Bài giảng Kỹ thuật robot - Nguyễn Hoàng Long

Giáo viên: Nguyễn Hoàng Long
Đơn vị: Bộ môn Robot đặc biệt & CĐT, Khoa Hàng không vũ trụ
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU
ØGiới thiệu.
ØMục đích, yêu cầu, vị trí môn học
- Mục đích: Trang bị cho Học viên, Sinh viên nắm bắt được những 
kiến thức cơ bản về Robot và kỹ thuật Robot qua đó xây dựng những 
nền tảng kỹ thuật cần thiết cho hoạt động công tác sau này của các bạn 
HV,SV.
- Yêu cầu: HV,SV phải nắm bắt được các khái niệm cơ bản, các 
mảng kiến thức về cơ học, cơ khí qua đó vận dụng nghiên cứu các kết 
cấu cơ khí của tay máy, phương pháp nghiên cứu đông học và động 
lực học tay máy, các mảng kiến thức về điều khiển cũng như hiểu và 
nắm bắt được những hướng ứng dụng của Robot trong cuộc sống ngày 
nay.
- Vị trí môn học: Là một trong những môn học cơ bản nhất trong 
học thuật và nghiên cứu chuyên ngành Cơ điện tử. (cốt lõi xương 
sống của nghành). 
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU
ØPhương pháp học tập, nghiên cứu môn học
- Học và nắm bắt bài giảng kết hợp nghiên cứu giáo 
trình, tài liệu.
- Học lý thuyết kết hợp vận dụng làm bài tập, nghiên 
cứu thực hành cụ thể khi có điều kiện
ØPhương pháp đánh giá môn học
- Theo giờ lên lớp
- Theo thời hạn hoàn thành bài tập được giao
- Hình thức đánh giá khi thi: Thi vấn đáp.
Tổng quan chương trình môn học
ØLý thuyết: 36 tiết
1. Mở đầu
2. Cơ sở động học, động 
lực học vật rắn.
3. Động học thuận 
Robot công nghiệp
4. Động học ngược 
Robot công nghiệp
5. Động lực học Robot 
công nghiệp
6. Lập trình quỹ đạo
7. Điều khiển robot.
8. Hệ thống điều khiển 
Robot.
9. Cơ sở thiết kế robot.
Ø Bài tập: 09 tiết.
– Bài tập động học tay máy
– Bài tập động lực học tay máy
– Bài tập lập trình quỹ đạo
Ø Tiểu luận, bài tập lớn.
Ø Giáo trình, tài liệu tham khảo.
1. Cơ sở robot công nghiệp. Nguyễn Văn 
Khang, Chu Anh Mỳ. NXB GD năm 2011
2. Kỹ thuật Robot. Đào Văn Hiệp. NXB 
KH&KT 2003,2004.
3. Robot công nghiệp. Phạm Đăng Phước
4. Modeling and control of Robot 
manipulator. Lorenzo Sciavicco and 
Bruno Siciliano
1. Lịch sử Robotics.
— Robot là một thuật ngữ chỉ người lao công trong hệ ngôn ngữ X-la-vơ. Chẳng hạn trong 
tiếng Nga, Robota có nghĩa là lao động, công việc.
— – Năm 1921, nhà viết kịch người Séc Karl Capek đã viết vở kịch mang tên Rossum's 
Universal Robots, trong đó từ Robot là tên của một loại máy tự động đã tiêu diệt ông 
chủ và chiếm lĩnh thế giới. Loại máy này giống con người, có khả năng làm việc gấp 
đôi người, có suy nghĩ và có cảm giác. Þ1921 được coi là mốc ra đời của thuật nhữ 
Robot, mà về sau cho đến nay đã trở thành phổ biến trên khắp thế giới. 
— Năm 1926, thuật ngữ Robot lần đầu tiên lên phim ảnh tại Đức, bộ phim mang tên 
Metropolis. 
— – Năm 1939, Robot đi bộ Elutoo và chú chó Sporko đã được triển lãm tại một hội chợ 
tại New Yook.
— – Năm 1948, trước nhu cầu tự động hóa ngày một lớn của các dây chuyền sản xuất và 
lắp ráp công nghiệp, một số loại tay máy đã được nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm tại 
các phòng thí nghiệm ở Mỹ, châu Âu và một số nước khác. 
— Năm 1968, Mosher của công ty General Eletric (Mỹ) đã chế tạo Robot chân, sử dụng 
năng lượng động cơ xăng. Các chân được dẫn động nhờ các xi lanh thủy lực, điều khiển 
bằng tay. 
— – Năm 1952 chiếc máy CNC đầu tiên trên thế giới đã ra đời tại Viện công nghệ 
Massachusetts, Mỹ, theo nguyên tắc điều khiển số, hoạt động theo chương trình máy 
tính. 
2. CÁC ĐỊNH NGHĨA VỀ ROBOT VÀ ROBOT HỌC (ROBOTICS)
— Robotics:
- Asimov đặt tên cho ngành khoa học nghiên cứu về robot là Robotics, trong 
đó có 3 nguyên tắc cơ bản:
1. Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con 
người.
2. Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra. 
Các quy tắc này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất.
3. Một robot cần phải bảo vệ sự sống cuả mình, nhưng không được vi 
phạm 2 nguyên tắc trước.
Từ đó có một số định nghĩa về Robot như sau: 
— Định nghĩa 1: (McKerrow 1986) Robot là một loại máy móc cơ khí có thể 
lập trình để thực hiện một số công việc nào đó, cũng tương tự như định nghĩa 
máy tính PC là một thiết bị điện tử có thể lập trình để thực thi các nhiệm vụ 
cụ thể. 
— Định nghĩa 2:(Schlussel 1985) Robot là một tay máy đa chức năng, khả trình 
(có thể lập trình và tái lập trình) được thiết kế để vận chuyển nguyên nhiên 
vật liệu, phôi, chi tiết gia công; hoặc Robot là thiết bị đặc thù được lập trình 
chuyển động đa dạng để thực hiện các nhiệm vụ nào đó. 
2. CÁC ĐỊNH NGHĨA VỀ ROBOT VÀ ROBOT HỌC (ROBOTICS)
— Định nghĩa 3:(Ben Zion 1999) Tay máy là một cơ cấu thường ở dạng chuỗi hở, các 
khâu được nối tiếp nhau và di chuyển tương đối với nhau nhằm mục đích gắp và di 
chuyển các đối tượng theo một số bậc tự do nhất định. 
Þ Robot là một đối tượng máy móc có thể lập trình điều khiển, có chức năng 
nhiệm vụ, có thể tái lập trình, có thể được điều khiển tự động hoặc điều khiển 
bằng tay,... 
Þ Lĩnh vực khoa học, lấy đối tượng nghiên cứu là các hệ thống Robot (nghiên cứu 
thiết kế, chế tạo, điều khiển, ứng dụng robot...) được gọi là Robot học 
(Robotics). Ngắn gọn hơn, Brady (1985) đã định nghĩa Robot học là sự nối kết 
thông minh giữa tri giác và hành động (của máy móc). Hay nói ngắn gọn: 
Robotics là một ngành 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.
Robot học là một khoa học liên ngành bao gồm:
- Thiết kế, chế tạo, điều khiển và lập trình Robot
- Sử dụng Robot
- Nghiên cứu về công nghệ điều khiển, cảm biến, các thuật toán điều khiển
- Ứng dụng các công nghệ điều khiển và các thuật toán để thiết kế Robot.
3. KẾT CẤU CƠ BẢN CỦA ROBOT.
3.1. Kết cấu cơ bản của robot.
3. KẾT CẤU CƠ BẢN CỦA ROBOT.
3.1. Một số kết cấu thường gặp của robot.
3.1.1. Kết cấu song song:
3. KẾT CẤU CƠ BẢN CỦA ROBOT.
3.1. Một số kết cấu thường gặp của robot.
3.1.1. Kết cấu nối tiếp.(Tay máy)
• Tay máy kiểu tọa độ Đề các.
Tay máy kiểu tọa độ đề các, còn gọi là kiểu chữ nhật, dùng 3 khớp trượt. Vùng làm 
việc của tay máy có dạng hình hộp chữ nhật. Tay máy kiểu này có độ cứng vững 
cao, độ chính xác được đảm bảo đồng đều trong toàn bộ vùng làm việc, nhưng ít 
khéo léo. Vì vậy, tay máy kiểu đề các hay được dùng trong vận chuyển và lắp ráp.
— Tay máy kiểu tọa độ trụ
Tay máy kiểu tọa độ trụ: khớp đầu tiên: dùng khớp quay thay cho khớp trượt. Vùng 
làm việc có dạng hình trụ rỗng. Độ cứng vững cơ học của tay máy trụ tốt, thích hợp 
với tải nặng, nhưng độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi 
tầm với tăng.
— Tay máy kiểu tọa độ cầu: 
Khớp thứ hai được thay bằng khớp quay. Vùng làm việc của nó là khối cầu rỗng. Độ 
cứng vững của loại tay máy này thấp hơn 2 loại trên và độ chính xác định vị phụ 
thuộc vào tầm với. Tuy nhiên, loại này có thể nhặt được cả các vật ở dưới nền.
— SCARA:
2 khớp quay và 1 khớp trượt, có trục song song với nhau. Tay máy cứng vững hơn 
theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững theo phương được chọn. Dùng cho 
công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ, theo phương thẳng đứng. SCARA - "Selective 
Compliance Assembly robot Arm". Vùng làm việc là một phần của hình trụ rỗng.
— Tay máy kiểu tay người: 
3 khớp đều là các khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với 2 trục kia. Với kết cấu này, 
không có sự tương ứng giữa khả năng chuyển động của các khâu và số bậc tự do. Tay máy làm 
việc rất khéo léo, nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vị trí của phần công tác trong vùng 
làm việc. Vùng làm việc của tay máy kiểu này gần giống một phần khối cầu.
4. PHÂN LOẠI ROBOT.
4.1. Theo kết cấu.
- Kiểu Đề các, trụ, cầu, Scara, kiểu tay người.(như đã trình bày ở trên)
4.2. Theo hệ điều khiển.
Có hai kiểu điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín.
- Điều khiển hở
Dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén,... ) mà quãng 
đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển. Kiểu điều khiển này đơn 
giản, nhưng đạt độ chính xác thấp. 
- Điều khiển kín (hay điều khiển servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng 
độ chính xác điều khiển. Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm và
điều khiển theo đường (contour).
+ Điều khiển điểm - điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm nμy đến điểm kia 
theo đường thẳng với tốc độ cao (không làm việc). Nó chỉ làm việc tại các điểm 
dừng. Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán 
đinh, bắn đinh,...
+Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, 
với tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các robot hàn 
hồ quang, phun sơn.
4.3. Phân loại theo ứng dụng
- Robot công nghiệp: 
- Robot thám hiểm:
- Robot quân sự:
4. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ROBOT CÔNG NGHIỆP
– Lĩnh vực Robot là sự liên kết, giao thoa của nhiều ngành 
khoa học, từ Vật lý, Toán học, kỹ thuật Điện tử, kỹ thuật 
Cơ khí và Khoa học máy tính. 
4. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT ROBOT CÔNG NGHIỆP
Þ Để thiết kế, chế tạo và khai thác sử dụng Robot các hệ Robot 
giống như trên ví dụ đang xem xét chúng ta cần quan tâm đến: 
Ø Cơ học và kỹ thuật cơ khí (giải quyết các vấn đề về cơ khí của hệ Robot 
với tư cách là một loại máy móc, chẳng hạn như máy gia công).
Ø Toán học cung cấp các công cụ, thuật toán, phương pháp mô tả toán 
học... kỹ thuật tính toán xoay quanh vấn đề thiết kế Robot và ứng dụng 
Robot.
Ø Điều khiển học tập trung vào giải quyết các phương pháp, kỹ thuật 
điều khiển để Robot có thể hoạt động được theo đúng yêu cầu chức 
năng công tác.
Ø Kỹ thuật điện - điện tử tập trung vào đối tượng bộ điều khiển và hệ 
thống điện trên Robot; Tối ưu hệ thống mạch tích hợp xử lý tín hiệu, 
mạch công suất, các bộ đệm, mạch giao tiếp với tín hiệu cảm nhận, 
mạch thu phát tín hiệu từ xa,...
Ø Khoa học máy tính giải quyết các vấn đề cơ sở tính toán, lập trình xử lý 
tín hiệu điều khiển trực tiếp cho các cơ cấu dẫn động; xây dựng các 
thuật toán cho các ứng dụng Robot,
5. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP
Ø Tối ưu cấu trúc cơ khí, chú ý tới việc sử dụng vật liệu nhẹ, độ bền cao; lựa chọn 
bộ truyền có tỷ số truyền và hiệu suất lớn, tuổi thọ, độ chính xác cao để tăng độ 
chính xác điều khiển, tăng ổn định và tuổi thọ của Robot.
Ø Các bài toán cơ học: động học, động lực – điều khiển, cân bằng, dư dẫn động, 
rung, tránh va chạm,... cho các cấu trúc Robot công nghiệp truyền thống và đặc 
biệt cho các cấu trúc động học song song, cấu trúc tích hợp trên Robot di động. 
Các bài toán có kể đến yếu tố đàn hồi (chuyển vị, dao động) và khe hở (giữa các 
mối ghép, tương tác,...) là các vấn đề cũng đang được đề cập rộng khắp, nhằm 
nâng cao chất lượng điều khiển theo yêu cầu, tránh cộng hưởng, nâng cao tuổi 
thọ, độ bền cơ cấu,...
Ø Các cơ cấu dẫn động và cảm biến tín hiệu: Đáp ứng yêu cầu về kết cấu và điều 
khiển Robot, các cơ cấu dẫn động được nghiên cứu ứng dụng theo hướng tiết 
kiệm năng lượng, bền lâu, đủ công suất, gọn nhẹ. Các sensor được nghiên cứu 
phát triển sao cho đáp ứng được các yêu cầu về độ chính xác cảm nhận tín hiệu, 
tốc độ lấy mẫu, chống nhiễu,...
Ø Điều khiển thông minh: Cùng với sự phát triển và thành tựu của các lĩnh vực Trí 
tuệ nhân tạo, Thị giác máy và xử lý ảnh, xử lý âm thanh, tiếng nói,... lĩnh vực điều 
khiển thông minh trong kỹ thuật Robot đang trên đà phát triển vô cùng mạnh mẽ 
và được nhiều người quan tâm.
Bài giảng Cơ sở động học, 
động lực học vật rắn.
Giáo viên: Nguyễn Hoàng Long
Bộ môn: Robot đặc biệt và cơ điện tử.
1. Động học thuận của robot công nghiệp.
1.1 Định nghĩa các tọa độ thuần nhất.
Bài giảng: Động học thuận
Robot công nghiệp.
Giáo viên: Nguyễn Hoàng Long
Bộ môn: Robot đặc biệt và cơ điện tử.
1. So sánh hai cách thiết lập tọa độ.
2. So sánh cách thiết lập trục.
1. Trục zi-1 được chọn dọc theo hướng của trục
khớp động thứ i.
2. Trục xi-1 được chọn dọc theo đường vuông góc
chung của hai trục zi-2 và zi-1, hướng đi từ trục zi-
2 sang trục zi-1. Nếu trục zi-1 cắt trục zi-2 thì
hướng của trục xi-1 được chọn tùy ý miễn là
vuông góc với trục zi-1. Khi hai trục zi-2 và zi-1
song song với nhau, giữa hai trục này có nhiều
đường pháp tuyến chung, ta có thể chọn trục xi-1
hướng theo pháp tuyến chung nào cũng được.
3. Gốc tọa độ Oi-1được chọn tại giao điểm của
trục xi-1 và trục zi-1.
4. Trục yi-1 được chọn sao cho hệ (Oxyz)i-1 là hệ
qui chiếu thuận.
5. Đối với hệ tọa độ (Oxyz)0 theo qui ước trên ta
mới chỉ chọn được trục z0, còn trục x0 chưa có
trong qui ước trên. Ta có thể chọn trục x0 một
cách tùy ý, miễn là x0 vuông góc với z0.
6. Đối với hệ tọa độ (Oxyz)n, do không có khớp
n+1, trục xn lại được chọn theo pháp tuyến của
trục zn-1. Khi đó, nếu khớp n là khớp quay ta có
thể chọn trục zn song song với trục zn-1­. Ngoài
ra ta có thể chọn tùy ý sao cho hợp lý.
7. Khi khớp thứ i là khớp tịnh tiến: thường chọn
trục zi-1­ dọc theo trục của khớp tịnh tiến này.
1. Trục zi được chọn dọc theo trục khớp động thứ i.
2. Trục xi được chọn theo đường vuông góc chung 
của hai trục zi và zi+1, hướng từ zi tới zi+1. Nếu trục zi
cắt trục zi+1 thì hướng trục xi được chọn tùy ý. Nếu zi
// zi+1 có vô số đường vuông góc chung, trục xi được 
chọn hướng theo pháp tuyến chung nào cũng được. 
3. Gốc tọa độ Oi là giao điểm của xi và zi.
4. Trục yi được chọn sao cho {Oxyz}i là hệ qui chiếu 
thuận.
5. Đối với hệ tọa độ (Oxyz)0 theo qui ước trên ta mới 
chỉ chọn được trục z0, còn trục x0 chưa có trong qui 
ước trên. Ta có thể chọn trục x0 một cách tùy ý, miễn 
là x0 vuông góc với z0.
6. Đối với hệ tọa độ (Oxyz)n, do không có khớp n+1, 
trục xn lại được chọn theo pháp tuyến của trục zn-1.
Khi đó, nếu khớp n là khớp quay ta có thể chọn trục 
zn song song với trục zn-1­. Ngoài ra ta có thể chọn 
tùy ý sao cho hợp lý.
7. Khi khớp thứ i là khớp tịnh tiến: thường chọn trục 
zi-1­ dọc theo trục của khớp tịnh tiến này.
2. So sánh các tham số: 
Vị trí của hệ tọa độ khớp (Oxyz)i 
đối với hệ tọa độ khớp (Oxyz)i-1
được xác định bởi bốn tham số 
Denavit-Hartenberg qi­, di, ai và 
ai như sau:
- qi- :góc quay quanh trục zi-1 để 
trục xi-1 chuyển đến trục x'i (x'i // 
xi)
- di : dịch chuyển tịnh tiến dọc 
theo trục zi-1 để gốc tọa độ Oi-1
chuyển đến O'i, giao điểm của 
trục xi và trục zi-1.
- ai : dịch chuyển tịnh tiến dọc 
theo trục xi để điểm O'i chuyển 
đến điểm Oi. 
- ai : góc quay quanh trục xi sao 
cho trục z'i-1 chuyển đến trục zi.
Vị trí của hệ tọa độ khớp {Oxyz}i
đối với hệ tọa độ khớp {Oxyz}i-1 
được xác định bằng 4 tham số động 
học Craig được xác định như sau:
– αi-1 : góc quay quanh trục xi-1 để 
trục zi-1 tiến tới z’i song song với 
trục zi ( // zi)
– ai-1 : đoạn dịch chuyển tịnh tiến 
dọc trục xi-1 để gốc Oi-1 tiến O’i (O’i
là giao điểm trục xi-1 và zi)
– θi : góc quay quanh trục zi để trục 
xi-1 tiến tới x’i­ (x’i // xi)
– di : đoạn dịch chuyển tịnh tiến 
dọc trục zi­ để trục x’i tiến tới trục xi 
(hay điểm O’i tiến tới điểm Oi)
Bài tập thực hành
Bài 1. Cho cơ cấu robot phẳng 
hai khâu. 
a. Hãy thiết lập ma trận 
Denavit-Hartenberg D2 và 
phương trình xác định điểm E 
củ ... rị đặt. 
- Quá trình toán toán chuyển đổi quĩ đạo 
được thay thế bởi phép biến đổi tọa độ 
trong nội tại vòng điều khiển. 
-Tiêu tốn thời gian tính toán hơn, dẫn đến 
tần số lấy mẫu thấp hơn các bộ điều khiển 
trong không gian khớp.
4. Điều khiển lực trong kỹ thuật Robot.
4.1 Giới thiệu
-Thực tế khi hoạt động robot chịu tác động của lực tương tác với đối tượng. Như 
vậy cần phải điều khiển lực tương tác.
4.2. Liên kết tiếp xúc giữa dụng trên Robot và đối tượng công tác
Quy tắc xác định các lk tự 
nhiên:
-Tìm tất cả các hạn chế 
chuyển động tịnh tiến và 
quay theo các phương x, y, 
z.
- Tìm tất cả các khả năng 
chuyển động tịnh tiến và 
quay theo x, y, z. Sao cho 
tổng các hạn chế chuyển 
động và các khả năng di 
chuyển bằng 6. 
-Tương ứng với các khả 
năng di chuyển sẽ có các 
liên kết tự nhiên.
4.3. Điều khiển lực kết hợp vị trí.
Bộ điều khiển lực/vị trí giải quyết các vấn đề sau:
- Điều khiển vị trí tay máy theo các phương tồn 
tại liên kết lực tự nhiên.
- Điều khiển lực tay máy theo các phương tồn tại 
các liên kết vị trí tự nhiên.
- Kết hợp các mô hình điều khiển trên theo các 
phương tương ứng
4.4. Điều khiển lực hệ khối lượng - lò xo.
.e ef k x=Lực tác dụng lên môi trường
e distf mx k x f= + +&&
1
e e e distf mk f f f
-= + +&&
Sử dụng luật tách bộ điều khiển.
1' ; ;e e distf f mk f fa b a b
-= + = = +
1
e d vf f pf f e distf mk f k e k e f f
- é ù= + + + +ë û
&& &
0f vf f pf fe k e k e+ + =&& &
1
e d vf f pf f df mk f k e k e f
- é ù= + + +ë û
&& &
4.5. Điều khiển lai lực/vị trí
Bài giảng: Cơ sở thiết kế 
Robot
Giáo viên: Nguyễn Hoàng Long
Bộ môn: Robot đặc biệt và cơ điện tử.
1. Giới thiệu
-Robot là sản phẩm phức tạp, 
bao gồm cả các phần tử cơ 
khí, điện, điện tử, điều 
khiển,... Do vậy bài toán thiết 
kế Robot khá phức tạp, đòi 
hỏi tri thức và kinh nghiệm 
thiết kế liên ngành. 
-Thiết kế sản phẩm Robot là 
quá trình làm việc sáng tạo 
nhằm đưa ra toàn bộ các bản 
vẽ, thuyết minh về giải pháp 
thiết kế, sao cho dựa trên các 
bản vẽ và thuyết minh này 
người ta có thể chế tạo, lắp 
ráp hoàn chỉnh sản phẩm. 
-Thiết kế Robot là quá trình làm việc có tổ chức chặt chẽ, có 
phương pháp khoa học, nhằm đạt được kết quả thiết kế tối ưu, hiệu 
quả, đảm bảo sản phẩm hoạt động đúng các chức năng, đáp ứng tối 
đa các yêu cầu kỹ thuật, yêu cầu sử dụng, yêu cầu về tính kinh tế, 
yêu cầu về tính thẩm mỹ,
-Robot là sản phẩm tích hợp đa dạng, do vậy nhân sự thiết kế 
thường được tổ chức theo nhóm. Nhóm thiết kế phải bao gồm các 
chuyên gia đa ngành: Cơ điện tử, Cơ học, Kỹ thuật cơ khí, Kỹ thuật 
điện tử, Kỹ thuật điều khiển, Khoa học máy tính,... 
-Với đặc điểm này, khá khác biệt so với thiết kế các sản phẩm thuần 
cơ khí hoặc thuần điện tử, tin học, thiết kế Robot rất quan tâm đến 
khía cạnh tổ chức, phương pháp tiến hành các bước thiết kế, kỹ 
thuật trao đổi thông tin, ý tưởng, giải pháp thiết kế,
2. Các nguyên tắc kỹ thuật hệ thống robot
Giai đoạn thiết kế Robot Các hoạt động TK Kết quả Yếu tố then chốt
Hoạch định sản phẩm Nghiên cứu thị trường và sảnphẩm Ý tưởng sản phẩm Robot Hiệu quả và thời gian
Phân tích hệ thống Hoạch định và mô tả sản phẩm Các mô tả yêu cầu & chức
năng
Thiết kế hệ thống, thiết kế chi tiết
TK ý niệm, mô tả các chức năng
cơ bản Thỏa mãn các yêu cầu,
chức năng (khách hàng)Các khái niệm (giải pháp)
thiết kếĐánh giá TK ý niệm, thiết kế chi
tiết
Mô tả kỹ thuật (bản vẽ) Hoàn chỉnh, chính xác,đồng bộThiết kế phần cứng, phần mềm, thi
công và tích hợp Mẫu sản phẩm Hiệu quả
Hiệu chỉnh, nâng cấp TK Hiệu chỉnh, nâng cấp thiết kế
Sản phẩm thử nghiệm và
sản phẩm Robot Kinh tế và sáng tạoChế tạo thử nghiệm loạt, hiệuchỉnh TKHoàn thiện
- Hoạch định sản phẩm và phân tích hệ thống bao gồm các hoạt động từ nghiên 
cứu thị trường, đơn hàng, đối tượng sử dụng,... đến phác họa các ý tưởng ban 
đầu và phác thảo sản phẩm. Các phác họa về sản phẩm bao gồm toàn bộ dữ liệu, 
thông tin về sản phẩm trên cơ sở các nghiên cứu về nhu cầu thị trường, người sử 
dụng. Trong đó bao gồm cả các dự báo về chi phí, giá cả, thị phần và các kênh 
phân phối, thời gian và chi phí thiết kế, chế tạo sản phẩm,... Kết quả chính của 
giai đoạn này là ý tưởng và các mô tả về sản phẩm Robot
Mô hình tổng quan quá trình thiết kế Robot
2.1. Nhiệm vụ thiết kế
Nhiệm vụ thiết kế: là những mô tả về mục đích sử dụng Robot, 
về các chức năng của Robot, về các yêu cầu cụ thể của sản phẩm, về 
giá thành, về thời gian
Nhiệm vụ thiết kế còn thể hiện ở các điều kiện thiết kế cho trước 
(do đơn đặt hàng hàng qui định), chẳng hạn cho trước các cụm truyền 
động, bộ điều khiển, giải pháp tích hợp.
Ví dụ: 
Robot lắp ráp có các yêu cầu 
sau:
- Di chuyển ngang/dọc với tốc 
độ cao.
- Độ chính xác cao.
- Phát hiện được chi tiết lắp ráp, 
kiểm soát được chất lượng mối 
ghép.
- 4 ¸ 6 bậc tự do.
Robot thí nghiệm có các yêu 
cầu:
- Rẻ tiền.
- Dễ lập trình.
- Đặt được trên bàn.
- Tải trọng nhỏ.
- 3 ¸ 5 bậc tự do.
2.2. Phân tích chức năng, nhiệm vụ của Robot được thiết kế.
- Các dịch chuyển
- Các tri giác
- Các tri thức (kỹ năng và nhận 
thức)
- Chất lượng thực hiện nhiệm vụ
- Mức linh hoạt
- Năng suất
- Dụng cụ
- Đối tượng 
tác động
- Thiết bị 
ngoại vi
- Ràng buộc hình học 
(kích thước, hình 
dáng)
- Ràng buộc chức 
năng
- Ràng buộc chi phí
Phân tích nhiệm vụ của Robot
Các tính chất hình học và cơ
học của đối tượng được Robot
tác động
Các chuyển động của dụng cụ và
đối tượng (không có sensor)
Các chuyển động của dụng
cụ và đối tượng (có sensor)
- Thuộc tính bề mặt (nhám,
nhẵn, mịn, trơn,...)
- Dạng bề mặt
- Khoảng cách tương tác
- Các vật, đối tượng thành phần
- Lực, mô men tác dụng
- ...
- Lắp vào nhau
- Tháo ra
- Tránh
- Di chuyển theo
- Tiếp xúc
- Chèn vào
- Rút ra
- ...
- Di chuyển
- Đợi
- Dừng
- Tiến đến
- Gắp
- Nhả kẹp
- ...
Lượng hóa các tham số
Hình học Động học Động lực
- Các hệ tọa độ, các
quĩ đạo
- Không gian công
tác
- Bậc tự do tối
thiểu
- Hướng chuyển
động thích hợp
- Sai lệch cho phép
- Các liên kết cơ
học
- ...
- Vận tốc của các
chuyển động
- Gia tốc
- Thời gian
- Dạng chuyển động
- Các lực, mô
men
- Lực tác dụng
vào khâu công
tác
- Khối lượng các
thành phần
Lượng hóa các tham số 
Chi tiết hóa các tham số:
Tiêu chí Đặc trưng
Tải trọng
- Khối lượng, mô men quán tính của Robot và của các cụm, khối
- Các ngoại lực (mô men) tác dụng lên khâu công tác
- Các lực, mô men tác dụng lên các trục (các trục theo nghĩa các bậc 
tự do).
- Đặc trưng tải trọng (tĩnh, động, chu kỳ, ngẫu nhiên,...)
Bậc tự do
- Các khả năng dịch chuyển của khâu công tác theo yêu cầu nhiệm 
vụ.
- Số bậc tự do của các cơ cấu lắp thêm (VD: bàn quay)
Dụng cụ, đối tượng 
thao tác
- Hình dáng kích thước của đối tượng
- Loại dụng cụ (tay kẹp, mũi khoan,...)
- Tương tác (lắp ráp) với Robot
Đặc tính nhiệm vụ
- Các thay đổi trạng thái trong quá trình thao tác (chẳng hạn từ kẹp 
dao chuyển sang gia công)
- Khả năng tiếp cận đối tượng thao tác
- Các sai lệch (VD: Dung sai chi tiết gia công)
- Gá kẹp, định vị
- Vận tốc, gia tốc
Chi tiết hóa các tham số:
Tiêu Chí Đặc trưng
Độ chính xác
- Độ chính xác vị trí
- Sai số lặp lại
- Độ chính xác quĩ đạo
Điều khiển quĩ đạo
- Điều khiển điểm - điểm
- Điều khiển đường (biên dạng)
- Nội suy đồng thời
Các điều kiện môi trường
- Các tham số định lượng (tiếng ồn, rung, nhiệt độ,...)
- Các tham số không định lượng
Chỉ tiêu kinh tế
- Chi phí sản xuất, phát triển sản phẩm
- Chi phí và thời gian phân phối sản phẩm
- Chất lượng
- Năng lực sản xuất (sản lượng, hiệu quả, chu kỳ sản xuất,...)
- Dạng sản phẩm cung ứng cho khách hàng (Robot đơn chiếc, dây chuyền sản xuất có 
Robot, tổ hợp sản xuất,...)
Sửa chữa, bảo dưỡng
- Cài đặt, lắp đặt
- Lập trình (online, offline)
- Dịch vụ từ xa
- Nhiệm vụ và chu kỳ bảo dưỡng
- Khả năng đổi lẫn của các chi tiết, cụm chi tiết
Tính linh hoạt
- Khả năng tích hợp với nhóm thiết bị sản xuất hoặc CIM (tích hợp logic, tích hợp hình 
học)
- Xử lý lỗi, chẩn đoán hỏng hóc
- Phối hợp hoạt động với các thiết bị phối ghép hoặc các Robot khác
2.3. Thiết kế hệ thống và các bước thiết kế Robot
Chi tiết hóa và phân cấp dưới dạng module
Như vậy gồm các giai đoạn thiết kế sau:
-Ý niệm thiết kế
-Thiết kế và tối ưu kết cấu; các bộ phận cấu thành có để 
ý đến quan hệ với các yếu tố khác.
-Thiết kế chi tiết Robot
(I) Thiết kế ý tưởng (ý niệm) về Robot
Các bước Kết quả
- Lựa chọn cấu trúc động học - Cấu trúc động học
- Ước lượng các tham số khâu, khớp - Mô hình động học (các tham số DH chẳng hạn)
- Lựa chọn nguyên lý dẫn, truyền động - Cấu trúc các cụm dẫn động các khớp
- Lựa chọn các phần tử dẫn, truyền động - Các dữ liệu hình học, công suất, tỷ số truyền, đầu ra, đầu vào, lắp ghép,... của các phần tử được chọn.
(II) Thiết kế và tối ưu kết cấu Robot
Các bước Tiêu chí tối ưu
- Tối ưu các tham số khâu, khớp
- Số bậc tự do tối thiểu, mức linh hoạt cao, cứng vững,...
- Không gian công tác tối đa
- Tối ưu tham số động học
- Thời gian chuyển động tối thiểu
- Gia tốc các khớp tối thiểu
- Chọn động cơ, bộ truyền, ổ, khớp nối
- Mô men đủ lớn
- Độ bền, tuổi thọ cao 
- Sinh nhiệt ít
- Chọn vật liệu
- Nhẹ, tính công nghệ cao, chịu mài mòn tốt, độ cứng 
cao
- Tính kinh tế cao
- Kích thước các trục, bạc, gối đỡ,... - Tính công nghệ cao, nhẹ, ít chi tiết, cụm chi tiết, ít phải gia công chế tạo
(III) Thiết kế chi tiết Robot
Các bước Kết quả
- Thiết kế chi tiết - Các bản vẽ chi tiết
- Lắp ráp cụm - Bản vẽ lắp, bảng kê, chỉ dẫn lắp, căn chỉnh
- Thiết kế hệ thống điện, điện tử - Các bản vẽ mạch điện, sơ đồ nối dây, bảng kê linh kiện
- Xây dựng tài liệu - Hướng dẫn vận hành, chỉ dẫn cần thiết
-Thiết kế robot cần thiết phải có sự hỗ trợ của các phần mềm. Được 
chia làm các loại chính như sau:
+ Nhóm trợ giúp vẽ các bản vẽ. Hầu hết tất cả các bản vẽ hiện nay 
kể cả cơ khí, điện tử,... đều có thể thực hiện trên máy tính. Các công 
cụ này giảm phần lớn gánh nặng cho người thiết kế từ khâu biểu 
diễn các đường nét, xây dựng kích thước, lắp ráp,...
+ Nhóm trợ giúp mô hình hóa, phân tích, mô phỏng động học, động 
lực học
+ Nhóm trợ giúp phân tích độ bền và các tính toán thiết kế khác.
+ Nhóm tạo lập môi trường và trợ giúp lập trình điều khiển Robot
2.4. Đánh giá thiết kế
-Đánh giá thiết kế đóng vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế sản phẩm. 
Cần thường xuyên phân tích, đối chiếu, so sánh đánh giá các thông tin 
thường xuyên về sản phẩm từ 2 phía khách hàng và nhà sản xuất. 
-Phương pháp được dùng phổ biến: ma trận QFD(Quality Functional 
Deplayment)
-QFD là một phương pháp phát triển chất lượng thiết kế nhằm thoả mãn 
khách hàng, và hơn thế là đưa toàn bộ các nhu cầu của khách hàng vào thiết 
kế sản phẩm. QFD là phương thức bảo đảm chất lượng thiết kế trong chính 
giai đoạn thiết kế sản phẩm
Thực hiện phân tích QFD nhằm ba mục tiêu sau:
- Xem xét, sắp xếp theo mức độ ưu tiên các yêu cầu, mong muốn của khách 
hàng.
- Chuyển toàn bộ các yêu cầu, mong muốn trên vào các đặc trưng, mô tả kỹ 
thuật, chỉ tiêu kỹ thuật, yêu cầu thiết kế các cụm, khối, chi tiết.
- Chế tạo và phân phối sản phẩm, dịch vụ chất lượng, thoả mãn khách hàng.
Ma trận QFD
Quy trình thực hiện:
Bước 1: Xác định các yêu cầu về sản phẩm (đánh giá từ phía người 
sử dụng, từ phía đơn hàng).
Bước 2: Chuẩn hóa các yêu cầu.
Bước 3: Người sử dụng đánh giá trọng số của các yêu cầu (wi)
Bước 4: Người sử dụng đánh giá các sản phẩm cùng loại (cạnh 
tranh)
Bước 5: Chỉ tiêu kỹ thuật
Bước 6: Xác định hướng nâng cấp chỉ tiêu kỹ thuật
Bước 7: Xây dựng ma trận quan hệ
Bước 8: Mức độ khó khăn khi thay đổi các chỉ tiêu kỹ thuật
Bước 9: Phân tích các chỉ tiêu kỹ thuật
Bước 10: Mục tiêu cụ thể của các chỉ tiêu kỹ thuật
Bước 11: Ma trận quan hệ giữa các chỉ tiêu kỹ thuật
Bước 12: Mức quan trọng của các chỉ tiêu kỹ thuật
3. Thiết kế cấu trúc động học
Áp dụng đối với tay máy. Người ta phân biệt: cánh tay và cổ tay
-Cánh tay: là tập hợp các khâu, khớp dẫn động có nhiệm vụ trợ giúp hoặc 
di chuyển cổ tay, bàn tay hay khâu công tác;
-Cổ tay: là tập hợp các khớp giữa cánh tay và bàn tay, nhờ các khớp này 
bàn tay có thể xoay được trong không gian công tác.
Cơ cấu Robot Đề các: gồm 3 khớp tịnh tiến
-Tay máy Đề các có độ cứng vững cao, do vậy 
cấu trúc này hay được sử dụng để thiết kế các 
loại Robot gia công, chẳng hạn: tay máy cắt kim 
loại tấm bằng tia nước, tay máy cắt kim loại tấm 
dùng tia laser, ... 
-Dùng trong các nơi cần tải trọng lớn; không 
gian làm việc lớn.
-Ưu điểm: Dễ thiết kế; tính toán động học.
-Nhược điểm: Không gian công tác nằm "bên 
trong" Robot.
- Các đồ gá cho các ứng dụng thường phải đặt 
phía "trong" vùng dịch chuyển của các khớp. 
-Kích thước của Robot sẽ giới hạn kích cỡ và vị 
trí của đồ gá, cũng như tầm hoạt động của các 
sensor.
Cơ cấu Robot Articulated
- Gồm các khớp quay, giúp robot linh hoạt hơn 
và khâu công tác có thể tham gia vào vùng bị 
giới hạn, giảm thiểu ảnh hưởng của kết cấu 
đối với khâu công tác.
Cơ cấu Robot Scara
Gồm hai khớp quay có trục quay song song 
hướng theo phương thẳng đứng và một 
khớp tịnh tiến di chuyển khâu cuối lên 
xuống cũng theo phương thẳng đứng. 
-Ưu điểm: Các động cơ dẫn động các khớp 
quay có thể gá trực tiếp trên giá. 
- Có thể chế tạo các Robot có khối lượng 
không lớn, độ chính xác điều khiển cao, tốc 
độ di chuyển các khớp cao. Robot Scara 
hay được sử dụng trong lắp ráp, kiểm tra 
sản phẩm hoặc tích hợp trong các dây 
chuyền công nghiệp.
Cơ cấu Robot cầu
Cơ cấu Robot trụ
4. Tính chọn công suất dẫn động động cơ
Qui trình tính chọn động cơ:
-Mô hình hóa sơ đồ cơ cấu dựa trên mô hình vật lý. 
- Phân tích và xác định rõ yêu cầu làm việc của cơ cấu. Khâu công tác chuyển 
động với vận tốc phải đạt được là bao nhiêu, trong khoảng thời gian bao lâu. Ước 
lượng hoặc tính toán chính xác gia tốc, tải trọng, ma sát,...
- Tính toán các lực tác dụng (tải), lực ma sát, mô men quán tính của hệ.
- Tính toán mômen tối thiểu do động cơ sinh ra để thực hiện được yêu cầu làm 
việc kể trên. Nghĩa là xác định nguồn động lực tối thiểu để thắng được tải, ma sát, 
quán tính của cả hệ thống dẫn động, truyền động và công tác.
- Dựa vào đường đặc tính mô men - vận tốc góc của từng loại động cơ để chọn 
động cơ phù hợp.
Các bước tính toán cụ thể như sau:
- Tính toán mô men do ma sát gây ra: TF.
- Từ mô hình cơ hệ xác định mômen quán tính tương đương của hệ:
- Tính gần đúng gia tốc góc để hệ từ đứng yên sang trạng thái chuyển động theo 
yêu cầu:
2( 1,2,...) [ . ]iJ J i kg mS = S =
1 0 2[ / ]m s
t
w w
e
-
=
- Tính được mô men do quán tính gây ra, tác dụng lên trục động cơ, cản trở 
chuyển động của trục động cơ:
- Tính mômen tải tác dụng lên trục động cơ TL.
-Tổng mômen tính toán:
- Để đảm bảo an toàn người ta đưa vào hệ số Ks , chọn trong khoảng 1,5 đến 2, và 
mômen của động cơ phải tối thiểu là:
- Từ giá trị tính được, căn cứ vào đường đặc tính mômen - vận tốc góc của các 
động cơ, ta có thể chọn được động cơ phù hợp.
. [ . ]T J N me e S=
[ . ]T L FT T T T N me= + +
. [ . ]M S TT K T N m=