạt
động trong quá trình thao tác. Cấu hình của bộ xuất/nhập thường bao gồm bàn phím,
màn hình, các bo mạch được bố trí các cổng giao tiếp xuất/nhập dạng nối tiếp và song
song và pa-nen điều hiển cũng được xem là một bộ phận xuất/nhập.
2.3. Nguồn dẫn động
2.3.1. Nguồn dẫn dầu ép
Nguồn dẫn động thường được lắp bên cạnh tủ điều khiển. Trên các robot công
nghiệp có thể sử dụng đồng thời nhiều nguồn dẫn động như điện, dầu ép, khí nén.
Tuỳ theo dạng nguồn dẫn điện động được sử dụng trên robot mà cấu tạo của phần
nguồn cung cấp có thể thay đổi rất đa dạng.
Nguồn dẫn động cũng là một đặc điểm quan trọng khác của robot, nguồn dẫn
động trong chừng mực nào đó ảnh hưởng đến không gian làm việc của robot. Ngoài
ra việc thay đổi nguồn dẫn động (mà hiện nay được chế tạo theo từng cụm đặc trưng)
sẽ giúp nhanh chóng thay đổi kiểu, dạng của robot để phục vụ cho những yêu cầu
công việc khác nhau. Ta sẽ khảo sát những mẫu robot sử dụng các nguồn dẫn động
đặc trưng này.
2.3.2. Nguồn dẫn truyền động khí nén
Đây là loại có giá thành thấp nhất, thường dùng cho các thao tác lắp đặt chi tiết
trên dây chuyền lắp ráp. Đặc điểm nổi bật của loại này là trang bị đơn giản (máy nén
khí có áp lực thường dùng vào khoảng 620 Kpa) và dễ điều khiển. Việc thiết kế và
lắp đặt loại robot này khá đơn giản do các chuyển động độc lập được thực hiện bởi
các xy lanh riêng rẻ hay bởi các mô-đun khí nén chuyên dùng. Điểm cần lưu ý ở loại
này là độ chính xác vị trí lặp lại thấp, nên trong hệ thống điều khiển người ta thường
phải điều khiển gián tiếp qua bộ xử lý dao động vi sai nhằm dập tắt những dao động
gây ra bởi các xung dao động bé tích luỹ ở cuối hành trình của các xy lanh khí nén.

2.3.3. Nguồn dẫn truyền động điện cơ
Với những công việc đòi hỏi chính xác, loại robot với truyền động điện tỏ ra
đắc dụng nhất vì chúng cho phép bảo đảm được độ chính xác dịch chuyển cao và khả
năng thực hiện những thao tác phức tạp.
Nguồn dẫn truyền động điện cơ được chia ra làm 2 nhóm đó là:
- Nguồn dẫn truyền động điện cơ sử dụng động cơ điện
- Nguồn dẫn truyền động điện cơ sử dụng động cơ bước
Phần lớn các robot được sử dụng trên thị trường sử dụng nguồn dẫn là các
động cơ điện. Nguồn dẫn điện có các đặc điểm là tác động khá nhanh, chính xác, sạch
và êm. Động cơ điện cung cấp mômen quay tốt hơn các loại khác. Điểm khó khăn là
khả năng tải hay mang tải của hệ thống này thấp hơn so với hệ thống thuỷ lực.
2.3.4. Nguồn dẫn truyền động hỗn hợp
Trên thực tế người ta thường sử dụng những ưu điểm của từng loại truyền động
một cách hợp lý vào từng bậc chuyển động của robot được thiết kế theo yêu cầu của
khách hàng. Vì vậy, trên một robot thường gặp đồng thời nhiều dạng truyền động.
Đặc biệt là ở tay gắp của robot các truyền dẫn rất đa dạng như khí nén hút chân
không hay điện tử.

CHƯƠNG 3. CÁC BÀI TOÁN VỀ ROBOT
3.1. Bài toán động học
Động học nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động mà không quan tâm đến
nguyên nhân gây ra chúng như lực và mô men. Khoa học động học nghiên cứu về vị
trí, vận tốc, gia tốc. Do đó, động học chỉ liên quan đến hình học và thời gian thay đổi
của chuyển động. Sự thay đổi của các khâu của robot liên quan đến hướng và vị trí
của khâu chấp hành cuối cùng bởi sự ràng buộc của các khớp. Những quan hệ động
học đó là trọng tâm của việc nghiên cứu động học robot. Việc nghiên cứu động học
có hai vấn đề: Phân tích động học và Tổng hợp động học. Tuy nhiên vấn đề phân
tích động học và tổng hợp động học luôn liên quan đến nhau.
Tổng hợp động học chính là quá trình ngược lại của việc phân tích động học.
Trong trường hợp này, nhà thiết kế cần đặt ra được những robot hay máy mới, điều
đó đòi hỏi những thay đổi nhất định về mặt động học. Cụ thể, khi có các thông số vị
trí, hướng(cùng vận tốc và gia tốc) của khâu chấp hành cuối cuối, chúng ta cần xác
định các thay đổi tương ứng ở các khâu hoạt động và cấu trúc hình học của robot.
3.1.1 Động học thuận
Bài toán thuận cho trước cơ cấu và quy luật của các yếu tố chuyển động thể
hiện bằng các toạ độ động ta phải xác định quy luật chuyển động của điểm trên khâu
tác động cuối nói riêng hoặc của điểm bất kỳ trên một khâu nào đó của robot nói
chung trong hệ trục toạ độ vuông góc cố định (hệ trục toạ độ Descartes).
Bài toán động học thuận ở robot có nội dung gần giống như bài toán Phân tích động
học cơ cấu.
3.1.2 Động học ngược
Bài toán động học ngược được đặc biệt quan tâm vì lời giải của nó là cơ sở chủ
yếu để xây dựng chương trình điều khiển chuyển động của robot bám theo quĩ đạo
cho trước. Các lời giải tìm được cho lớp bài toán này hầu như chỉ cho trường hợp
riêng, các đặc điểm động học riêng biệt được tận dụng để thiết lập các quan hệ cần
thiết khi thiết lập lời giải.
Bài toán ngược cho trước cơ cấu và quy luật chuyển động của điểm trên khâu
tác động cuối (hoặc quy luật chuyển động của khâu cuối bao gồm vị trí và hướng của
nó) được biểu diễn trong hệ trục toạ độ vuông góc cố định, ta phải xác định quy luật
chuyển động của các khâu thành viên thể hiện thông qua các toạ độ động.
Thông thường bài toán thuận có lời giải duy nhất, trong khi đó bài toán ngược
có vô số lời giải (bài toán vô định) khi cho trước quy luật chuyển động của điểm trên
khâu tác động cuối bên trong vùng không gian hoạt động của robot. Riêng đối với các
vị trí trên biên của vùng không gian hoạt động, trong một số trường hợp ta mới có lời
giải duy nhất.

3.2. Bài toán tĩnh học
Tĩnh học nghiên cứu quan hệ về lực ở trạng thái cân bằng của các phần thay
đổi của robot. Mét robot có thể hoạt động nhờ tác động lực sinh ra từ các nguồn kích
động khác nhau, như trọng lực, tải trọng, lực ma sát, lực quán tính... những lực này
cần phải được xem xét cẩn thận khi thiết kế các robot bởi vì các thành phần của
chúng có thể có trị số đáng kể và có thể làm cho robot không đảm bảo được các chức
năng đã định. Lực cân bằng phụ thuộc vào cấu tạo và đặc điểm của robot mà không
phụ thuộc vào thời gian.
3.3. Bài toán động lực học
Động lực học nghiên cứu về giữa các lực tác dung vào cơ cấu và chuyển động
của cơ cấu. Động lực học robot là vấn đề rất phức tạp. Một cách cụ thể, khâu chấp
hành cuối cùng được truyền dẫn thông qua một đường dẫn với các thông số hoạt
động chính xác.
3.4. Bài toán điều khiển
3.1.1. Điều khiển thích nghi
Điều khiển thích nghi là bài toán tổng hợp bộ điều khiển nhằm luôn giữ chất
lượng hệ thống được ổn định,cho dù có nhiễu không mong muốn tác động,có sự thay
đổi cấu trúc hoặc tham số không biết trước của đối tượng điều khiển.Nguyên tắc hoạt
động của hệ thống điều khiển thích nghi là mỗi khi có sự thay đổi của đối tượng,bộ
điều khiển sẽ tự chỉnh định cấu trúc và tham số nhằm đảm bảo chất lượng hệ thống là
không đổi.
3.1.2. Điều khiển tối ưu
Điều khiển tối ưu là bài toán xác định và tạo lập những luật điều khiển cho hệ
thống để hệ thống đạt được chỉ tiêu về tính hiệu quả đã được định trước(giá trị cực
trị).Trạng thái tối ưu có đạt được hay không tùy thuộc vào yêu cầu chất lượng đặt
ra,vào sự hiểu biết về đối tượng và các tác động lên đối tượng,vào điều kiện làm việc
của hệ điều khiển…Trong thực tế có các bài toán tối ưu sau:bài toán tối ưu cực
tiểu(sai lệch nhỏ nhất,tổn hao năng lượng nhỏ nhất,chi phí rẻ nhất,quãng đường đi
ngắn nhất…), bài toán tối ưu cực đại(chất lượng cao nhất,hiệu quả lớn nhất….), bài
toán tối ưu tác động nhanh(thời gian xảy ra quá trình ngắn nhất).
3.1.3. Điều khiển thông minh
Thuật ngữ “ Điều khiển thông minh” đã được giới thiệu trong khoảng ba thập
niên với các phương pháp điều khiển có mục tiêu tham vọng hơn so với các hệ thống
truyền thống. Trong khi hệ thống truyền thống thường cần các chi tiết dù nhiều dù ít
về quá trình điều khiển thì hệ thống điều khiển thông minh có thể điều khiển một
cách tự chủ các hệ thống phức tạp, các quá trình chưa được hiểu biết nhiều thí dụ như
về mục tiêu điều khiển.

Điều khiển mờ là 1 phương pháp điều khiển thông minh phỏng theo quá trình
xử lí thông tin không rõ ràng và ra quyết định điều khiển của con người. Phương
pháp này rất thích hợp để điều khiển các đối tượng phức tạp, không xác định được
mô hình toán và các đối tượng phi tuyến.
3.5. Bài toán dò đường tránh vật cản
Dò đường(navigation) là một khoa học(hay nghệ thuật) dẫn hướng cho robot tự
hành di chuyển trong khong gian làm việc của nó (đất,nước,không khí…). Trong vấn
đề dò đường, bài toán được quan tâm nhiều nhất có lẽ là tìm đường về đích mà không
chạm vật cản trên đường đi. Có 2 loại bài toán tìm đường cho robot: bài toán cục bộ
(local) và bài toán toàn cục (global). Trong bài toán toàn cục, bản đồ môi trường làm
việc của robot hoàn toàn được biết trước, vấn đề chính phải giải quyết là tìm đường
đi cho robot trước khi nó xuất phát. Ở bài toán cục bộ,môi trường làm việc của robot
hoàn toàn không được biết trước hoặc chỉ biết được một phần, robot hoàn toàn phải
nhờ vào sự cảm nhận môi trường thong qua cảm biến gắn trên nó để dò đường.

KẾT LUẬN
Trải qua 3 tháng tìm hiểu dưới sự giúp đỡ của TS Dương Minh Đức, nhóm
chúng em đã có những trải nghiệm mới lạ cũng như có những cái nhìn tổng quan về
ngành học kỹ thuật Điều khiển -Tự động hóa nói chung và ngành robot nói riêng.
Nhờ vậy chúng em đã có thêm những kinh nghiệm, kĩ năng làm việc nhóm cùng với
những kiến thức nhất định về robot, đồng thời khơi gợi đam mê đối với ngành
học,môn học, từ đó thúc đẩy chúng em có thêm động lực học tập, nghiên cứu trong
trường học để tiếp thu kiến thức của các môn học sau này.
Tuy nhiên, do sự hiểu biết và kiến thức còn hạn chế nên bản báo cáo không
tránh khỏi tồn tại những thiếu sót, khuyết điểm.
Chúng em xin chân thành cảm ơn TS Dương Minh Đức đã tận tình giúp đỡ chỉ
bảo nhóm chúng em trong suốt thời gian thực hiện báo cáo này. Chúng em rất mong
nhận được những ý kiến đóng góp của thầy để có thể bổ sung, hoàn thiện kiến thức
của mình.
Hà Nội, ngày 19 tháng 12 năm 2014

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Springer Handbook of Robotics
2. https://www.youtube.com/channel/UCM_CsBtYQd5zVuYdwmNpT6g
3. https://www.qualcomm.com/robots
4. https://www.irobot.com

Đồ án - Nhập môn Kỹ thuật điện - HUST

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Đồ án - Nhập môn Kỹ thuật điện - HUST

Similar to Đồ án - Nhập môn Kỹ thuật điện - HUST (20)

Đồ án - Nhập môn Kỹ thuật điện - HUST