Giáo trình Robot công nghiệp

ROBOT CÔNG NGHIỆP 
 Page 1 
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN 
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ 
ROBOT CÔNG NGHIỆP 
GIẢNG VIÊN: VŨ ĐÌNH ĐẠT 
 LÊ THỊ MINH TÂM 
HƯNG YÊN, 10/2015 
ROBOT CÔNG NGHIỆP 
 Page 2 
1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT.(3 tiết) 
1.1.Sơ lược về quá trình phát triển robot. 
- Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rông rãi các 
phương tiện tự đông hoá sản xuất. Xu hướng tạo ra các dây chuyền về thiết bị tự động có tính 
linh hoạt cao đang hình thành. Các thiết bị này đang thay thế dần các máy tợ động ‘cứng’ chỉ 
đáp ứngmột việc nhất định trong khi thị trường luôn đòi hỏi thay đổi mặt hàng về chủng loại, 
về kích cỡ và về tính năng vv Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng rôbôt để tạo 
ra các hệ thống sản xuất tự đông linh hoạt. 
- Thuật ngữ ‘rôbôt’ lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm ‘Rossum’s Universal 
Robot’ của Karel Capek. Theo tiếng Séc thì robot là người làm tạp dịch. Trong tác phẩm này 
nhân vật Rossum và con trai của ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để 
hầu hạ con người. 
- Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek bắt đầu hiện thực. Ngay sau chiến tranh 
thế giới lần thứ 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những tay máy chép hình điều khiển từ xa trong các 
phòng thí nghiệm về vâth liệu phóng xạ. 
- Vào cuối những năm 50 bên cạnh những tay máy chép hình cơ khí đó, đã xuất hiện các loại 
tay máy chép hình thuỷ lực và điện từ, như tay máy Minitaur I hoặc tay máy Handyman của 
Genaral Electric. Năm 1954 George C. Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là ‘Cơ cấu bản lề 
dùng để chuyển hàng theo chương trình’. Đến năm 1956 Devol cùng với Joseph F. Engelber, 
một kĩ sư trẻ của công nghiệp hàng không, đã tạo ra loại robot công nghiệp đầu tiên năm 1959 
ở công ty Unimation. Chỉ đến năm 1975 côngty Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản 
phẩm robot đầu tiên này. 
- Chiếc robot công nghiệp được đưa ra vào ững dụng đầu tiên, năm 1961, ở một nhà máy ô tô 
của General Motors tại Trenton, New Jersey Hoa Kỳ. 
- Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Hoa Kỳ. 
Đến năm 1990 có hơn 40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như Công ty 
Hitachi và công ty Mitsubishi, đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng. 
- Từ những năm 70 việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều đến sự lắp đặt 
thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc. Tại trường đại học tổng 
hợp Stanford người ta đã tạo ra loại robot lắp ráp tự động điều khiển bằng máy tính trên cơ sở 
xử lí thông tin từ các cảm biến lực và thị giác. Vào thời gian này Công ty IBM đã chế tạo loại 
robot có các cảm biến xúc giác và cảm biến lực, điều khiển bằng máy tính để lắp ráp các máy 
in gòm 20 cụm chi tiết. 
- Vào giai đoạn này ở nhiều nước khác cũng tiến hành các công trình nghiên cứu tương tự, tạo 
ra các loại robot điều khiển bằng máy vi tính, có lắp đặt các thiết bị cảm biến và thiết bị giao 
tiếp người - máy. 
- Một lĩnh vực mà nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là việc chế tạo robot tự hành. Các công 
trình nghiên cứu tạo ra robot tự hành theo hướng bắt chước chân người và súc vật. Các robot 
này còn chưa có nhiều ứng dụng trong công nhiệp. Tuy nhiên các loại xe robot (robocar) lại 
nhanh chóng được đưa vào hoạt động trong các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt. 
- Từ những năm 80, nhất là vào những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi 
xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, giá thành giảm đi rõ rệt, 
tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng 
trong các day truyền sản xuất hiện đại. 
ROBOT CÔNG NGHIỆP 
 Page 3 
- Ngày nay chuyên ngành khoa học về robot ‘robotics’ đã trở thành một lĩnh vực rông trong 
khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ bản đọng học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, 
điều khiển chuyển động vv 
- Robot công nghiệp được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, bắt chước được các chức 
năng lao động công nghiệp của con người. Nói đến thiết bị tự đọng linh hoạt là nói đến khả 
năng thao tác với nhiều bậc tự do, được điều khiển trợ đông và lập trình thay đổi được. Còn 
nói đến sự bắt chước các chức năng lao động công nghiệp của con người là có ý nói đến sự 
không hạn chế từ các chức năng lao đông chân tay đơn giản đến trí khôn nhân tạo, tuỳ theo 
loại hình công việc lao đông cần đến chức năng đó hay không. Đồng thời cũng nói đến mức 
độ cần thiết bắt chước được như con người hay không. 
1.2.Những ứng dụng điển hình của robot. 
1.2.1. Ứng dụng trong công nghiệp. 
- Gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn. 
- Phục vụ máy công cụ , làm khuôn trong công nghiệp đồ nhựa,  
1.2.2. Ứng dụng robot trong phòng thí nghiệm. 
- Dùng để thực hiện các công việc thủ công, thực hiện các công việc lập đi lập lại 
1.2.3. Ứng dụng robot trong thao tác cần khuếch đại lực. 
- Dùng trong những khu vực nguy hiểm (nhiễm xạ) 
- Dùng bốc dỡ hàng hóa, vật liệu, phôi có trọng lượng lớn cồng kềnh trong các ngành công 
nghiệp nặng 
1.2.4. Ứng dụng robot trong nông nghiệp. 
- Robot cắt lông cừu, mổ xẻ thịt heoTrong lĩnh vực này robot đảm nhiệm cả ngay cả các 
công việc mang tính lặp lại, nhiều thao tác đòi hỏi sự phối hợp tay nghề cao và sự lanh lợi 
của đôi mắt. 
1.2.5. Ứng dụng robot trong không gian. 
- Tay máy được chế tạo nhằm tăng cường khả năng bốc dỡ hàng hóa tiếp tế , lắp ghép với 
các trạm không gian khác 
- Các xe tự hành trang bị tay máy linh hoạt, các robot công dụng chung trong các trạm 
không gian , bảo trì vệ tinh, xây dựng trong không gian 
1.2.6. Ứng dụng robot trong tàu lặn. 
- Phát triển các tàu lặn không người lái trong công tác kiểm tra, dò tìm, bảo trì , thám hiểm 
dưới đáy đại dương 
1.2.7. Ứng dụng robot trong giáo dục 
- Robot được sử dụng làm phương tiện giảng dạy trong các chương trình giáo dục 
- Robot được sử dụng kết hợp với ngôn ngữ LOGO để giảng dạy về nhận thức máy tính . 
- Tạo ra phòng học robot 
1.2.8. Ứng dụng robot trong hỗ trợ người tàn tật. 
- Thông qua xung não để điều khiển các tay máy làm những thao tác mong muốn, những bộ 
phận thay thế trên cơ thể. 
1.2.9. Ứng dụng robot trong sinh hoạt và giải trí. 
- Các loại đồ chơi trẻ em, robot thong minh sử dụng trong nhà và văn phòng 
1.3.Một số định nghĩa. 
- Viện nghiên cứu Mỹ :Rôbốt là một tay máy nhiều chức năng, thay đổi được chương trình 
hoạt động, được dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy dụng cụ hoặc dùng cho những 
công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục 
đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng 
ROBOT CÔNG NGHIỆP 
 Page 4 
- Theo Groover: Rôbốt công nghiệp là những, thiết bị tổng hợp hoạt động theo chương 
trình có những đặc điểm nhất định tương tự như ở con người 
- Theo các nhà nghiên cứu thuộc trường phái khối SEV trước đây: Rôbốt 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 hóa các quá trình 
sản xuất 
- Theo tiêu chuẩn AFNOR của pháp: 
Robot là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương trình hoá, lập lại các chương 
trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị, di 
chuyển các đối tượng vật chất; chi tiết, dao cụ, gá lắp  theo những hành trình thay đổi 
đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau. 
- Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD: 
Robot là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển động có thể chương trình hóa và 
nối ghép các chuyển động của chúng trong những khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến 
của động trình. Chúng được điều khiển bởi các bộ phận hợp nhất ghép kết nối với nhau, 
có khả năng học và nhớ các chương trình; chúng được trang bị dụng cụ hoặc các phương 
tiện công nghệ khác để thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp hay gián tiếp. 
- Theo tiêu chuẩn GHOST 1980: 
Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hoá, 
thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay thế 
những chức năng tương tự của con người. 
- Bên cạnh khái niệm robot còn có khái niệm robotic, khái niệm này có thể hiểu như sau: 
 Robotics là một nghành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu về thiết kế, chế tạo các robot 
và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người như 
nghiên cứu khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh. 
 Robotics là một khoa học liên nghành gồm cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển và công 
nghệ thông tin. Nó là sản phẩm đặc thù của nghành cơ điện tử (mechatronics). 
- V.v.. 
- Rôbốt CN thỏa mãn năm yếu tố sau: 
 Có khả năng thay đổi chuyển động 
 Có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác 
 Có số bậc chuyển động cao 
 Có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động 
 Có khả năng hoạt động tương hỗ với đối tượng bên ngoài 
- Đặc điểm: 
 Có khả năng thay đổi chuyển động 
 Có khả năng xử lý thông tin (biết suy nghĩ) 
 Có tính vạn năng 
 Có những đặc điểm của người và máy 
1.4.Phân loại robot. 
1.4.1. Phân loại robot theo dạng hình học của không gian hoạt động. 
- Các khớp cơ bản được sử dụng: 
ROBOT CÔNG NGHIỆP 
 Page 5 
- Miền làm việc: là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện 
tất cả các chuyển động có thể. 
- Robot tọa độ vuông góc: 
Có 3 bậc chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vuông góc 
ROBOT CÔNG NGHIỆP 
 Page 6 
RECTILINEAR or COORDINATE (X, Y & Z) ROBOT 
X - Horizontal, left and right motions 
Y - Vertical, up and down motions 
Z - Horizontal, forward and backward motions 
- Robot tọa độ trụ: 
Có 3 bậc chuyển động cơ bản gồm 2 CĐ tịnh tiến và 1 trục quay 
CYLINDRICAL ROBOT 
X - Horizontal rotation of 360°, left and right motions 
Y - Vertical, up and down motions 
Z - Horizontal, forward and backward motions 
ROBOT CÔNG NGHIỆP 
 Page 7 
- Robot tọa độ cầu: 
Có 1 trục tịnh tiến và hai trục quay 
SPHERICAL ROBOT 
X - Horizontal rotation of 360°, left and right motions 
Y - Vertical rotation of 270°, up and down motions 
Z - Horizontal, forward and backward motions 
- Robot khớp bản lề: 
Có 3 trục quay 
ROBOT CÔNG NGHIỆP 
 Page 8 
ARTICULATED ROBOT 
X - Horizontal rotation of 360°, left and right motions 
Y - Vertical rotation of 270°, up and down motions 
Z - Horizontal & vertical rotation of 90° to 180°, forward and backward motions 
1.4.2. Phân loại robot theo thế hệ. 
- Rôbốt thế hệ thứ nhất: bao gồm các dạng robot hoạt động lặp lại theo một chu trình 
không thay đổi, theo chương trình định trước. 
Đặc điểm: 
 Sử dụng tổ hợp cơ cấu cam với công tắc hành trình 
 Điều khiển vòng hở 
 Sử dụng phổ biến trong công việc gắp – đặt 
- Robot thế hệ thứ 2: robot với điều khiển theo chương trình nhưng có thể tự điều chỉnh 
hoạt động thích ứng với những thay đổi của môi trường thao tác(được trang bị cảm biến 
cho phép cung cấp tín hiệu phản hồi lại hệ thống điều khiển) 
Đặc điểm: 
 Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy 
 Có thể lựa chọn CT dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến 
 Hoạt động của Rôbốt có thể lập trình được 
- Robot thế hệ thứ 3:robot 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, được trang bị hệ thống thu 
nhận hình ảnh trong điều khiển 
Đặc điểm: 
 Có đặc điểm như loại trên 
 Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp 
- Robot thế hệ thứ tư: robot sử dụng các thuật toán và cơ chế điều khiển thích nghi được 
trang bị khả năng lựa chọn các đáp ứng tuân theo một mô hình tính toán xác định trước có 
ứng xử phù hợp với điều kiện của môi trường thao tác. 
Đặc điểm: 
 Có đặc điểm tương tự 2 loại trên, có khả năng tự động lựa chọn chương trình hoạt động 
và lập trình lại các hoạt động dựa trên các tín hiệu thu nhận từ cảm biến. 
 Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tương đối lớn 
- Robot thế hệ thứ 5: là tập hợp các robot trí tuệ nhân tạo 
Đặc điểm: 
 Được trang bị các kĩ thuật của trí tuệ nhân tạo để ra quyết định và giải quyết các vấn đề 
và nhiệm vụ đặt ra cho nó. 
 Được trang bị mạng Neuron có khả năng tự học. 
 Được trang bị các thuật toán dạng Neuron Fuzzy/ Fuzzy Logic để tự suy nghĩ và ra 
quyết định cho các ứng xử 
1.4.3. Phân loại robot theo hệ điều khiển. 
- Robot gắp đặt: thường sử dụng nguồn dẫn động khí nén, bộ điều khiển phổ biến là bộ điều 
khiển lạpp trình (PLC) thực hiện điều khiển vòng hở 
- Robot dẫn đường liên tục: 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 
1.4.4. Phân loại robot theo nguồn dẫn động. 
ROBOT CÔNG NGHIỆP 
 Page 9 
- Robot dùng nguồn cấp điện: nguồn DC, AC. Robot loại này có thiết kế gọn, chạy êm, 
định vị rất chính xác. 
- Robot dùng nguồn khí nén: hệ thống cần được trang bị máy nén, bình chứ khí và động cơ 
kéo trên máy nén. Robot loại này dùng trong các thao tác gắp đặt không cần độ chính xác 
cao. 
- Robot dùng nguồn thủy lực: sử dụng dầu ép. Robot loại này dùng trong ứng dụng có tải 
trọng lớn. 
- Bảng phân loại Rôbốt: 
ROBOT CÔNG NGHIỆP 
 Page 10 
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1 
Câu 1: Trình bày những ứng dụng điển hình của robot? 
Câu 2:Trình bày định nghĩa robot? 
Câu 3:Trình bày các loại khớp cơ bản sử dụng trong kỹ thuật robot(tên, lược đồ, ký 
hiệu, sơ đồ, bậc tự do)? 
Câu 4: Trình bày định nghĩa miền làm việc của robot?Vẽ lược đồ và hình dạng miền 
làm việc tương ứng của robot tọa độ vuông góc, tọa độ trụ, tọa độ cầu và robot toàn 
khớp bản lề? 
ROBOT CÔNG NGHIỆP 
 Page 11 
2. CẤU TẠO CHUNG CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP. 
- Các thành phần cơ bản: Tay máy + Nguồn cung cấp + Bộ điều khiển 
2.1.Tay máy 
- Tay Máy: (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh 
tay(arm) để tạo các chuyển động cơ bản, Cổ tay (Wrist) tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và 
bàn tay (Hand) hoặc phần công tác (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên 
đối tượng. 
2.1.1. Bậc tự do của tay máy 
- Bậc tự do của tay máy là số khả năng chuyển động độc lập của nó trong không gian hoạt 
động 
- Để nâng cao độ linh hoạt các tay may phải có số bậc chuyển động cao, tuy nhiên không 
nên quá 6. Sáu bậc chuyển động thường gồm 3 bậc chuyển động cơ bản(chuyển động định 
vị ) và 3 bậc chuyển động bổ xung (chuyển động định hướng). 
Chuyển động cơ bản thường là chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay, Mỗi bậc 
chuyển động có nguồn dẫn động riêng 
Chuyển động bổ xung: thường là các chuyển động quay nhằm tăng khả năng linh hoạt 
ROBOT CÔNG NGHIỆP 
 Page 12 
- ví dụ: w= 6.4-(3.5+1.5)=4 
2.1.2. Tay máy tọa độ vuông góc 
- Ưu điểm: 
 Không gian làm việc lớn 
 HT điều khiển đơn giản 
 Dành diện tích sàn lớn cho công việc khác 
- Nhược điểm: 
 Việc thay đổi không thích hợp về không gian 
 Duy trì cơ cấu dẫn động và thiết bị điều khiển gặp nhiều khó khăn 
2.1.3. Tay máy tọa độ trụ. 
- Ưu điểm: 
 Có khả năng CĐ ngang và sâu vào các máy sản xuất 
 Cấu trúc theo chiều dọc để lại nhiều khoảng trống cho sàn 
 Kết cấu vững chắc, có khả năng mang tải lớn 
 Khả năng lặp lại tốt 
- Nhượ ... nh khoảng 10 cm, cao khoảng 5 cm; có 
giới hạn đo lực (50 – 500) N và momen (5 - 70) Nm; độ phân giải đo lực khoảng 0,1% 
và momen 0,05% giá trị cực đại; tốc độ lấy mẫu của mạch xử lý khoảng 1 Hz. 
- Thiết bị quan sát (Visual System) 
 Thiết bị quan sát là một sensor đặc biệt, có khả năng nhận biết và xử lý hình ảnh của 
đối tượng. Thiết bị quan sát được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp nói chung, song 
ứng dụng trong robot là ứng dụng đặc trưng nhất. Mặt khác xử lý ảnh cũng là một 
ROBOT CÔNG NGHIỆP 
 Page 85 
trong những lĩnh vực phát triển mạnh nhất của công nghệ thông tin hiện đại, nên thiết 
bị quan sát trên robot gắn liền với máy tính. 
 Trên hình 6.12 là một hệ thống quan sát đơn giản của robot, để nhận biết 2 vật: một vật 
cao và một vật thấp. Hệ thống có một nguồn sáng và 2 sensor thu ánh sáng. Nếu có vật 
cao trước nguồn sáng thì cả 2 sensor đều nhận được ánh sáng phản xạ. Nếu chỉ có vật 
thấp thì chỉ riêng sensor thấp nhận được. Nếu không có vật nào thì không sensor nào 
nhận được tín hiệu. “Hình ảnh” của đối tượng chỉ gồm có 2 điểm ảnh (trong kỹ thuật 
xử lý ảnh, điểm ảnh được gọi là pixel). 
 Tín hiệu về đối tượng, tuy chỉ có 2 pixel nhưng cũng cần bộ phân tích, ví dụ một PLC. 
Nó được lập trình để: 
 Báo hiệu cho robot nếu có vật cao trước mặt. Vì vậy robot chỉ phải phản ứng khi gặp 
vật cao. 
 Nổi hiệu lệnh cho người nếu chỉ có vật thấp trước mặt. Như vậy người chỉ phải phản 
ứng nếu gặp vật thấp. 
 Gọi hệ thống trên là “thiết bị quan sát” có thể là hơi lạm dụng từ này và hệ thống như 
vậy có lẽ không tồn tại trên thực tế, nhưng nó cho một hình dung ban đầu về thiết bị 
quan sát. 
 Thiết bị quan sát thật sự cũng có các bộ phận cơ bản như hệ thống ví dụ ở trên. Đó là 
hệ thống đơn giản để nhận dạng chi tiết. Nó có khả năng phân biệt các chi tiết trong 
trường quan sát của mình. 
- Hệ thống nhận dạng nói trên gồm có: 
 Nguồn sáng, tia sáng do nó phát ra sẽ bị phản xạ bởi vật và được thu bởi 
 Camera, biến đổi quang năng thành điện năng, cung cấp cho 
 Bộ thu ảnh (Framegrabber), gồm mạch điện tử và phần mềm để phân tích tín hiệu 
thành các pixel và biểu diễn chúng dưới dạng mã nhị phân. Sơ đồ phân bố các điểm 
ảnh gọi là bitmap. Sơ đồ này sẽ được chuyển tới 
 Máy tính để lưu trữ và xử lý tiếp. máy tính sẽ so sánh sơ đồ điểm ảnh của vật với sơ đồ 
điểm ảnh chuẩn (gọi là template) trong thư viện để xem vật thuộc loại nào. Máy tính sẽ 
chỉ cho robot biết chi tiết nó đang nhìn thấy là chi tiết nào, thông qua 
 Giao diện đầu ra. Nó chuyển tín hiệu từ hệ thống nhận dạng cho bộ điều khiển robot. 
Ví dụ, một mã “H” (nếu chi tiết là hộp), mã “C” (nếu chi tiết là cờ lê) sẽ được truyền 
theo giao diện chuẩn RS 232. 
- Thiết bị nhận dạng càng chính xác nếu có số điểm ảnh trên một đơn vị diện tích ảnh (nghĩa 
là phân giải) càng lớn. Đơn vị chuẩn của độ phân giải là dpi (dots per inch). Màn hình máy 
tính có độ phân giải cỡ 100 dpi, còn máy in laser thườnh có độ phân giải cao hơn (cỡ 300 
dpi trở lên). Độ phân giải của ảnh càng lớn thì tốc độ xử lý và dung lượng bộ nhớ của máy 
tính càng phải cao. Khả năng nhận dạng chính xác của thiết bị quan sát cần cho những 
trường hợp sau: 
 Phân biệt các chi tiết khá giống nhau 
 Phân biệt các sản phẩm tốt và phế phẩm 
 Sử dụng màu sắc để nhận dạng đối tượng 
ROBOT CÔNG NGHIỆP 
 Page 86 
 Đo kích thước của chi tiết 
 Nhận biết vật cản để tránh va chạm 
 Nhận biết khoảng cách và hướng của chi tiết 
 Nhận biết tốc độ và hướng chuyển động của đối tượng 
 Nhận biết đối tượng 3 chiều 
Các thiết bị nhận dạng mục tiêu của máy ném bom, nhận dạng đường cho các ô tô tự lái, 
là những ví dụ về các thiết bị quan sát hiện đại 
4.4.4. Hệ thống điều khiển. 
- Các phần trên đã trình bày về hệ thống cơ khí (xương cốt) và hệ thần kinh ngoại vi. Muốn 
điều khiển được robot cần một hệ thống thần kinh trung ương, tức là não bộ. Đó là hệ thống 
điều khiển. 
4.4.4.1.Kiến trúc chức năng 
- Hệ thống điều khiển robot cần có các khả năng sau: 
- Điều khiển chuyển động của các cơ cấu cơ khí (manipulation ability); 
- Thu nhận thông tin về trạng thái của hệ thống và về môi trường công tác (sensory ability); 
- Phân tích thông tin và phản ứng trước điều kiện thực tế trong phạm vi xác định (intelligent 
behavior ability); 
- Lưu trữ, xử lý và cung cấp thông tin về hệ thống (data processing ability). 
- Muốn vậy, bộ điều khiển cần có các khối (modul) cơ bản: 
Modul cảm biến thu nhận, biến đổi, hiệu chỉnh, tổng hợp thông tin về trạng thái của hệ 
thống và về môi trường. 
Modul tổng hợp, thiết lập mô hình tổng hợp về hệ thống và môi trường trên cơ sở thông tin 
do modul cảm biến cung cấp. 
Modul ra quyết định, đưa ra phương thức hành động. Từ chiến lược hành động, lập kế 
hoạch, điều khiển hoạt động của cơ cấu để thực hiện nhiệm vụ theo tình huống cụ thể. 
Các modul trên tự động liên kết với nhau theo nhiệm vụ được quy định trong chương trình, 
có tính đến khả năng thích ứng của hệ thống trong quá tình huống cụ thể. Tuy vậy, vẫn cần 
có giao diện với người vận hành khi cần con người có thể kiểm tra, giám sát, can thiệp vào 
hệ thống. 
- Tính đến cường độ trao đổi thông tin giữa các modul với nhau và giữa hệ thống với người 
vận hành, cần có bộ nhớ chung để lưu trữ các thông tin ban đầu và thông tin cập nhật của hệ 
thống và môi trường. 
- Cấu trúc chức năng trên được phân cấp theo thứ bậc. Cấu trúc bậc thấp liên quan đến các 
dịch chuyển vật lý. Cấu trúc bậc cao gắn với chức năng phân tích logic. Các bậc liên hệ với 
nhau thông qua dòng dữ liệu. Sơ đồ trên hình 6.14 cho phép nhìn nhận tổng quan về cấu 
trúc chức năng và cấu trúc thứ bậc của hệ điều khiển robot. 
- Tuỳ theo yêu cầu đối với hoạt động của robot, các chức năng được phân cấp với mức độ 
khác nhau. Nói chung có thể phân thành 4 cấp chính: 
Cấp nhiệm vụ (task level), giải quyết các vấn đề chung về nhiệm vụ. So sánh yêu cầu đặt ra 
với khả năng chấp nhận của hệ thống, tình trạng hiện tại của hệ thống với môi trường 
Cấp chiến lược (action level), giải quyết phương thức hành động chung, ví dụ hệ tọa độ, vị 
trí của phần công tác, các điểm phải đi qua, hàm nội suy sẽ sử dụng 
Cấp kế hoạch (primitive level), thiết lập quỹ đạo, tính toán động học và động học ngược, 
phân tích tình trạng hệ chấp hành, 
ROBOT CÔNG NGHIỆP 
 Page 87 
Cấp thừa hành (servo level), liên quan đến các hoạt động cụ thể, như giải mã lệnh, nội suy, 
xử lý lỗi, giao diện với cơ cấu chấp hành. 
4.4.4.2.Môi trường lập trình 
- Đặc điểm quan trọng của robot là làm việc theo chương trình và tái lập trình được. Chương 
trình là phương tiện để ngườu sử dụng truyền đạt cho robot các nhiệm vụ mà nó phải thực 
hiện và hướng dẫn cho robot làm việc đó thế nào. Vì vậy robot cần có một môi trường lập 
trình với ngôn ngữ lập trình nhất định. Môi trường lập trình, ngoài hệ thống lệnh và hàm 
như các ngôn ngữ lập trình khác, còn phải có khả năng giám sát quá trình làm việc của 
robot và có phản ứng thích hợp. Nói cách khác, dù hệ thống được thiết kế chính xác và tỷ 
mỷ đến đâu thì cũng không lường hết được mọi yếu tố bất trắc. Chương trình phải cho phép 
robot phản ứng hợp lý trong mỗi tình huống. Nói tóm lại, môi trường lập trình robot cần có 
các yếu tố sau: 
Hệ thống điều hành trong thời gian thực. 
Mô hình hóa không gian công tác 
Điều khiển chuyển động 
Đọc và xử lý thông tin từ hệ thống sensor 
Giao diện với hệ thống vật lý 
Phát hiện và xử lý lỗi 
Phục hồi các chức năng làm việc đúng 
Cấu trúc ngôn ngữ xác định 
- Như vậy, môi trường lập trình bắt nguồn từ cấu trúc hệ điều khiển, nghĩa là có kết cấu chức 
năng và thứ bậc. 
Sự phát triển của môi trường lập trình phụ thuộc vào khoa học máy tính. Theo định hướng 
chức năng có thể nhận thấy 3 thế hệ của môi trường lập trình: lập trình kiểu làm mẫu 
(teach-in programming), lập trình định hướng robot (robot oriented programming), lập trình 
định hướng đối tượng (object oriented programming). Thế hệ sau thường bao cả chức năng 
của thế hệ trước. 
- Lập trình làm kiểu mẫu 
Đây là phương pháp lập trình đơn giản nhất. Người vận hành dùng một thiết bị đặc biệt, gọi 
là teach pendant hay trực tiếp dẫn dắt tay máy thực hiện các thao tác. Mọi thao tác sẽ được 
ghi nhớ để sau đó tay máy có thể lặp lại. Dù ngày nay ngôn ngữ lập trình đã phát triển, 
phương pháp lập trình hiện nay vẫn còn được sử dụng, ví dụ người ta mới học lập trình 
hoặc để lập trình các thao tác phức tạp, khó diễn đạt trực tiếp bằng ngôn ngữ lập trình bậc 
cao. 
- Lập trình định hướng robot 
Phương pháp này phát triển trên cơ sở kỹ thuật máy tính hiện đại. Đặc điểm cơ bản của nó 
là dùng ngôn ngữ lập trình bậc cao, có cấu trúc để mô tả các thao tác. Các yếu tố chính của 
môi trường gồm: 
Bộ soạn thảo chương trình dưới dạng text editor 
Cấu trúc biểu thị dữ liệu phức tạp 
Sử dụng các biến trạng thái 
Thực hiện các phép toán ma trận 
Sử dụng ký hiệu để biểu diễn hệ tọa độ. 
Có khả năng chuyển đổi tọa độ vật trên các khâu, khớp của tay máy 
Dùng kỹ thuật chương trình con, thủ tục, vòng lặp 
Có khả năng tính toán song song 
ROBOT CÔNG NGHIỆP 
 Page 88 
Các chức năng điều khiển logic khả trình (PLC). 
Sử dụng môi trường lập trình định hướng robot có thể tao ra các giao diện với các thiết bị 
khác trong hệ thống sản xuất. Mặt khác, không nhất thiết phải lập trình trực tiếp trên thiết bị 
mà trên một lập trình độc lập (offline programming). Một công cụ lập trình rất có hiệu quả 
là CAD/CAM, cho phép mô tả hệ thống và môi trường làm việc dưới dạng đồ họa. 
- Lập trình định hướng đối tượng: 
Lập trình hướng đối tượng cho phép thâm nhập vào cấp điều khiển cao nhất: mô hình hóa 
môi trường làm việc của robot như trong hệ thống sản xuất thực. Trong hệ thống đó robot 
chỉ là một trong những thiết bị, làm việc đồng bộ với các thiết bị khác. Đối tượng lập trình 
và mô tả là nhiệm vụ sản xuất của cả hệ thống chứ không phải chỉ riêng robot. Môi trường 
lập trình này dần dần mang các đặc tính của hệ chuyên gia và trí tuệ nhân tạo. 
4.4.4.3.Cấu trúc phần cứng 
- Thống nhất với cấu trúc chung của hệ thống điều khiển, phần cứng cũng có cấu trúc chức 
năng theo thứ bậc. Sơ đồ cấu trúc phần cứng như trong hình 
 Sơ đồ cấu trúc phần cứng của hệ điều khiển RBCN 
- Trong hệ thống này, tuỳ chức năng được hình thành nhờ bảng mạch riêng. Các bảng mạch 
được liên kết với nhau qua đường truyền (BUS) dữ liệu. Độ rộng của BUS phải đủ cho 
phép xử lý thời gian thực. 
Bản mạch (Board) hệ thống, thực chất là CPU, gồm: 
Một bộ vi xử lý với đồng xử lý toán học, 
Một EPROM cho cấu hình hệ thống, 
Một RAM riêng (local), 
Một RAM chia xẻ với các bảng mạch khác thông qua BUS 
Một số cổng nối tiếp và song song để ghép với BUS hoặc các thiết bị bên ngoài. 
Các bộ đếm, thanh ghi và đồng hồ 
Hệ thống ngắt 
Board hệ thống thực hiện các chức năng sau: 
Giao diện với các teach pendant, bàn phím, video, máy in, 
Giao diện với bộ nhớ ngoài (ổ cứng) để lưu dữ liệu và chương trình 
Giao diện với các trạm hoặc hệ điều khiển khác trong mạng cục bộ (LAN), 
ROBOT CÔNG NGHIỆP 
 Page 89 
Giao diện vào ra (I/O) với các thiết bị ngoại vi, như băng tải, nâng hạ, đo lường, ON/OFF 
sensor, 
Bộ dịch chương trình, 
Bộ điều khiển BUS. 
- Board động học thực hiện các chức năng: 
Tính toán động học của cấu trúc 
Giải các bài toán thuận, nghịch, Jacobian của động học tay máy 
Test quỹ đạo 
Giải quyết vấn đề liên kết động học thừa. 
Board động lực học giải quyết bài toán ngược của động lực học tay máy. 
- Servo board có các chức năng: 
Nội suy quỹ đạo 
Thực hiện các thuật toán điều khiển 
Chuyển đổi số - tương tự và giai diện với các bộ khuếch đại công suất 
Xử lý các thông tin về vị trí và vận tốc 
Ngắt chuyển động khi có sự cố. 
- Các board khác có chức năng xử lý thông tin từ các servo tương ứng. 
- Mặc dù các board đều truyền dữ liệu qua BUS, tốc độ trao đổi dữ liệu của chúng không cần 
giống nhau. Các thông tin hệ thống cung cấp cho các servo board cần cập nhập nhanh nhất 
có thể được, nên tốc độ trao đổicủa chúng rất cao (100 – 1000) Hz. Board động học và động 
lực học chỉ thực hiện các phép tính không trực tiếp tham gia điều khiển hệ thống nên trao 
đổi thông tin ở tần số thấp hơn (10 - 100) Hz. Vision board còn trao đổi dữ liệu với tần số 
thấp hơn nữa (1 - 10) Hz. Việc các board trao đổi dữ liệu với tốc độ khác nhau giúp phòng 
ngừa tình trạng nghẽn kênh dữ liệu. 
- Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển robot không thể tách rời sự phát triển của công nghệ 
thông tin. Bản thân bộ điều khiển robot là một máy trính chuyên dùng, bên cạnh những 
nguyên tắc chung có những đặc điểm riêng trong cấu tạo và hoạt động. 
- Bộ xử lý trung tâm 
Máy tính đã gây nên sự phát triển đáng kể của kỹ thuật điều khiển robot. Các bộ vi xử lý 
(VXL) 8 bit như Motorola 6800 hoặc Zilog Z-80 đã từng được sử dụng phổ biến trong điều 
khiển robot. Ngày nay, phần lớn robot đã dùng VXL 16 bit, với co-processor để tăng khả 
năng tính toán. Thông dụng nhất là các bộ VXL Intel 8086, 8088. Ngoài tăng đáng kể tốc 
độ xử lý, chúng còn có khr năng mở rộng bộ nhở địa chỉ, cho phép điều khiển tốt hơn vận 
tốc và gia tốc của phần công tác và mở rộng tiện ích lập trình. Một số robot hịên đại đã 
dùng bộ VXL 32 bit. Chúng rất thích hợp với điều khiển quỹ đạo liên tục. 
- Thiết bị vào/ra 
Thiết bị vào/ra của robot (hình 6.19) phục vụ cho nhiệm vụ điều khiển, nghĩa là giao diện 
giữa máy tính với các thiết bị bên ngoài: 
Thiết bị điều khiển các trục, điều khiển nguồn động lực cung cấp cho các trục để thi hành 
các nhiệm vụ của robot. Máy tính điều khiển hệ thống chấp hành thông qua các thiết bị này. 
Chúng có thể là các servo drive, inverter,Chúng có thể bao gồm cả bộ chuyển đổi số - 
tương tự, cho phép máy tính điều khiển động cơ một chiều. Nếu dùng hệ điều khiển servo 
thì cần thu nhận tín hiệu từ các sensor. 
Thiết bị dạy (Teach Pendants) có trên hầu hết robot. Loại đơn giản chỉ cho phép nhớ các toạ 
độ mà robot được dẫn qua để sau đó lặp lại. Loại phức tạp hơn có thể có các phím điều 
ROBOT CÔNG NGHIỆP 
 Page 90 
khiển chức năng, như chuyển động các trục, mở và đóng kẹp,và các lệnh xử lý chương 
trình, như ghi, đọc, chạy chương trình, 
Các thiết bị ngoại vi, như máy in, thiết bị lưu trữ ngoài, màn hình, 
Giao diện với hệ thống sensor, có thể là số hay tương tự tuỳ theo loại sensor và thiết bị xử 
lý. 
Giao diện với các thiết bị điều khiển khác, như PLC, máy CNC, robot và các thiết bị sản 
xuất khác, 
Mạng truyền thông cục bộ hay diện rộng. 
ROBOT CÔNG NGHIỆP 
 Page 91 
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 4 
Câu 1:Trình bày các điều kiện ràng buộc khi thiết kế quỹ đạo cho trong không gian khớp 
(chuyển động theo điểm và chuyển động theo đường)? 
Câu 2: Trình bày các điều kiện ràng buộc khi thiết kế quỹ đạo cho trong không gian làm việc? 
Câu 3: Trình bày các lược đồ điều khiển tổng quan trong không gian khớp và không gian làm 
việc?Nêu vị trí và vai trò của bài toán động học ngược trong mỗi trường hợp trên? 
Câu 4:Các thông số kỹ thuật cơ bản của một robot công nghiệp? 
Câu 5: Trình bày các nguyên tắc thiết kế chung và các bước thiết kế robot? 
Câu 6: Xây dựng các hàm thể hiện mối quan hệ giữa đại lượng vào và ra trong điều khiển động 
cơ điện và động cơ thủy lực? 
Câu 7: Trình bày nguyên lý làm việc của một số cảm biến thông dụng?