Giáo trình Robot công nghiệp - Nguyễn Thị Thu Lan

202 trang Gia Huy 20/05/2022 1420

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Robot công nghiệp - Nguyễn Thị Thu Lan", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_robot_cong_nghiep_nguyen_thi_thu_lan.pdf

Nội dung text: Giáo trình Robot công nghiệp - Nguyễn Thị Thu Lan

ỦY BAN NHÂN DÂN TP. HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG CAO ĐẲNG GIAO THÔNG VẬN TẢI  GIÁO TRÌNH NGÀNH: CN KTĐK VÀ TỰ ĐỘNG HÓA TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Chủ nhiệm: ThS. NGUYỄN THỊ THU LAN Lưu hành nội bộ, 09 / 2017
ỦY BAN NHÂN DÂN TP. HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG CAO ĐẲNG GIAO THÔNG VẬN TẢI  GIÁO TRÌNH : NGÀNH: CN KTĐK VÀ TỰ ĐỘNG HÓA TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG 1. ThS. Nguyễn Thị Thu Lan (Chủ nhiệm) 2. ThS. Nguyễn Đức Lợi 3. ThS. Lê Kim Hòa 4. ThS. Trần Ngọc Bình 5. KS. Võ Phú Cƣờng Lưu hành nội bộ, 09 / 2017
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN: Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể đƣợc phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
LỜI NÓI ĐẦU Cuốn giáo trình “ Robot công nghiệp” đƣợc biên soạn nhằm làm tài liệu chính phục vụ cho công tác dạy học của giảng viên và dùng làm tài liệu học tập dành cho sinh viên hệ cao đẳng ngành tự động hóa. Nội dung tài liệu gồm 5 chƣơng đƣợc trình bày theo đúng trình tự và mục tiêu thiết kế của chƣơng trình. Trong đó: 3 chƣơng đầu nói về cấu trúc chung của Robot và hoạt động của tay máy; 2 chƣơng cuối hƣớng dẫn sinh viên bƣớc vào con đƣờng nghiên cứu và hƣớng dẫn sinh viên tự lập trình, lắp ráp đƣợc các loại robot cơ bản. Từ việc xác định chuẩn đầu vào và chuẩn đầu ra của đối tƣợng sinh viên cao đẳng ngành tự động hóa đang theo học tại Trƣờng, sao cho đáp ứng đƣợc yêu cầu về kỹ năng nghề nghiệp, học đi đôi với hành và phù hợp với xu thế mới, nhóm đã dày công biên soạn các bài học lý thuyết sao cho các biểu thức tính toán động học vốn rất hàn lâm đƣợc đơn giản hóa. Qua đó, nhóm chỉ tập trung cập nhật về các kiến thức mới, công nghệ mới mà có tính ứng dụng cao. Không chỉ thế, nhóm còn phân tích chi tiết các bài hƣớng dẫn thực hành về chế tạo các loại robot theo cách viết từ quá trình làm việc thực tế và kinh nghiệm đã qua của bản thân, để từ đó sinh viên có khả năng tự học, tự chế tạo robot và tự tin hơn trong nghiên cứu khoa học. Có lẽ vì thế cuốn giáo trình này trình bày khá khác biệt và sát với thực tế hơn so với các cuốn giáo trình về robot có trên thị trƣờng hiện nay. Đồng thời cuốn giáo trình đƣợc biên soạn không thuần túy là lý thuyết mà lại hƣớng đến việc dạy và học tích hợp và cuối mỗi chƣơng đều có phần câu hỏi ôn tập nhằm giúp ngƣời học củng cố kiến thức và rèn luyện thêm kỹ năng. Cuốn giáo trình đƣợc biên soạn khá công phu, mỗi phần đều có lời giải thích chi tiết, hình ảnh phù hợp, tăng tính trực quan để sinh viên dễ dàng tiếp thu. Ngoài ra nhóm cũng trích một số thông tin trên internet về cuộc đời và sự nghiệp của các nhà khoa học nổi tiếng nhằm tạo kích thích tinh thần hiếu học cũng nhƣ lòng say mê nghiên cứu khoa học trong sinh viên
để từ đó Nhà trƣờng, Khoa có thể dễ dàng phát động phong trào tham gia cuộc thi Robocon do VTV tổ chức hằng năm. Việc hoàn thiện cuốn giáo trình nhƣ mong đợi, đó là điều mà nhóm biên soạn không thể nào quên lời cảm ơn sâu sắc đến công đóng góp rất lớn từ sự định hƣớng phát triển giáo dục, đẩy mạnh công tác nghiên cứu khoa học của Ban Giám hiệu nhà trƣờng, cảm ơn chân thành sự hƣớng dẫn cách trình bày, bố cục nội dung, mục tiêu đào tạo sao cho hợp lý của Phòng Đào tạo và lời cảm ơn sâu xa đến thầy Trƣởng khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử đã đôn đốc, hỗ trợ chuyên môn, cùng với các thầy cô đồng nghiệp góp ý tƣ vấn cả về nội dung lẫn hình thức. Mặc dù, nhóm biên soạn đã rất cố gắng, tận tâm nhƣng có thể vẫn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong đón nhận những ý kiến đóng góp từ phía các chuyên gia, độc giả để lần tái bản sau cuốn giáo trình hoàn thiện hơn. Chân thành cảm ơn!. TP. HỒ CHÍ MINH, ngày 29 tháng 8 năm 2017 NHÓM BIÊN SOẠN
MỤC TIÊU MÔN HỌC 1. Kiến thức: - Xác định rõ các thông số kỹ thuật, cấu trúc chung của Robot - Trình bày đƣợc cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các cánh tay ROBOT - Xác định đƣợc các yêu cầu cần thiết để chế tạo robot - Biết vận dụng kiến thức để giải thích cơ chế làm việc của các bộ điều khiển hệ thống băng chuyền, tay máy, robot 2. Kỹ năng:  Kỹ năng cứng: - Thực hiện đƣợc việc tính toán các thông số kỹ thuật, các bài toán động học thuận và nghịch cơ bản - Nhận dạng, phân biệt đƣợc các ROBOT. - Sử dụng các loại ROBOT linh hoạt, phù hợp với từng chức năng cụ thể và phạm vi ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp. - Tham khảo những hƣớng dẫn trong giáo trình, từ đó thi công đƣợc một robot với các tính năng cơ bản  Kỹ năng mềm: - Rèn luyện kỹ năng đọc hiểu tài liệu. - Rèn luyện kỹ năng làm việc nhóm, làm việc độc lập. - Rèn luyện kỹ năng thuyết trình. 3. Thái độ: - Trung thực, ham học hỏi, ý thức việc học, chủ động, tích cực. - Đam mê sáng tạo, hăng hái tự tin tham gia NCKH
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 4 MỤC TIÊU MÔN HỌC 6 Chƣơng I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT 12 1.1 Sơ lƣợc về quá trình phát triển 12 1.2 Các khái niệm về Robot 22 1.2.1 Robot: 22 1.2.2 Robotic: 25 1.2.3 IR – Industrial Robot: 26 1.3 Phân loại robot 29 1.3.1 Theo không gian làm việc: 29 1.3.2 Phân loại theo thế hệ 32 1.3.3 Phân loại theo bộ điều khiển 36 1.3.4 Phân loại robot theo nguồn dẫn động 37 1.3.5 phân theo tính năng robot: 40 1.4 Ứng dụng Robot. 42 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG I 53 Chƣơng II: CẤU TRÚC CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP. 55 2.1 Sơ đồ khối cấu trúc Robot 55 2.2 Cấu trúc tay máy. 61 2.2.1. Bậc tự do của tay máy 63 2.2.2 Tay máy toạ độ vuông góc 67
2.2.3- Tay máy toạ độ trụ 68 2.2.4- Tay máy toạ độ cầu 70 2.1.5- Tay máy toàn khớp bản lề và SCARA 70 2.1.6 Cổ tay máy 71 2.1.7 Các chế độ hoạt động của tay máy và robot công nghiệp 73 2.2 Hệ thống truyền dẫn động. 74 2.2.1 Hệ truyền động điều khiển bằng điện 74 2.2.2 Hệ truyền động điều khiển bằng thủy lực 78 2.2.3 Hệ truyền động khí nén 81 2.4 Hệ thống điều khiển. 83 2.5 Tay gắp Robot. 85 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG II 87 Chƣơng III: MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT. 90 3.1.Hệ tọa độ và quỹ đạo 90 3.1.1 Hệ trục tọa độ 90 3.1.2 Quỹ đạo: 96 3.2 Phƣơng trình động học Robot. 98 3.3. Chuyển động Robot. 105 3.3.1 Robot di chuyển dùng bánh xe 105 3.3.2 Robot di chuyển dùng bánh xích 106 3.3.3 Robot di chuyển dùng chân 107 3.3.4 Robot bay 109
3.3.5 Robot Lặn/tàu/thuyền 109 3.3.6 Robot lai 110 3.3.7 Cánh tay & gắp 111 3.4 Động lực học Robot. 111 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG III 115 Chƣơng IV: HƢỚNG DẪN CHẾ TẠO ROBOT 119 4.1 Lựa chọn loại Robot thiết kế. 119 4.2 Xác định bộ truyền động hợp lý 120 4.3 Tìm hiểu vi điều khiển 123 4.4 Chọn bộ điều khiển động cơ 125 4.4.1 Mạch Cầu H (H- Brigde) 125 4.4.2 Mạch điều chế độ rộng xung PWM (pulse width modulation) 127 4.5 Chọn phƣơng thức điều khiển robot 130 4.6 Sử dụng cảm biến 130 4.7 Sử dụng công cụ phù hợp 131 4.7.1 Đồng hồ đo, thiết bị đo: 131 4.7.2 Thiết bị hàn: 132 4.7.3 Bộ hút chì: 132 4.7.4 Bút thử điện: 133 4.7.5 Máy khoan chân linh kiện 133 4.7.6 Máy khò chân IC 135 4.7.7 Kềm điện 135
4.7.8 Súng bắn keo 136 4.8 Lắp ráp robot 137 4.9 Lập trình Robot. 138 4.10 Kiểm tra chức năng 138 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG IV 140 Chƣơng V: GIỚI THIỆU MỘT SỐ ROBOT ĐƠN GIẢN 142 5.1 Robot dò đƣờng 142 5.1.1 Thế nào là robot dò đƣờng? 142 5.1.2 Cấu trúc chung cho một robot dò đƣờng đơn giản 144 5.1.3 Cơ chế hoạt động của robot dò đƣờng 148 5.1.4 Hƣớng dẫn thi công robot dò đƣờng 150 5.1.5 Tiến hành lắp ráp 153 5.1.6 Lập trình cho robot dò đƣờng 155 5.2 Robot điều khiển từ xa 165 5.2.1 Wifi: 166 5.2.2 Bluetooth 182 5.2.3 Sóng RF 183 5.3 Cánh tay robot 184 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG V 199 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 201 TÀI LIỆU THAM KHẢO 202
Chƣơng I: Tổng quan về Robot  Mục tiêu - Trình bày đƣợc các giai đoạn phát triển về Robot - Phát biểu đƣợc các quan niệm về ROBOT - Trình bày đƣợc các cách phân loại Robot theo từng phần - Nêu lên đƣợc vai trò và ứng dụng của Robot trong thực tiễn - Về thái độ: hứng thú, động lực say mê học tập  Nội dung Trong chƣơng 1 sẽ giới thiệu về tình hình phát triển robot trong lĩnh vực công nghiệp trải qua 4 thời kỳ và hiện nay là thời kỳ 4.0 nhờ công nghệ IoT (Internet Of Things) nhờ đó có thể kết nối mọi vật lại với nhau ở mọi lúc mọi nơi thông qua phƣơng thức Internet. Cuốn giáo trình này trình bày chƣơng 1 về các khái niệm về Robot, cách phân loại robot và cho biết tầm quan trọng của robot trong nhiều lĩnh vực: công nghiệp, dân dụng, quân sự, y tế, giải trí, với những ví dụ liên quan thực tế nhằm tạo hứng thú cho sinh viên trong quá trình học tập và nghiên cứu. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 11
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Chƣơng I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT. 1.1 Sơ lƣợc về quá trình phát triển Trở về lịch sử của quá trình phát triển ngành công nghiệp có thể thấy sự phát triển công nghiệp đã trải qua bốn giai đoạn chính, từ những máy móc đơn giản nhất cho đến những máy móc tinh vi, thông minh và phức tạp nhất. Hình 1.1: Lịch sử 4 cuộc cách mạng công nghiệp . Giai đoạn I: Diễn ra vào khoảng cuối thế kỉ 18 và đầu thế kỉ 19. Cuộc cách mạng công nghiệp bắt đầu bằng sự phát triển sản xuất hàng hóa của ngành công nghiệp dệt. Sau đó, thƣơng mại phát triển thuận lợi cho sự ra đời của kênh đào giao thông và đƣờng sắt. Động cơ hơi nƣớc đƣa đến gia tăng năng suất lao động đột biến. Sự phát triển của máy móc trong hai thập kỉ đầu của thế kỉ 19 đƣa đến sự chế tạo máy móc phục vụ cho các ngành sản xuất khác. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 12
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Hình 1.2: Động cơ hơi nƣớc và tàu hỏa dùng hơi nƣớc (Tổng hợp tư liệu từ Internet) James Watt (19 tháng 1 năm 1736 – 19 tháng 8 năm 1819) là nhà phát minh người Scotland và là một kỹ sư đã có những cải tiến cho máy hơi nước mà nhờ đó đã làm nền tảng cho cuộc Cách mạng công nghiệp. Ông đưa ra khái niệm mã lực và đơn vị SI của năng lượng watt được đặt theo tên ông. Nhà bác học James Watt Năm 1705 Niucômanh đã phát minh ra máy hơi nước Niucômanh. Watt phát hiện máy hơi nước Niucômanh tuy được dùng rộng rãi nhưng nó có rất nhiều điểm cần Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 13
Chƣơng I: Tổng quan về Robot được cải tiến vì hơi nước chưa được sử dụng triệt để. Năm 1759 bạn của Watt, John Robison, kêu gọi sự chú ý của ông đến việc sử dụng hơi nước làm nguồn động lực. Thiết kế động cơ Newcomen, được sử dụng gần 50 năm trong việc bơm nước từ các mỏ, hầu như không thay đổi từ bản đầu tiên. Watt bắt đầu thí nghiệm với hơi nước mặc dù ông chưa bao giờ thấy động cơ hơi nước hoạt động. Ông đã cố gắng xây dựng một mô hình. Nó không làm việc tốt, nhưng ông vẫn tiếp tục thí nghiệm và bắt đầu đọc tất cả mọi thứ mà ông ta có thể tìm hiểu về chủ đề này. Ông đã nhận ra tầm quan trọng của nhiệt ẩn trong việc tìm hiểu động cơ, mà ông không biết rằng bạn ông Joseph Black đã phát hiện ra vài năm trước đó. Năm 1782, ông cho ra đời chiếc máy hơi nước mới đúng như ông đã suy nghĩ: Máy tiêu hao than ít, hiệu suất làm việc cao. Thành công phát minh ra loại máy hơi nước này đã làm cho máy hơi nước Niucômanh trở nên quá lạc hậu không còn chỗ đứng chân. Máy hơi nước do Watt phát minh nhanh chóng được sử dụng rộng rãi. Tàu thuyền, tàu hỏa dùng máy móc hơi nước đua nhau ra đời, công nghiệp toàn thế giới nhanh chóng bước vào "thời đại máy hơi nƣớc". . Giai đoạn II: Bắt đầu khoảng thập kỉ 1850 và kéo dài đến đầu thập kỉ 1900. Đến cuối thế kỉ 19 nổi bật của cách mạng công nghiệp là động cơ đốt trong và máy móc sử dụng điện. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 14
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Hình 1.3: Thomas Edison, ngƣời phát minh đèn điện (Tổng hợp tư liệu từ Internet) - Năm 1820: nhà hóa học Đan Mạch Hans Christian Ørsted phát hiện ra hiện tượng điện từ. Nguyên lý chuyển đổi từ năng lượng điện sang năng lượng cơ bằng cảm ứng điện từ được nhà khoa học người Anh là Michael Faraday phát minh năm 1821. Ông công bố kết quả thí nghiệm của ông về chuyển động quay điện từ, gồm chuyển động quay của dây dẫn trong từ trường và chuyển động của nam châm quanh 1 dây dẫn Michael Faraday cha đẻ kỹ thuật động co điện Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 15
Chƣơng I: Tổng quan về Robot - Năm 1822: Peter Barlow phát triển ra bánh xe Barlow - Năm 1828: động cơ điện đầu tiên sử dụng nam châm điện cho cả rotor và stator được phát minh bởi Ányos Jedlink (nhà khoa học người Hungary), sau đó ông đã phát triển động cơ điện có công suất đủ để đẩy được một chiếc xe. - Năm 1834: Thomas Davenport chế tạo ra động cơ chỉnh lưu - Năm 1838: động cơ điện công suất 220 W được dùng cho thuyền chế tạo bởi Hermann Jacobi - Năm 1866: Werner von Siemens sáng chế ra máy phát điện Werner von Siemens Ôn lại lịch sử bóng đèn sợi đốt: Ai mới là cha đẻ thực sự của nó? Hiện nay bóng đèn sợi đốt vẫn còn được sử dụng do có nhiều ưu điểm như giá thành rẻ, tạo ra ánh sáng vàng ấm áp, đẹp mắt. Tuy nhiên bóng đèn sợi đốt có hai nhược điểm lớn đó là khá tốn điện và tuổi thọ không cao, chỉ được khoảng 1000 giờ sử dụng. Ngày nay chúng ta thường sử dụng các loại đèn khác như đèn tuýp, compact, LED nhiều hơn, do các loại đèn này tiết kiệm năng lượng hơn Trước năm 1800, con người chỉ có một cách duy nhất để tạo nguồn sáng, đó chính là lửa. Vào giữa thế kỷ 19, nhiều hộ gia đình ở Anh sử dụng khí ga để thắp sáng. Người ta đã xây dựng hệ thống ống dẫn ga đến tận nhà để thắp sáng, tuy nhiên, Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 16
Chƣơng I: Tổng quan về Robot nguồn sáng này tương đối yếu, chưa đủ nhu cầu sinh hoạt. Đặc biệt không thích hợp cho không gian rộng bên ngoài. Để thắp sáng những không gian rộng bên ngoài, thời đó người ta sử dụng đèn hồ quang điện, nhưng đèn hồ quang lại quá sáng, không thích hợp cho hộ gia đình. Chính vì vậy mà các nhà khoa học thời đó đã tìm cách sáng chế ra một loại đèn thích hợp để chiếu sáng cho các hộ gia đình. Thí nghiệm năm 1802 của nhà khoa học người Anh Humphry Davy có thể coi là khởi đầu cho những phát minh về bóng đèn sợi đốt sau này. Davy cho một dòng điện chạy qua một sợi Platin (Pt) rất mảnh, sợi Platin trở nên rất nóng và phát sáng. Tuy sợi Platin tạo ra ánh sáng khá yếu và cũng không sáng được lâu, nhưng thí nghiệm của Davy đã tạo tiền đề, là cảm hứng để nhiều nhà phát mình tiếp tục nghiên cứu và phát triển ý tưởng này. nhà khoa học người Anh Humphry Davy Sau đó có đến hơn 20 nhà khoa học từ các nước Anh, Nga, Bỉ, Pháp đều có công tham gia nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện bóng đèn sợi đốt. Nhưng đáng kể Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 17
Chƣơng I: Tổng quan về Robot nhất trong số đó phải kể đến nhà khoa học người Anh Joseph Swan. Joseph Swan Từ năm 1850, Swan đã tự thiết kế một loại bóng đèn sử dụng than chì (tương tự như ruột bút chì chúng ta dùng hiện nay) để phát sáng trong một bình thủy tinh được hút chân không. Swan dùng than chì do than chì có điện trở cao, và nhiệt độ nóng chảy cũng rất cao. Khi cho dòng điện chạy qua, cục than chì do có điện trở cao sẽ trở nên rất nóng và phát sáng, nhưng không bị đốt cháy do được đặt trong môi trường chân không, không có không khí xung quanh. Nhưng than chì có nhược điểm sẽ làm bóng đèn bị bám muội than, dần dần sẽ làm giảm độ sáng. Đến năm 1878, Swan dần phát triển và hoàn thiện loại bóng đèn của mình, ông dùng sợi bông để chế ra một loại dây tóc bóng đèn tốt hơn, cộng với kỹ thuật hút chân không ngày càng phát triển. Đến năm 1880 coi như hoàn tất, bóng đèn đã được sử dụng tương đối phổ biến ở nước Anh từ đó. Swan đã đăng ký bản quyền tại Anh, và ông cũng tự lập nên một công ty riêng, chuyên lắp đặt bóng đèn cho cả chính phủ và các gia đình có nhu cầu. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 18
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Thomas Edison Phải đến năm 1978, Edison cùng đội ngũ kỹ sư tài năng của ông mới chính thức nghiên cứu để sản xuất bóng đèn. Loại bóng đèn của Edison cùng đội ngũ kỹ sư của ông nghiên cứu và phát triển cũng tương tự như của Swan, cho dòng điện đi qua sợi dây tóc bóng đèn trong môi trường chân không để phát sáng. Edison mới đầu dùng Platin để làm dây tóc bóng đèn, nhưng không khả thi vì Platin quá đắt. Edison thử nghiệm mọi vật liệu có thể: từ tơ, da, nút bần, thậm chí cả tóc , cuối cùng cũng tìm ra vật liệu thích hợp đó chính là sợi các bon được chế ra từ thân cây tre. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 19
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Chiếc bóng đèn do Edison chế tạo Chỉ trong thời gian ngắn, đến cuối năm 1879, Edison cũng đã thành công và đăng ký bản quyền phát minh của mình ở Mỹ. Tưởng sẽ có một cuộc tranh cãi về bản quyền phát mình nhưng cuối cùng, Swan và Edison đi đến một thỏa thuận hợp tác, cùng bán bóng đèn tại Anh Quốc. Nhưng đến năm 1904, hai nhà khoa học người Hungari là Alexander Friedrich Just và Franjo Hanaman đã có cải tiến vượt bậc. Họ dùng Vonfram làm dây tóc bóng đèn, nhờ vậy mà bóng đèn sáng hơn nhiều, và có tuổi thọ cao hơn hẳn. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 20
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Sau đó vài năm, các nhà khoa học lại có sáng kiến bơm khí trơ vào bên trong bóng đèn, thay cho việc hút chân không. Việc này vừa giúp bóng đèn sáng hơn, lại làm hạn chế sự bay hơi của Vonfram làm đỡ bám vào mặt trong bóng đèn, giúp bóng đèn không bị đen. Đây chính là chiếc bóng đèn mà chúng ta vẫn đang sử dụng ngày nay. . Giai đoạn III: Bắt đầu khoảng năm 1969 khi các tiến bộ về điện tử xuất hiện. Quá trình này cơ bản hoàn thành nhở những thành tựu khoa học công nghệ cao. Năm 1997 khi cuộc khủng hoảng tài chính Á Châu nổ ra thì đồng thời cũng kết thúc gia đoạn thứ ba. Hình 1.4: Chiếc máy Macintosh đầu tiên đƣợc giới thiệu ngày 24.1.1984 . Giai đoạn IV: Bắt đầu vào đầu thế kỉ 21. Nó đƣợc hình thành trên căn bản của những công nghệ mới nhƣ ROBOT, NANO, Trí tuệ nhân tạo, Hiện tại thế giới đang ở trong giai đoạn đầu của cách mạng cộng nghiệp thứ tƣ. Đây là cơ hội quan trọng để các nƣớc đang phát triển tiến lên để theo kịp thế giới Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 21
Chƣơng I: Tổng quan về Robot hiện đại. Hình 1.5: Trí tuệ nhân tạo, máy móc sẽ sớm thay thế con ngƣời. (Theo nhóm nhà nghiên cứu tại Viện Tƣơng lai Nhân loại thuộc Đại học Oxford và Đại học Yale nhận định) 1.2 Các khái niệm về Robot Các khái niệm về robot sẽ đƣợc đề cập đến trong phần này nhƣ : Robots, IR – Industrial Robot, Robotic, Android. 1.2.1 Robot: - Vào năm 1921, từ “Robot” xuất hiện trong vở kịch “Rossum‟s Universal Robots” của nhà viết kịch viễn tƣởng ngƣời Sec, Keral Capek. Trong vở Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 22
Chƣơng I: Tổng quan về Robot kịch này, ông dùng từ “Robot”, biến thể của từ gốc “Rabota”, để gọi một thiết bị - lao công do con ngƣời (nhân vật Rossum) tạo ra. - Vào những năm 40 nhà văn viễn tƣởng Nga, Issac Asimov, mô tả robot là một chiếc máy tự động, mang diện mạo của con ngƣời, đƣợc điều khiển bằng một hệ thống thần kinh Positron, do chính con ngƣời lập trình. Và đặt ra 3 nguyên tắc cơ bản cho robot: 1. Robot không đƣợc xúc phạm con ngƣời và không gây tổn hại cho con ngƣời. 2. Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con ngƣời đặt ra. Các quy tắc này không đƣợc vi phạm nguyên tắc thứ nhất. 3. Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhƣng không đƣợc vi phạm hai nguyên tắc trƣớc. - Các nguyên tắc cơ bản trên dần trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot. Từ sự hƣ cấu của khoa học viễn tƣởng, robot dần dần đƣợc giới kỹ thuật hình dung nhƣ những chiếc máy đặc biệt, đƣợc con ngƣời phóng tác theo cấu tạo và hoạt động của chính mình, dùng để thay thế con ngƣời làm một số công việc xác định. - Để hoàn thành nhiệm vụ đó, robot cần có khả năng cảm nhận các thông số trạng thái của môi trƣờng và tiến hành các hoạt động tƣơng tự con ngƣời. - Khả năng hoạt động của robot đƣợc đảm bảo bởi hệ thống cơ khí gồm cơ cấu vận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc. Việc thiết kế và chế tạo hệ thống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu cơ khí. Chức năng cảm nhận, gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trƣờng và trạng thái của bản thân hệ thống, do các cảm biến (sensor) và các thiết bị liên quan thực hiện. Hệ thống này đƣợc gọi là hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu, hay đơn giản là hệ thống cảm biến. Muốn Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 23
Chƣơng I: Tổng quan về Robot phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot có thể tự điều chỉnh "Hành vi" của mình và hoạt động theo đúng chức năng quy định trong điều kiện môi trƣờng thay đổi, trong robot phải có hệ thống điều khiển. Xây dựng các hệ thống điều khiển thuộc phạm vi điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin. - Robot còn có những cách định nghĩa khác nhƣ sau: Tiêu chuẩn quốc tế ISO 8373 định nghĩa rô-bốt nhƣ sau: "Đó là một loại máy móc đƣợc điều khiển tự động, đƣợc lập trình sẵn, sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau, có khả năng vận động theo nhiều hơn 3 trục, có thể cố định hoặc di động tùy theo những ứng dụng của nó trong công nghiệp tự động." Joseph Engelberger, một ngƣời tiên phong trong lĩnh vực rô-bốt công nghiệp nhận xét rằng: "Tôi không thể định nghĩa rô-bốt, nhƣng tôi biết loại máy móc nào là rô-bốt khi tôi nhìn thấy nó!!". Từ điển Cambridge trực tuyến định nghĩa rô-bốt rằng: "Đó là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính". Ngƣời máy hay Rô-bốt là công cụ cơ điện tử, thủy lực, nhân tạo, ảo, thay thế con ngƣời trong công nghiệp hay môi trƣờng nguy hiểm. Rô- bốt còn là công cụ để giúp con ngƣời giải trí, tìm hiểu khoa học. - Nhật Bản hiện nay là nƣớc có số lƣợng robot dùng trong sản xuất công nghiệp nhiều nhất thế giới, khoảng hơn 70% trong tổng số chừng 300.000 robot công nghiệp trên toàn thế giới. Ngƣời Nhật có quan niệm dễ dãi hơn về robot: theo họ “robot là bất cứ thiết bị nào có thể thay thế cho lao động của con ngƣời”. Trong công nghiệp Nhật Bản, những robot hay tay máy đƣợc điều khiển bằng cam cũng đƣợc liệt vào hàng ngũ robot. Theo đó, Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 24
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Hiệp Hội robot Công nghiệp Nhật Bản (JIRA - Japan Industrial Robot Association) đã phân loại robot thành sáu hạng, từ những tay máy do con ngƣời trực tiếp điều khiển từng động tác đến những robot thông minh đƣợc trang bị trí tuệ nhân tạo (theo Schlussel, 1985). 1- Robot hoạt động nhờ ngƣời điều khiển trực tiếp từng động tác, bằng bảng điều khiển (panen). 2- Robot hoạt động theo chu trình cố định (fixed sequence robots). 3- Robot hoạt động theo chu trình thay đổi đƣợc (variable sequence robots): ngƣời điều khiển có thể dễ dàng chỉnh sửa trình tự hoạt động. 4- Robot hoạt động theo chƣơng trình và lặp lại chƣơng trình (playback robots): ngƣời điều khiển có thể lập trình cho robot trong chế độ huấn luyện (teaching mode). 5- Robot điều khiển theo chƣơng trình số (numerically controlled robots). 6- Robot thông minh intelligent robots): robot có thể hiểu, nhận biết và tƣơng tác với môi trƣờng xung quanh. - Lĩnh vực ứng dựng của robot rất rộng và ngày càng đƣợc mở rộng thêm. Ngày nay, khái niệm về robot đã mở rộng hơn khái niệm nguyên thuỷ rất nhiều. Sự phỏng tác về kết cấu, chức năng, dáng vẻ của con ngƣời là cần thiết nhƣng không còn ngự trị trong kỹ thuật robot nữa. Kết cấu của nhiều robot khác xa với kết cấu các bộ phận của cơ thể ngƣời và chúng cũng có thể thực hiện đƣợc những việc vƣợt xa khả năng của con ngƣời. 1.2.2 Robotic: - Robotics là một khoa học liên ngành, gồm cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin. Đƣợc hiểu là một ngành khoa học có nhiệm Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 25
Chƣơng I: Tổng quan về Robot vụ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các robot và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh. Hình 1.6: Việt Nam chế tạo robot trinh sát hóa học Theo thuật ngữ hiện nay, robot là sản phẩm của ngành cơ - điện tử (Mechatronics). Việc sản sinh ra robot thống nhất ở một điểm: thực hiện hoài bão của con ngƣời, là tạo ra thiết bị thay thế con ngƣời trong những công việc nhƣ: 1. Các công việc lặp đi lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc: vận chuyển nguyên vật liệu, lắp ráp, lau cọ nhà, 2. Trong môi trƣờng khắc nghiệt hoặc nguy hiểm: nhƣ ngoài khoảng không vũ trụ, trên chiến trƣờng, dƣới nƣớc sâu, trong lòng đất, nơi có phóng xạ, nhiệt độ cao, 3. Những việc đòi hỏi độ chính xác cao, nhƣ thông tắc mạch máu hoặc các ống dẫn trong cơ thể, lắp ráp các cấu tử trong vi mạch, 1.2.3 IR – Industrial Robot: - Thuật ngữ Industrial Robot (Robot công nghiệp) lần đầu xuất hiện ở Mỹ do công ty AMF(American Machine and Foundary company) quảng cáo mô tả Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 26
Chƣơng I: Tổng quan về Robot một thiết bị mang dáng dấp và có một số chức năng nhƣ tay ngƣời đƣợc - Nhƣ định nghĩa chung về robot đã nêu, không có gì giới hạn phạm vi ứng dụng robot, nhƣng hầu hết các robot hiện có đều đang đƣợc dùng trong công nghiệp. Chúng có đặc điểm riêng về kết cấu, chức năng, đã đƣợc thống nhất hóa, thƣơng mại hóa rộng rãi. - Trên hết, kỹ thuật tự động hóa (TĐH) trong công nghiệp đã đạt tới trình độ rất cao: không chỉ TĐH các quá trình vật lý mà cả các quá trình xử lý thông tin. Vì vậy, TĐH trong công nghiệp tích hợp công nghệ sản xuất, kỹ thuật điện, điện tử, kỹ thuật điều khiển tự động trong đó có TĐH nhờ máy tính. Hình 1.7: Viện nghiên cứu công nghệ Georgia (GTRI) của Mỹ - Hiện nay, trong công nghiệp tồn tại 3 dạng tự động hóa (TĐH): 1. TĐH cứng (Fixed Automation) : Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 27
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Đƣợc hình thành dƣới dạng các thiết bị hoặc dây chuyền chuyên môn hoá theo đối tƣợng (sản phẩm). Nó đƣợc ứng dụng có hiệu quả trong điều kiện sản xuất hàng khối với sản lƣợng rất lớn các sản phẩm cùng loại. 2. TĐH mềm (Proqrammable Automation) : Đƣợc ứng dụng chủ yếu trong sản xuất loạt nhỏ, loạt vừa, đáp ứng phần lớn nhu cầu sản phẩm công nghiệp. Hệ thống thiết bị dạng này là các thiết bị vạn năng điều khiển số, cho phép dễ dàng lập trình lại để có thể thay đổi chủng loại (tức là thay đổi quy trình công nghệ sản xuất) sản phẩm. 3. TĐH linh hoạt (Flexible Automation) : Là dạng phát triển của TĐH khả trình. Nó tích hợp công nghệ sản xuất với kỹ thuật điều khiển bằng máy tính, cho phép thay đổi đối tƣợng sản xuất mà không cần (hoặc hạn chế) sự can thiệp của con ngƣời. TĐH linh hoạt đƣợc biểu hiện dƣới 2 dạng: Ô sản xuất linh hoạt (Flexible Manufacturing Cell - FMC) và hệ thống sản xuất linh hoạt (Flexible Manufacturing System - FMS). 1.2.4 Android: - Về mặc định nghĩa thì nó giống nhƣ định nghĩa về robot đã nêu, nhƣng khác nhau ở chỗ Android chỉ những robot mang hình dáng con ngƣời, với đầy đủ các đặc điểm chính nhƣ tay, chân, đầu và có trí thông minh nhân tạo (A.I). Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 28
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Hình 1.8 Robot thông minh dần thay thế con ngƣời 1.3 Phân loại robot Trong công nghiệp có 4 yếu tố chính để phân loại robot nhƣ sau: (1) theo không gian làm việc, (2) theo thế hệ robot, (3) theo bộ điều khiển, (4) theo nguồn dẫn động. 1.3.1 Theo không gian làm việc: Để dịch chuyển khâu tác động cuối cùng của robot đến vị trí của đối tƣợng thao tác đƣợc cho trƣớc trong không gian làm việc cần phải có ba bậc chuyển động chuyển dời hay chuyển động định vị (thƣờng dùng khớp tịnh tiến và khớp quay loại 5). Những robot công nghiệp thực tế thƣờng không sử dụng quá bốn bậc chuyển động chuyển dời (không kể chuyển động kẹp của tay gắp) và thông thƣờng với ba bậc chuyển động định vị là đủ, rất ít khi sử dụng đến bốn bậc chuyển động định vị. Robot đƣợc phân loại theo sự phối hợp giữa ba trục chuyển Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 29
Chƣơng I: Tổng quan về Robot động cơ bản rồi sau đó đƣợc bổ sung để mở rộng thêm bậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt. Vùng giới hạn tầm hoạt động của robot đƣợc gọi là không gian làm việc. 1. Robot tọa độ vuông góc (cartesian robot): Robot loại này có ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vuông góc. Không gian làm việc của nó có dạng hình hộp chữ nhật. Cấu hình này đƣợc sử dụng khi không gian làm việc lớn hoặc khi cần sự chính xác nhất quán đƣợc mong đợi từ robot. Hình 1.9: Sơ đồ và nguyên lý robot tọa độ vuông góc 2. Robot toạ độ trụ (cylindrical robot): Robot có ba bậc chuyển động cơ bản gồm hai trục chuyển động tịnh tiến và một trục quay Hình 1.10: Sơ đồ và nguyên lý robot tọa độ trụ Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 30
Chƣơng I: Tổng quan về Robot 3. Robot toạ độ cầu (spherical robot): Robot hình cầu là một robot có hai khớp quay và một khớp lăng trụ; Nói cách khác, nó gồm có hai trục quay và một trục tuyến tính. Robot hình cầu có một cánh tay có không gian hoạt động theo tọa độ hình cầu. Hình 1.11: Sơ đồ và nguyên lý robot tọa độ cầu 4. Robot khớp bản lề (articular robot): Một robot khớp nối ( khớp bản lề) là một robot với các khớp quay. Các robot khớp nối có thể bao gồm từ cấu trúc hai khớp đơn giản đến các hệ thống có 10 khớp hoặc nhiều khớp hơn tƣơng tác với nhau. Ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba trục quay, cả kiểu robot SCARA Hình 1.12: Sơ đồ và nguyên lý robot khớp bản lề Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 31
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Hình 1.13: Hình dạng và ứng dụng của robot bản lề SCARA là viết tắt của Selective Compliance Assembly Robot Arm hoặc Selective Compliance Articulated Robot Arm. Hầu hết các robot SCARA đều dựa trên cấu trúc nối tiếp, có nghĩa là động cơ đầu tiên phải mang tất cả các động cơ khác. Kiến trúc robot SCARA đôi cánh tay, thì hai động cơ đƣợc cố định ở đáy. Hình 1.14: Hình dạng và nguyên lý robot SCADA 1.3.2 Phân loại theo thế hệ 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 chƣơng trình định trƣớc. Chƣơng trình ở đây Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 32
Chƣơng I: Tổng quan về Robot cũng có hai dạng; chƣơng trình “cứng” thì không thay đổi đƣợc nhƣ điều khiển bằng hệ thống cam và điều khiển với chƣơng trình thì có thể thay đổi theo yêu cầu công nghệ của môi trƣờng sử dụng nhờ các bảng điều khiển (panel) hoặc máy tính. Đặc điểm: o Sử dụng tổ hợp các cơ cấu cam với công tác giới hạn hành trình. o Điều khiển vòng hở. o Có thể sử dụng băng từ hoặc băng đục lỗ để đƣa chƣơng trình vào bộ điều khiển, tuy nhiên loại này không thay đổi chƣơng trình đƣợc. o Sử dụng phổ biến trong công việc gắp - đặt (pick and place). 2. Robot thể hiện thứ hai Trong trƣờng hợp này robot đƣợc trang bị các bộ cảm biến (sensors) cho phép cung cấp tín hiệu phản hồi hỗ trở lại hệ thống điều khiển về trạng thái, vị trí không gian của robot cũng nhƣ những thông tin về môi trƣờng bên ngoài nhƣ trạng thái, vị trí của đối tƣợng thao tác, của các máy công nghệ mà robot phối hợp, nhiệt độ của môi trƣờng, 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. Nói cách khác, đây cũng là robot với điều khiển theo chƣơng trình nhƣng có thể tự điều chỉnh hoạt động thích ứng với những thay đổi của môi trƣờng thao tác. Dạng robot với trình độ điều khiển này còn đƣợc gọi là robot đƣợc điều khiển thích nghi cấp thấp. Robot thế hệ này bao gồm các robot sử dụng cảm biến trong điều khiển (sensor - controlled robots) cho phép tạo đƣợc những vòng điều khiển kín kiểu servo. Đặc điểm: Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 33
Chƣơng I: Tổng quan về Robot o Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy. o Có thể tự ra quyết định lựa chọn chƣơng trình đáp ứng dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến nhờ các chƣơng trình đã đƣợc cài đặt từ trƣớc. o Hoạt động của robot có thể lập trình đƣợc nhờ các công cụ nhƣ bàn phím, pa-nen điều khiển. 3. Robot thế hệ thứ ba Đây là dạng phát triển cao nhất của robot tự cảm nhận. Các robot ở đây đƣợc trang bị những thuật toán xử lý các phản xạ logic thích nghi theo những thông tin và tác động của môi trƣờng lên chúng; nhờ đó robot tự biết phải làm gì để hoàn thành đƣợc công việc đã đƣợc 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 đƣợc đƣa ra thị trƣờng dƣới dạng những robot giải trí có hình dạng của các động vật máy. Robot thế hệ này bao gồm các robot đƣợc trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh trong điều khiển (Vision - controlled robots) cho phép nhìn thấy và nhận dạng các đối tƣợng thao tác. Đặc điểm: o Có những đặc điểm nhƣ loại trên và điều khiển hoạt động trên cơ sở xử lý thông tin thu nhận đƣợc từ hệ thống thu nhận hình ảnh (Vision systems - Camera). o Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp nhƣ phân biệt các đối tƣợng có hình dạng và kích thƣớc khá khác biệt nhau. 4. Robot thế hệ thứ tƣ Bao gồm các robot sử dụng các thuật toán và cơ chế điều khiển thích nghi (adaptively controlled robot) đƣợc trang bị bƣớc đầu khả năng lựa Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 34
Chƣơng I: Tổng quan về Robot chọn các đáp ứng tuân theo một mô hình tính toán xác định trƣớc nhằm tạo ra những ứng xử phù hợp với điều kiện của môi trƣờng thao tác. Đặc điểm : o Có những đặc điểm tƣơng tự nhƣ thế hệ thứ hai và thứ ba, có khả năng tự động lựa chọn chƣơng trình hoạt động và lập trình lại cho các hoạt động dựa trên các tín hiệu thu nhận đƣợc từ cảm biến. o Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tƣơng đối lớn để giải các bài toán tối ƣu với điều kiện biên không đƣợc xác định trƣớc. Kết quả của bài toán sẽ là một tập hợp các tín hiệu điều khiển các đáp ứng của robot. 5. Robot thế hệ thứ năm Là tập hợp những robot đƣợc trang bị trí tuệ nhân tạo (artificially intelligent robot). Hình 1.15: Robot AIBO Đặc điểm: o Robot đƣợc trang bị các kỹ thuật của trí tuệ nhân tạo nhƣ nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tƣợng qua tiếp xúc, v.v để ra quyết định và giải quyết các vấn đề hoặc nhiệm vụ đặt ra cho nó. o Robot đƣợc trang bị mạng Neuron có khả năng tự học. o Robot đƣợc trang bị các thuật toán dạng Neuron Fuzzy/Fuzzy Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 35
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Logic để tự suy nghĩ và ra quyết định cho các ứng xử tƣơng thích với những tín hiệu nhận đƣợc từ môi trƣờng theo những thuật toán tối ƣu một hay nhiều mục tiêu đồng thời. Hiện nay trong lĩnh vực giải trí, nhiều dạng robot thế hệ này đang đƣợc phát triển nhƣ robot Aibo - chú chó robot của hãng Sony hay robot đi trên hai chân và khiêu vũ đƣợc của hãng Honda. 1.3.3 Phân loại theo bộ điều khiển 1. Robot gắp - đặt: Robot này thƣờng 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. Hình 1.16: Dây chuyền robot gắp – đặt 2. Robot đƣờng 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 đƣợc lập Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 36
Chƣơng I: Tổng quan về Robot trình theo một đƣờng chính xác. Trong hệ thống điều khiển này, đƣờng dẫn đƣợc biểu điễn bằng một loạt các điểm rời rạc gần nhau và đƣợc lƣu vào bộ nhớ robot, sau đó robot sẽ thực hiện lại chính xác đƣờng dẫn đó. Hình 1.17: Robot sơn đƣờng dẫn liên tục 1.3.4 Phân loại robot theo nguồn dẫn động 1. Robot dùng nguồn cấp điện Nguồn điện cấp cho robot thƣờng là DC để điều khiển động cơ DC. Hệ thống dùng nguồn AC cũng đƣợc chuyển đổi sang DC. Các động cơ sử dụng thƣờng là động cơ bƣớc, 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. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 37
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Hình 1.18 : Robot hàn 2. Robot dùng nguồn khí nén Hệ thống cán đƣợc trang bị máy nén, bình chứa khí và động cơ kéo máy nén. Robot loại này thƣờng đƣợc 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 lƣu chất nén đƣợc nén robot loại này thƣờng sử dụng trong các thao tác gắp đặt không cần độ chính xác cao. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 38
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Hình 1.19: Robot khí nén 3. Robot dùng nguồn thuỷ lực Nguồn thuỷ lực sử dụng lƣu chất không nén đƣợc 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 cơdầu. robot loại này đƣợc sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng lớn. Hình 1.19: Robot thủy lực khổng lồ Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 39
Chƣơng I: Tổng quan về Robot 1.3.5 phân theo tính năng robot: 1. Robot di động (mobile robot): Là các robot mà trong đó nhiệm vụ chủ yếu của nó là di chuyển định vị, tìm đƣờng đi tối ƣu và vẽ lại bản đồ. Hình 1.20 : Robot di chuyển 2. Tay máy (manipulator): Là các robot hoạt động nhƣ những cánh tay con ngƣời. Động từ manipulate trong tiếng Anh nghĩa là điều khiển cánh tay. Do đó, một con robot hoạt động nhƣ một cánh tay ngƣời để cầm nắm, sắp xếp, di chuyển, tƣơng tác với đồ vật đƣợc gọi là tay máy (manipulator). Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 40
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Hình 1.21 : robot tay máy 3. Haptics (điều khiển từ xa): Có thể hiểu đó là khi con ngƣời tƣơng tác với các vật thông qua một hệ thống trung gian. Một đầu bên kia là một robot, hoặc một thiết bị nào đó, đầu còn lại, con ngƣời cằm nắm và điều khiển. Thì cái thiết bị mà con Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 41
Chƣơng I: Tổng quan về Robot ngƣời cắm nắm trực tiếp đó đƣợc gọi là Haptics Devices. Trong một hệ thống nhƣ vậy. Luôn luôn có hai thành phần, thành phần chủ master = haptics, thành phần tớ slave = robot. Hình 1.22: Robot điều khiển 1.4 Ứng dụng Robot. Ngày nay, chúng ta có thể thấy ứng dụng của robot có mặt hầu nhƣ ở mọi lĩnh vực, trong đó lĩnh vực công nghiệp chiếm đại đa số. Ngoài ra còn nhiều lĩnh vực khác nhƣ là quốc phòng, dân sinh, y tế, cũng rất đƣợc quan tâm Công nghiệp : Ứng dụng của robot trong công nghiệp đã có từ rất lâu với sự đa dạng về chủng loại cũng nhƣ công việc nhƣ nâng, kéo, thả, mang vật nặng và phân loại/ sắp xếp sản phẩm. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 42
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Hình 1.23: Robot trong dây chuyền lắp ráp ô tô Vinaxuki là công ty sản xuất ô tô đầu tiên của Việt Nam đƣa rô bốt ABB vào quá trình tự động hóa tại nhà máy ở Đông Anh và Thanh Hóa. Tại đây, các rô bốt ABB đƣợc sử dụng trong quá trình dập, cắt plasma và laser sẽ đẩy nhanh đƣợc quá trình sản xuất, mang lại những sản phẩm có chất lƣợng cao hơn theo tiêu chuẩn quốc tế Hình 1.24: Robot Handle có thể chạy, nhảy, mang vật nặng Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 43
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Ngoài ra còn có robot dùng để lắp ráp, sơn, hàn, đủ chủng loại từ lớn tới nhỏ. Hình 1.25: Robot hàn của Panasonic Khả năng: Thực hiện theo chế độ lập trình, hàn gia công chi tiết tự động. Lập trình đƣờng hàn, điều khiển Robot thực hiện quá trình hàn tự động Khả năng dịch chuyển theo 6 phƣơng tự do Hình 1.26: Robot sơn , lắp ráp Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 44
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Hình 1.27: Robot hàn bán tự động nhà máy Hyundai Thành Công. Ngày 3/12/2016 nhà máy Hyundai Thành Công chính thức giới thiệu dây chuyền Robot hàn tự động hiện đại bậc nhất của họ. Trong phân xƣởng hàn có 6 chiếc Robot hàn tự động do Hyundai Hàn Quốc cung cấp. Toàn bộ công đoạn hàn sẽ đƣợc lập trình trực tiếp từ trƣớc, sau đó Robot sẽ tự động mài sạch mỏ hàn theo chu kì 200 điểm hàn,những hoạt động của Robot đƣợc kiểm soát bằng hệ thống cảm biến xung quanh. Nếu có bất cứ sai lệch nào, Robot sẽ tự động ngừng hoạt động và báo lỗi. Với việc sử dụng Robot hàn bán tự động ngoài việc tạo đƣợc năng xuất cao, ổn định, chính xác công nghệ mới còn giúp cho xe đạt chất lƣợng, tiêu chuẩn cao hơn. Quân sự: Trong những năm gần đây, rất nhiều nƣớc đạt đƣợc những thành tựu trong lĩnh vực phát triển khoa học và công nghệ robot quân sự tối tân, ứng dụng trong quân Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 45
Chƣơng I: Tổng quan về Robot sự, tăng khả năng làm việc và tính hiệu quả trên chiến trƣờng, thu hút nhiều sự quan tâm của cả thế giới. Hình 1.28: Robot chiến đấu Gladiator của lực quân Mỹ Hệ thống camera cho phép robot quan sát 360 độ trong mọi thời điểm, hệ thống điện đàm 2 chiều và thiết bị phóng laser, phóng lựu đạn, vận chuyển đạn và hàng hóa, cấp cứu thƣơng binh, do thám và chiến đấu Đặc biệt, nghiên cứu và phát triển các hệ thống robot mô đun có thể mở rộng, bao gồm các robot điều khiển không dây, robot đa chức năng, Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 46
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Hình 1.29: Robot phát hiện và gỡ Bom Những robot này đƣợc trang bị để tối ƣu hóa các nhiệm vụ khác nhau, nhƣ: dọn dẹp, phá hủy IED, EOD; Trinh sát và phát hiện CBRNE, ISR và loại bỏ vật liệu nguy hiểm; Robot đƣợc trang bị các bộ cảm biến tiên tiến để cải thiện và bảo vệ ngƣời lính trên chiến trƣờng. Hình 1.30: Robot cứu thƣơng trong quân đội Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 47
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Y tế: Robot ngày nay có thể thực hiện một số hoạt động chuyên biệt nhƣ kiểm tra các dấu hiệu quan trọng (nhịp tim, thở, huyết áp ), chụp ảnh và thậm chí đọc hồ sơ bệnh án của bệnh nhân. Thông tin này đƣợc chuyển cho bác sĩ để đƣợc điều trị thích hợp. Hình 1.31 : Robot phẫu thuật Mirosiger Bên cạnh đó, cũng có "robot" có thể can thiệp sâu hơn vào quá trình chữa bệnh. Hình 1.32 : Robot định vị trong phẩu thuật cột sống Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 48
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Xã hội: Nhờ sự đổi mới tuyệt vời của khoa học và công nghệ sẽ làm cho robot trở thành một ngƣời bạn thân của con ngƣời trong tƣơng lai. Hình 1.32: Robot phục vụ Các nhà khoa học luôn cố gắng tạo ra những robot có thể giao tiếp với mọi ngƣời hoặc giúp mọi ngƣời trong công việc của họ. Hình 1.33 : Robot nhạc công Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 49
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Một số ứng dụng khác của Robot Dọn dẹp vệ sinh Dọn dẹp một ngôi nhà đã là việc khá mệt mỏi nhƣng hãy thử tƣởng tƣợng xem nếu bạn phải diệt sạch mọi vi khuẩn, mọi thứ còn phức tạp đến thế nào. Lúc này, chúng ta thật sự cần đến những chú robot để làm công việc vệ sinh. Trên thế giới đã xuất hiện chú robot diệt khuẩn của Công ty Xenex Disinfection Services, sử dụng tia UV để diệt sạch vi khuẩn, nấm mốc tại các bệnh viện ở miền Nam California. Vận động viên Chúng ta đã từng nhìn thấy những chú robot chạy và ném đồ vật nhƣng chúng ta chƣa từng thấy những con robot này cạnh tranh với nhau. Trên thực tế, có nhiều robot đƣợc thiết kế để trở thành các cầu thủ bóng đá nhƣng chúng có kích cỡ nhỏ và chỉ hợp để chơi đối kháng. Cũng có những chú robot đƣợc thiết kế để chơi bóng bàn và một nhóm các nhà khoa học Nhật Bản đang dạy những con robot biết bắt, đánh, chạy. Có điều các động tác đó chỉ mới đƣợc thực hiện trên nhiều robot riêng lẻ. Y tá hoặc hộ lý trong bệnh viện Y tá và hộ lý là một công việc nặng nhọc vì không chỉ chăm sóc cho nhiều bệnh nhân cùng lúc mà đôi khi còn phải di chuyển họ kèm theo giƣờng bệnh và nhiều vật dụng khác từ phòng này sang phòng khác. Hiện nay, với một robot giƣờng bệnh có thể dùng để phục vụ công tác di chuyển giƣờng bệnh. Công ty Abacus Global Technology vừa cho ra mắt sản phẩm giƣờng EPush vào đầu năm 2014 tại bệnh viên Khoo Teck Puat ở Singapore. Chiếc giƣờng này không chỉ đƣợc gắn động cơ để hỗ trợ việc di chuyển mà còn đủ thông minh để duy trì một vận tốc an toàn và điều chỉnh nếu gặp phải sự thay đổi Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 50
Chƣơng I: Tổng quan về Robot về địa hình nhƣ thảm, hoặc gạch. Ngƣời bán hàng Đã bao lần chúng ta đã gặp phải cảnh đi tìm ngƣời bán hàng để nhờ anh ta chỉ cho mình một sản phẩm đang ở đâu? Một chú robot có thể biết chính xác mọi thứ trong kho còn rõ hơn bất cứ một ngƣời bán hàng nào. Dĩ nhiên, chú robot này sẽ nhiệt tình lấy đồ giúp bạn Công ty Lowes đã cho thử nghiệm dịch vụ robot bán hàng tại cửa hàng Orchard Supply Store của mình. Chú robot này có tên gọi là OSHbot, chuyên giúp khách hàng tìm sản phẩm. Bên trong đầu chú là một bản đồ cửa hàng và bộ định vị GPS. Tại Nhật Bản, chú robot Pepper đƣợc còn đƣợc thiết kế để hiểu những gì bạn đang cảm thấy và sẵn sàng bán cho bạn một tách Nescafe. Hƣớng dẫn khách sạn Nếu bạn có dịp nghỉ chân ở khách sạn Aloft tại Cupertino, California, hãy thử gặp gỡ anh chàng robot SaviOne. Anh ta có thể giúp ích cho bạn nhƣ những nhân viên hƣớng dẫn khách sạn bình thƣờng khác mà không đòi hỏi bạn phải trả một xu tiền tip. Diễn viên Sự cạnh tranh trong làng diễn viên đã khốc liệt nay lại còn khốc liệt hơn vì các diễn viên giờ phải cạnh tranh cả với robot. Tháng 10/2014, tại Budapest, Hungary, một chú robot có tên gọi REPLIEE S1 đã kiếm đƣợc một vai diễn trong bộ phim Metamorrphosis của hãng Franz Kafka. Dĩ nhiên, REPLIEE diễn hoàn hảo vai robot của mình và thậm chí anh ta còn đƣợc khen vì đã không quên bất cứ một câu thoại nào. Dự kiến, sẽ có nhiều đạo diễn muốn hợp tác với các chú robot. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 51
Chƣơng I: Tổng quan về Robot Phi công Có rất nhiều thiết bị tự động hóa trên một chiếc máy bay. Vậy chế độ tự lái là gì nếu không phải chính là robot. Phi công vẫn thƣờng để máy bay trong chế độ tự lái mặc dù họ là những con ngƣời bằng xƣơng bằng thịt và họ ở ngay đó. Nhƣng với chú robot Phibot, máy bay sẽ không cần phải chuyển sang chế độ tự động lái nữa.Đƣợc thiết kế bởi Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc, chú robot giống ngƣời này có cả tay, chân và đầu. Nó đƣợc thiết kế để điều khiển máy bay khi bay vào khu vực nguy hiểm nhƣ nhà máy điện nguyên tử Fukishima. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 52
Chƣơng I: Tổng quan về Robot CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG I Câu 1: Trình bày các khái niệm về robot Câu 2: Trình bày các cách phân loại của robot Câu 3: Cho biết các ứng dụng của robot trong cuộc sống. Câu 4: Chứng tỏ robot đang dần dần thay thế con ngƣời. Câu 5: Robot dùng khí nén thƣờng dùng trong lĩnh vực nào? Câu 6: Robot dùng thủy lực thƣờng ứng dụng ở đâu? Câu 7. Phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của Robot là gì ? a. Cơ cấu chấp hành b. Cơ cấu truyền động c. Cảm biến d. Tay máy Câu 8: Để phát hiện vị trí của đƣờng line, Robot cần dùng loại cảm biến nào a. Thu phát hồng ngoại b. Tiệm cận điện dung c. Tiệm cận điện cảm d. Cảm biến gia tốc Câu 9: Dùng để đo đạc và duy trì phƣơng hƣớng cho Robot ta dùng a. Con quay MEMS b. Cảm biến gia tốc, vận tốc c. Cảm biến siêu âm d. Encoder Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 53
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp  Mục tiêu - Phát họa đƣợc sơ đồ khối cơ bản của một robot công nghiệp - Trình bày đƣợc chức năng của các thành phần chính trong cấu trúc tay máy Robot công nghiệp - Giải thích đƣợc NLHĐ của các thành phần trong cấu trúc tay máy - Phát biểu đƣợc các hệ thống truyền động, hệ thống điều khiển trong cấu trúc tay máy - Liệt kê đƣợc các dạng tay gắp Robot và công dụng tƣơng ứng của chúng - Thái độ: hứng thú, say mê trong nghiên cứu, học tập, ý thức tự học.  Nội dung Trong giáo trình sẽ giới thiệu về sơ đồ khối của một robot và chức năng các phần chính trong robot. Giới thiệu về cấu tạo một tay máy và các hệ thống truyền động dùng điện, thủy lực hay khí nén, liệt kê các loại tay gắp và công dụng làm việc của chúng. Thông qua đó giáo trình cũng giới thiệu về hệ thống điều khiển robot . Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 54
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp . Chƣơng II: CẤU TRÚC CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP. 2.1 Sơ đồ khối cấu trúc Robot - Về mặt truyền động và điều khiển, robot đƣợc 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 dƣới sự điều khiển của một bộ phận có cấu tạo nhƣ máy tính, còn gọi là những bộ điều khiển PC – based - Robot đƣợc xây dựng từ các thành phần cơ bản nhƣ sau: Phần công tác Đối tƣợng Truyền động tác động Cơ khí Cơ cấu Cảm biến trạng Chấp hành thái hệ thống Cảm biến giám sát môi trƣờng Điều khiển Điều khiển Điều khiển bằng tay tự động Giao diện Ngƣời dùng Hình 2.1: Cấu trúc của robot công nghiệp Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 55
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp 1. Tay máy (Manipulator) Là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tƣợng. Hình 2.2: Các loại tay máy công nghiệp 2. Hệ thống chấp hành: Dùng để tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thuỷ lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng. Chuyển động của các khớp trong tay máy đƣợc thực hiện bởi hệ thống chấp hành, nó có các bộ phận sau : nguồn điện, bộ khuếch đại công suất, động cơ, truyền động cơ Hình 2.3: Cánh tay robot truyền động điện Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 56
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp Hình 2.4: Cánh tay robot truyền động khí nén Hình 2.5: Hệ thống tay máy truyền động thủy lực trong máy xúc đào 3. Cảm biến Là thiết bị dùng để nhận giá trị của đại lƣợng vật lí cần đo và biến đổi nó thành tín hiệu mà thiết bị đo hay điều khiển có thể xử lí đƣợc. Dạng và giá Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 57
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp trị tín hiệu xuất ra của các cảm biến thƣờng đƣợc chuẩn hóa để dễ ghép nối vào các mạch xử lí tiếp theo (điện áp, dòng điện, điện trở ). Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu khác. Các hệ thống robot cần có sensor trong là để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trƣờng Hình 2.6 Module cảm biến gia tốc ADXL345 Cảm biến gia tốc MEMS có thể dùng để đo các góc nghiên Roll và Pitch của máy bay. Gia tốc kế đƣợc dùng để đo lƣờng khả năng tăng tốc của xe. Có thể sử dụng để đo độ rung trên máy móc, nhà xƣởng, hệ thống điều khiển hoặc thiết lập an toàn. Chúng cũng đƣợc dùng để đo đạc các hoạt động địa chấn, độ nghiêng, độ rung của máy, khoảng cách động hoặc tốc độ có hoặc không ảnh hƣởng của lực hấp dẫn. Dùng gia tốc kế để tạo máy đo trọng lực cũng là một trong những ứng dụng phổ biến trong kỹ thuật. Hình 2.7 Cảm biến tốc độ IR FC-03 Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 58
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp Hình 2.8 Cảm biến góc nghiêng (tilt sensor SW520) Cảm biến góc nghiêng có cấu tạo là 1 quả lắc gắn bên trong cảm biến và 2 bên là có phần nam châm hút. Nguyên lý hoạt động: Khi robot đang ở trạng thái đứng thì quả lắc bên trong sẽ nằm ở giữa cảm biến, và lúc cảm biến có dòng điện – và + để làm việc, và cung cấp ra 1 dòng điện âm tới rơle ngừng động cơ. Khi robot đã bật nguồn hoạt động nếu robot bị ngã hoặc nghiêng, quá 65 độ, thì quả lắc trong cảm biến sẽ bị hút lệch sang 1 bên, và sẽ tự động ngắt dòng điện âm(-) của rơle ngừng động cơ, khiến cho robot sẽ tự động tắt động cơ nhằm mục đích an toàn cho robot khi hoạt động .Và nếu khi robot dựng đứng trở lại thì quả lắc cũng vẫn không nhả và đóng điện lại cho rơle đƣợc, nếu muốn xe khởi động lại thì ta cần phải tắt nguồn đi và bật lại, thì robot mới có điện để khởi động lại đƣợc. Hình 2.9: Cảm biến góc nghiêng đƣợc dùng trên xe. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 59
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp Cảm biến góc nghiêng đƣợc sử dụng để điều khiển robot giữ cân bằng và bám theo vị trí ban đầu. Dùng để xác định đƣợc góc nghiêng và điều khiển hai bánh xe di chuyển về phía trƣớc. 4. Hệ thống điều khiển (Controller) Hiện nay thƣờng là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot hoặc dùng vi xử lý, vi điều khiển, PLC Hình 2.10 : Các vi điều khiển AVR 5. Phần công tác : Là bộ phận trực tiếp tác động lên đối tƣợng. Tùy theo yêu cầu làm việc của robot phần công tác có thể là tay gắp, công cụ (súng phun sơn, mỏ hàn, dao cắt, chìa vặn ốc ) Hình 2.11 : Các dạng tay gắp kẹp Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 60
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp 6. Giao diện. Phần giao tiếp giữa ngƣời dùng với hệ thống điều khiển robot Hình 2.11 : Giao diện điều khiển cánh tay robot 2.2 Cấu trúc tay máy. - Tay máy là phẩn cơ sở, quyết định khả năng làm việc của Robot công nghiệp đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian và khả năng làm việc nhƣ: nâng, hạ vật, lắp ráp, Hình 2.12 : Các thành phần cơ bản của cánh tay robot - Ý tƣởng ban đầu của việc thiết kế và chế tạo tay máy là phỏng tác cấu tạo và chức năng của tay ngƣời, về sau điều này không còn là bắt buộc nữa. Tay Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 61
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp máy hiện nay rất đa dạng và nhiều loại có dáng vẻ khác rất xa với tay ngƣời. Tuy nhiên, trong kỹ thuật robot ngƣời ta vẫn dùng các thuật ngữ quen thuộc nhƣ: vai (Shoulder), cánh tay (Arm), cổ tay (Wrist), bàn tay (Hand) và các khớp (Articulations), để chỉ tay máy và các bộ phận của nó. Hình 2.13: Cấu trúc tay máy cơ bản - Trong thiết kế cần quan tâm đến các thông số có ảnh hƣởng lớn đến khả năng làm việc của robot nhƣ: 1. Momen lực: Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay 2. Tầm với hay vùng làm việc: Kích thƣớc và hình dáng vùng mà phần làm việc có thể với tới. 3. Sự khéo léo: là khả năng định vị và định hƣớng phần công tác trong vùng làm việc Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 62
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp Hình 2.14: Cánh tay robot Mover4 - Tay máy là tập hợp các bộ phận và cơ cấu cơ khí đƣợc thiết kế để hình thành các khối có chuyển động tƣơng đối với nhau, đƣợc gọi là các khâu động. Trong đó, phần liên kết giữa các khâu động đƣợc gọi là các khớp động hay còn gọi là các trục. Tay máy cũng bao gồm cả các cơ cấu tác động là các phần tử thực sự thực hiện các chuyển động để vận hành tay máy nhƣ động cơ điện, xylanh dầu ép, xylanh khí nén, Phần quan trọng khác trên các tay máy là khâu tác động cuối (End - Effector) để thao tác trên đối tƣợng làm việc thƣờng đó là các tay gắp hoặc các đầu công cụ chuyên dùng. Vấn đề quan tâm là vị trí và vận tốc dịch chuyển của khâu cuối là khâu thể hiện kết quả tổng hợp các chuyển động của các khâu thành phần. 2.2.1. Bậc tự do của tay máy - Thông thƣờng các tay máy có trên một bậc tự do. Số bậc tự do hay bậc chuyển động của tay máy là số khả năng chuyển động độc lập của nó trong không gian hoạt động. Trong lĩnh vực robot học (robotic) ngƣời ta hay gọi mỗi khả năng chuyển động (có thể là chuyển động thẳng; dọc theo hoặc song song với một trục, hoặc chuyển động quay quanh trục) là một trục, tƣơng ứng theo đó là một toạ độ suy rộng dùng để xác định vị trí của trục Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 63
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp trong không gian hoạt động. Mỗi trục của tay máy đều có cơ cấu tác động và cảm biến vị trí đƣợc điều khiển bởi một bộ xử lý riêng. - Thông qua các khảo sát thực tế, ngƣời ta nhận thấy là để nâng cao độ linh hoạt của tay máy sử dụng trong công nghiệp, các tay máy phải có số bậc chuyển động cao. Tuy nhiên, số bậc chuyển động này không nên quá 6. Lý do chính là với 6 bậc chuyển động, nếu bố trí hợp lý, sẽ đủ để tạo ra khả năng chuyển động linh hoạt của khâu tác động cuối nhằm có thể tiếp cận đối tƣợng thao tác (nằm trong vùng không gian hoạt động của nó) theo mọi hƣớng. Hình 2.15 : Tay máy 6 bậc, 4 bậc tự do - Ngoài ra, số bậc tự do nhiều hơn 6 sẽ không kinh tế và khó điều khiển hơn. Sáu bậc chuyển động đƣợc bố trí gồm: 1. Ba bậc chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị. 2. Ba bậc chuyển động bổ sung hay chuyển động định hƣớng. . Bậc chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị - Về mặt nguyên lý cấu tạo, tay máy là một tập hợp các khâu đƣợc liên kết với Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 64
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp nhau thông qua các khớp động để hình thành một chuỗi động hở. Khớp động đƣợc sử dụng trên các tay máy thƣờng là các khớp loại 5 (khớp tịnh tiến hoặc khớp quay loại 5) để dễ chế tạo, dễ dẫn động bằng nguồn độc lập và cũng dễ điều khiển. Tay máy có số chuyển động độc lập thƣờng là từ ba trở lên (gọi là bậc tự do hay bậc chuyển động). - Các chuyển động độc lập có thể là các chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay. Mỗi khâu động trên tay máy, về nguyên tắc, có ít nhất là một khả năng chuyển động độc lập và thƣờng là một. Nhƣ vậy khái niệm bậc tự do hay bậc chuyển động cũng chính là số khả năng chuyển động độc lập mà một tay máy có thể thực hiện đƣợc. - Trƣờng hợp mỗi khâu động trên tay máy có một khả năng chuyển động độc lập, thì tay máy có bao nhiêu khâu động sẽ có bấy nhiêu bậc chuyển động và cũng có từng ấy khớp động hay trục. Các chuyển động cơ bản, hay chuyển động chính trên một tay máy là những chuyển động có ảnh hƣởng quyết định đến dạng hình học của không gian hoạt động của nó. Các chuyển động này thực hiện việc chuyển dời cổ tay của tay máy đến những vị trí khác nhau trong vùng không gian hoạt động của tay máy vì vậy còn đƣợc gọi là các chuyển động định vị. - Bên cạnh các robot tĩnh tại đƣợc sử dụng phần lớn trong công nghiệp hiện nay, các loại robot di động cũng đƣợc sử dụng trong một số trƣờng hợp đặc biệt. - Bậc chuyển động của robot di động đƣợc xác định bởi số khả năng chuyển động độc lập của nó kể cả các chuyển động di động. - Phần ngoài cùng của tay máy (khâu tác động cuối - End Effector) thƣờng có dạng của một tay gấp, một bộ phận làm việc với đối tƣợng thao tác, có thể tác động trực tiếp với đối tƣợng thao tác hoặc đƣợc thay thế bởi các dụng Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 65
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp cụcông nghệ nhƣ là ống đƣa dây hàn trên robot hàn, đầu phun sơn hoặc phun men, đầu vặn bu-lông, đai ốc trong dây truyền lắp ráp tự động, v.v Chuyển động kẹp của tay gắp không đƣợc kể khi tính bậc chuyển động bởi vì chuyển động này không ảnh hƣởng đến vị trí, toạ độ của tay máy. Để thuận tiện trong việc điều khiển, mỗi bậc chuyển động của tay máy thƣờng là có nguồn dẫn động riêng, có thểlà nguồn dẫn khí nén, dầu ép hay điện. Một số tay máy dùng chung nguồn dẫn cho một nhóm các chuyển động, tuy nhiên, kiểu dùng chung này cồng kềnh và kém linh hoạt hơn. Phần lớn các robot công nghiệp hiện đại có một tay máy. Tuy vậy trong nhiều ứng dụng cũng có robot có nhiều tay máy. Hình 2.16 : Robot nhiều tay máy phẫu thuật ung thƣ đại trực tràng . Bậc chuyển động bổ sung (bậc chuyển động định hƣớng). - Một tay máy đều yêu cầu một bộ phận công tác trang bị ở khâu tác động cuối (End Effector), có thể là một bộ gắp, kẹp hoặc súng phun sơn, phun vữa, ống dẫn dây hàn,v.v có đủ độ linh hoạt trong chuyển động để đảm bảo khả năng hoàn thành nhiệm vụ công nghệ đặt ra. Để hoàn toàn định hƣớng đến tƣ thế làm việc với đối tƣợng thao tác cũng cần tối thiểu ba bậc chuyển động, tƣơng tự nhƣ các chuyển động xoay của cố tay ngƣời; ba khớp quay loại 5 đƣợc sử dụng để xoay khâu tác động cuối trong mặt phẳng Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 66
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp ngang, mặt phẳng thẳng đứng và quay quanh trục của nó. - Các bậc chuyển động xoay cổ tay (Robot's wrist rotation) nói trên đƣợc gọi là các chuyển động định hƣớng nhằm tăng khả năng linh hoạt, giúp tay máy có thể dễ dàng định hƣớng của khâu tác động cuối đạt đến tƣ thế cần thiết để tác động lên đối tƣợng thao tác, cũng nhƣ tăng khả năng tránh chƣớng ngại vật trong không gian thao tác nhằm cải thiện tính chất động lực học của tay máy. Hình 2.17 : Phần xoay cổ tay của robot - Tuy nhiên, điều cần lƣu ý ở đây là thêm càng nhiều bậc chuyển động một mặt sẽ làm tăng khả năng linh hoạt của tay máy, mặt khác cũng kéo theo hệ quả là làm tăng thêm sai số dịch chuyển, tức là làm tăng sai số tích luỹ trong điều khiển vị trí của khâu tác động cuối. Điều này đồng nghĩa với sự gia tăng về chi phí và thời gian sản xuất và bảo dƣỡng robot. 2.2.2 Tay máy toạ độ vuông góc - Robot hoạt động trong hệ toạ độ này bao gồm ba chuyển động định vị X, Y, Z theo các trục toạ độ vuông góc. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 67
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp Hình 2.18 : Hệ thống giàn robot Cartesian - Ứng dụng chính của robot loại này là các thao tác vận chuyển vật liệu, sản phẩm, đúc, dập, chất dỡ hàng hoá, lắp ráp các chi tiết máy, v.v Ƣu điểm: Không gian làm việc lớn, có thể dài đến 20m. Loại gắn trên trần sẽ dành đƣợc diện tích sàn lớn cho các công việc khác. Hệ thống điều khiển đơn giản. Hạn chế: Việc thêm vào các loại cần trục hay các loại thiết bị vận chuyển vật liệu khác trong không gian làm việc của robot không đƣợc thích hợp lắm. Việc duy trì vị trí của các cơ cấu dẫn động và các thiết bị điều khiển điện đối với loại robot trên đều gặp nhiều trở ngại. 2.2.3- Tay máy toạ độ trụ - Tiêu biểu cho một robot hoạt động trong hệ toạ độ trụ là robot đƣợc trang bị hai chuyển động tịnh tiến và một chuyển động quay. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 68
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp Hình 2.19 : Robot hình trụ ARMC6MX28V2 Ƣu điểm: Có khả năng chuyển động ngang và sâu vào trong các máy sản xuất. Cấu trúc theo chiều dọc của máy để lại nhiều khoảng trống cho sàn. Kết cấu vững chắc, có khả năng mang tải lớn. Khả năng lặp lại tốt. Nhƣợc điểm: Nhƣợc điểm duy nhất là giới hạn tiến về phía trái và phía phải do kết cấu cơ khí và giới hạn các kích cỡ của cơ cấu tác động theo chiều ngang. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 69
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp 2.2.4- Tay máy toạ độ cầu - Robot loại này đƣợc bố trí có ít nhất hai chuyển động quay trong ba chuyển động định vị. Dạng robot này là dạng sử dụng điều khiển servo sớm nhất. Hình 2.20 : Robot tọa độ cầu Motoman GP7 2.1.5- Tay máy toàn khớp bản lề và SCARA - Loại cấu hình dễ thực hiện nhất đƣợc ứng dụng cho robot là dạng khớp nối bản lề và kế đó là dạng ba trục thẳng, gọi tắt là dạng SCARA Selective Compliance Articulated Robot Actuator). Dạng này và dạng toạ độ trụ là phổ cập nhất trong ứng dụng công nghiệp bởi vì chúng cho phép các nhà sản xuất robot sửdụng một cách trực tiếp và dễ dàng các cơ cấu tác động quay nhƣ các động cơ điện, động cơ đầu ép, khí nén. Ƣu điểm: Mặc dù chiếm diện tích làm việc ít song tầm vƣơn khá lớn. Tỷ lệ kích thƣớc/tầm vƣơn đƣợc đánh giá cao. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 70
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp Về mặt hình học, cấu hình dạng khớp nối bản lề với ba trục quay bố trí theo phƣơng thẳng đứng là dạng đơn giản và có hiệu quả nhất trong trƣờng hợp yêu cầu gắp và đặt chi tiết theo phƣơng thẳng đứng. Trong trƣờng hợp này bài toán tọa độ hoặc quỹ đạo chuyển động đối với robot chỉ cần giải quyết ở hai phƣơng x và y còn lại bằng cách phối hợp ba chuyển động quay quanh ba trục song song với trục z. Hình 2.21 : Robot M-710iC/50H 2.1.6 Cổ tay máy - Bàn tay ngƣời có 27 khúc xƣơng với 22 bậc tự do rất phức tạp. Hiển nhiên, các nhà thiết kế không bao giờ áp dụng hết các bậc tự do đó vào tay gắp của robot. Nhiều nhà nghiên cứu về khoa học phân tích thao tác cũng nhƣ các nhà sản xuất đƣa ra số bậc chuyển động tối đa hợp lý của tay máy là sáu nhƣ đã phân tích ở phần trƣớc. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 71
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp Hình 2.22 : Các góc quay quanh trục X, Y, Z - Cũng ở phần trƣớc đã trình bày, ngoài ba chuyển động cơ bản để thực hiện chuyển động định vị, tay máy sẽ đƣợc bổ sung tối đa là ba chuyển động định hƣớng dạng ba chuyển động quay quanh ba trục vuông góc, gồm: 1. Chuyển động xoay cổ tay (ROLL), góc quay ρ 2. Chuyển động gập cổ tay (PITCH), góc quay δ 3. Chuyển động lắc cổ tay (YAW), góc quay ε - Hai chuyển động gập (PITCH) và lắc cổ tay (YAW) thực hiện trên hai phƣơng vuông góc. Loại robot SCARA không cần thiết phải bổ sung các chuyển động dạng này vì điều đó sẽ phá vỡ đặc trƣng hoạt động của nó. Tuỳ theo yêu cầu của thao tác công nghệ đặt ra cho robot, ngƣời thiết kế cần thực hiện sự phối hợp đa dạng các chuyển động định vị với các chuyển động định hƣớng. - Chuyển động gấp, kẹp của khâu công tác cuối thƣờng không đƣợc tính vào bậc chuyển động (hay bậc tự do) của robot ngoại trừ trƣờng hợp tay gắp có dạng tay gắp servo đƣợc điều khiển bởi một mạch riêng trên bộ điều khiển. - Bảng dƣới đây trình bày một số khả năng phối hợp các bậc chuyển động chính (1, 2, 3) và các chuyển động định hƣớng có tính chất tham khảo. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 72
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp Bảng 2. 1: Bảng phối hợp giữa các bậc chuyển động Số bậc chuyển Số bậc chuyển Khả năng phói hợp ( Tổng số chuyển động định vị động định hƣớng động / số chuyển động định hƣớng 2 0; 1; 2; 3 2/0: 3/1: 4/2 : 5/3 3 0; 1; 2; 3 3/0: 4/1: 5/2 : 6/3 4 0; 1; 2; 3 4/0: 5/1: 6/2 : 7/3 2.1.7 Các chế độ hoạt động của tay máy và robot công nghiệp Robot công nghiệp thƣờng có hai chế độ hoạt động: 1. Chế độ huấn luyện (teaching mode) Chế độ này còn gọi là chế độ lập trình. Ở chế độ hoạt động này chƣơng trình thao tác của robot sẽ đƣợc ngƣời sử dụng “ƣớc định” bằng những bƣớc chƣơng trình; có nghĩa là, mỗi bƣớc chƣơng trình sẽ đƣợc nhập vào bộ điều khiển robot bằng những công cụ khác nhau đƣợc trang bị kèm theo nhƣpa-nen lập trình và điều khiển (teach pendant), bộ mô phỏng (simulator hoặc makette) hoặc bàn phím trong trƣờng hợp điều khiển trực tiếp bằng máy tính. Trong một số trƣờng hợp khi kích thƣớc và trọng lƣợng các khâu của tay máy khá bé, có thể sử dụng ngay cả cách thức dùng tay dắt trực tiếp các khâu của tay máy để đƣa khâu tác động cuối dịch chuyển tuần tự qua các điểm trên quỹ đạo dự kiến (kiểu lập trình „dắt mũi‟ - leadby-nose). Ở mỗi bƣớc chƣơng trình, toạ độ của các khâu sẽ đƣợc lƣu lại (insert) nhằm cho phép lập thành một tập hợp các bƣớc tuần tự (gọi là chƣơng trình) để đƣa tay gắp hay dụng cụ công nghệ gắn trên khâu tác động cuối của Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 73
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp tay máy di chuyển trên quỹ đạo dự kiến. Toàn bộ trình tự các bƣớc thao tác đó đƣợc lƣu lại trong bộ nhớ, sau đó cho tay máy hoạt động lại toàn bộ chu trình thao tác để kiểm tra. Trƣờng hợp cần điều chỉnh chƣơng trình hoạt động có thể thay đổi dữ liệu của các bƣớc chƣơng trình, chèn thêm hoặc bớt đi các bƣớc chƣơng trình cho đến khi đạt đƣợc yêu cầu về quỹ đạo và tốc độ dịch chuyển đặt ra. 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 chƣơng trình gồm các bƣớc tuần tự lƣu trong bộ nhớ đã đƣợc thiết lập trong chế độ huấn luyện, tay máy sẽ “tự động” thực hiện chƣơng trình quỹ đạo. Trong chế độ huấn luyện trong đó đƣờng đi của robot có thể đƣợc lập trình bằng bàn phím hay bằng cách dắt trực tiếp. 2.2 Hệ thống truyền dẫn động. Các hệ truyền động trong robot bao gồm 3 hệ truyền động chính: Hệ truyền động điều khiển bằng điện Hệ truyền động điều khiển bằng thủy lực Hệ truyền động điều khiển bằng khí nén 2.2.1 Hệ truyền động điều khiển bằng điện: Hệ truyền động điện trong robot là 1 tập hợp các thiết bị bao gồm thiết bị điện, điện từ, điện tử phục vụ cho việc biến đổi năng lƣợng điện thành cơ cũng nhƣ gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi điện năng đó. Trong kĩ thuật robot có thể dùng nhiều động cơ điện khác nhau Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 74
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp nhƣng thực tế có 2 loại phổ biến hơn cả là: 1. Động cơ điện 1 chiều: Động cơ điện một chiều có hai phần chính: Phần tĩnh và phần động. Có 4 loại động cơ điện một chiều thƣờng sử dụng: Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng (roto) và phần kích từ (stato) đƣợc cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ. Hình 2.23 : Sơ đồ và hình dạng motor DC kích từ Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ đƣợc mắc song song với phần ứng. Hình 2.24 : Sơ đồ và hình dạng motor DC kích từ song song Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ đƣợc Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 75
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp mắc nối tiếp với phần ứng. Hình 2.25 sơ đồ và hình dạng motor DC kích từ nối tiếp Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp: Gồm có 2 cuộn dây kích từ, một cuộn mắc song song với phần ứng và một cuộn mắc nối tiếp với phần ứng. Hình 2.26 : Sơ đồ và hình dạng motor DC kích từ hỗn hợp 2. Động cơ điện xoay chiều: Đƣợc sản xuất với nhiều kiểu và công suất khác nhau. Có thể phân ra làm 2 loại: động cơ 3 pha và 1 pha. Động cơ điện 3 pha: Từ trƣờng quay đƣợc tạo ra bằng cách cho dòng điện ba pha chạy Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 76
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp vào ba nam châm điện đặt lệch nhau trên một vòng tròn Khi mắc động cơ vào mạng điện ba pha, từ trƣờng quay do stato gây ra làm cho rôto quay trên trục. Chuyển động quay của rôto đƣợc trục máy truyền ra ngoài và đƣợc sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác. Hình 2.27 : Động cơ điện 3 pha Động cơ điện 1 pha: Dựa theo nguyên tắc của động cơ ba pha, ngƣời ta chế tạo đƣợc những động cơ một pha. Stato của loại động cơ này gồm hai cuộn dây đặt lệch nhau một góc, một dây nối thẳng với mạng điện, dây kia nối với mạng điện qua một tụ điện. Cách mắc nhƣ vậy làm cho hai dòng điện trong hai cuộn dây lệch pha nhau và tạo ra từ trƣờng quay. Động cơ một pha chỉ đạt đƣợc công suất nhỏ, trung bình Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 77
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp Hình 2.28 : Môtơ điện 1 pha 2.2.2 Hệ truyền động điều khiển bằng thủy lực Hình 2.29: Nguyên lý hoạt động dùng thủy lực Truyền động thủy lực truyền chuyển động nhờ vào áp suất hoặc động năng của dòng chất lỏng. Truyền chuyển động thủy lực đƣợc chia ra làm hai loại: 1. Hệ truyền dẫn thủy lực dạng động lực: Làm việc dựa trên việc điều khiển động năng của dòng chất lỏng. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 78
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp 2. Hệ truyền dẫn thủy lực dạng thể tích: Làm việc dựa trên việc điều khiển thế năng của dòng chất lỏng. Hay chính là lƣu lƣợng của dòng chất lƣu. Vì vậy đƣợc gọi là hệ truyền dẫn thủy khí dạng thể tích. Hình 2.30 : Hệ truyền động thủy lực dạng thể tích Các cụm và bộ phận thủy lực cơ bản: Xi lanh – pit-tông thủy lực: thƣờng đƣợc gọi là xilanh thủy lực đây còn là bộ phận tiếp nhận áp suất của dòng thủy lực để tạo ra chuyển động tịnh tiến của cản pit-tông hoặc đƣờng dẫn động tịnh tiến cán pit-tông để tạo ra dòng thủy lực. Hình 2.31 : Xi lanh thủy lực Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 79
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp Bơm thủy lực: là bộ phận tiếp nhận chuyển động quay từ động cơ đốt trong, động cơ điện hoặc từ trục trích công suất nào đó để tạo ra dòng thủy lực. Hình 2.32 : Máy bơm thủy lực Hệ truyền động thủy lực có những ƣu điểm nhƣợc điểm sau: Ƣu điểm: - Tải trọng lớn. - Quán tính bé, dễ thay đổi chuyển động. - Dễ điều khiển tự động - Tác động nhanh, an toàn ở áp suất cháy nổ. Nhƣợc điểm: - Hệ thủy lực luôn đòi hỏi bộ nguồn bao gồm thùng dầu, bơm thủy lực, thiết bị lọc, bình tích dầu, các loại van điều chỉnh, đƣờng ống làm hệ thống truyền động robot khá cồng kềnh so với truyền động khí nén và truyền động điện. - Chi phí đầu tƣ lớn. - Không thích hợp với cơ cấu quay với tốc độ nhanh. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 80
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp - Cần có đƣờng xả dầu về bể. - Chiếm chỗ trên mặt bằng. Hình 2.33 : Robot dùng máy thủy lực 2.2.3 Hệ truyền động khí nén Hệ thống truyền động khí nén: đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp lắp ráp, chế biến, đặc biệt ở những lĩnh vực cần phải đảm bảo vệ sinh, chống cháy nổ hoặc ở môi trƣờng độc hại. Ví dụ, lĩnh vực lắp ráp điện tử; chế biến thực phẩm; các khâu phân loại, đóng gói sản phẩm thuộc các dây chuyền sản xuất tự động. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 81
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp Hình 2.34 : Tay máy gắp sản phẩm bằng khí nén Các dạng truyền động sử dụng khí nén: Truyền động thẳng là ƣu thế của hệ thống khí nén do kết cấu đơn giản và linh, chúng đƣợc sử dụng nhiều trong các thiết bị gá kẹp các chi tiết khi gia công, các thiết bị đột dập, phân loại và đóng gói sản phẩm Hình 2.35 : Hệ thống nén khí thẳng Truyền động quay: trong nhiều trƣờng hợp khi yêu cầu tốc độ truyền động rất cao, công suất không lớn sẽ gọn nhẹ và tiện lợi hơn nhiều so với các dạng truyền động sử dụng các năng lƣợng khác, ví dụ các công cụ vặn ốc vít trong sửa chữa và lắp ráp chi tiết, các máy khoan, mài công suất dƣới 3kW, tốc độ yêu cầu tới hàng chục nghìn Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 82
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp vòng/phút. Tuy nhiên, ở những hệ truyền động quay công suất lớn, chi phí cho hệ thống sẽ rất cao so với truyền động điện. Hình 2.36 : Truyền động quay khí nén Dùng khí nén trong hệ truyền động có các ƣu và nhƣợc điểm sau: Ƣu điểm: Hệ truyền động khí nén tƣơng đối gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ đảo chiều Nhƣợc điểm: Do tính nén đƣợc của chất khí nên chuyển động thƣờng kèm theo dao động, cần thêm các trang thiết bị phun dầu bôi trơn. Khó điều khiển tốc độ, dừng không chính xác. 2.4 Hệ thống điều khiển. Đặc điểm quan trọng của robot là làm việc theo chƣơng trình và tái lập trình đƣợc. Chƣơng trình là phƣơng tiện để ngƣời sử dụng truyền đạt cho robot các nhiệm vụ mà nó phải thực hiện và hƣớng dẫn cho robot làm việc đó thế nào. Vì vậy robot cần có một môi trƣờng lập trình với ngôn ngữ lập trình nhất định Cấu trúc phần cứng Trong hệ thống này, tùy chức năng đƣợc hình thành nhờ bảng mạch riêng. Các bảng mạch đƣợc liên kết với nhau qua đƣờng truyền (BUS) dữ liệu. Board hệ thống thực chất là 1 CPU ( gồm 1 bộ vi xử lí toán học, 1 EPROM, 1 Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 83
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp RAM riêng, 1 RAM chia sẻ với các board khác qua BUS, bộ đếm, thanh ghi, hệ thống ngắt và một số cổng nối tiếp với các thiết bị ngoại vi ) Hình 2.37 : Các dòng vi xử lý, điều khiển 16 bits Sự phát triển của máy tính đã tạo nên sự phát triển đáng kể của kĩ thuật điều khiển robot với sự ra đời của rất nhiều bộ VXL 8 bits, 16 bits nhƣ Intel 8086,80688. Một số robot hiện đại đã dùng VXL 32 bit làm tăng đáng kể tốc độ xử lí và phù hợp với việc điều khiển quỹ đạo liên tục Hình 2.38 : các dòng vi xử lý, điều khiển 32 bits Ngoài ra, bộ phận động cơ sẽ nhận tín hiệu từ bộ điều khiển để thực hiện và làm việc theo chƣơng trình đã lập trình trƣớc. Thiết bị vào/ra (I/O) : Phục vụ điều khiển, giao diện với các thiết bị ngoài nhƣ các sensor, PLC, CNC, robot và các thiết bị sản xuất khác. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 84
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp Hình 2.39 : Sensor cảm biến vật thể ( hồng ngoại) Hình 2.40 : LM35 cảm biến nhiệt độ 2.5 Tay gắp Robot. Là một trong những thiết bị thực thi đầu cuối, dạng đơn giản nhất là loại dùng 2 ngón tay có thể khép và mở để nhấc và di chuyển các vật nhỏ. Các ngón tay có thể đƣợc làm từ các thanh cứng có kết nối với động cơ và dây điện. Hình 2.41 : Robot dùng tay gắp 2 ngón kẹp Cơ cấu gắp có cấu tạo phức tạp giống bàn tay ngƣời nhƣ Shadow Hand và Robonaut, Delft. Cơ cấu gắp có nhiều kiểu cấu tạo dựa trên các nguyên lý khác nhau, gồm kiểu ngàm sử dụng lực ma sát và kiểu ngàm sử dụng lồng chứa. Kiểu Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 85
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp ngàm sử dụng lực ma sát sẽ giữ vật thể bằng cách dùng lực ma sát. Kiểu lồng chƣa sẽ ôm vật thể theo kiểu cõng/đặt lên trên, sử dụng ít lực ma sát hơn. Hình 2.42 : Robot dùng kiểu tay ngƣời Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 86
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG II Câu 1: Vẽ sơ đồ khối cấu trúc của một robot cơ bản và cho biết chức năng các thành phần trong cấu trúc Câu 2: Cho biết các thành phần chính trong cấu trúc tay máy Câu 3: Trình bày ƣu khuyết điểm của hệ truyền động điện Câu 4: Trình bày ƣu khuyết điểm của hệ truyền động khí nén Câu 5: Trình bày ƣu khuyết điểm của hệ truyền động thủy lực Câu 6: Cho biết phạm vi áp dụng của các loại tay gắp robot Câu 7: Vai trò của khối điều khiển robot Câu 8: Để chuyển tín hiệu tƣơng tự sang số cho bộ điều khiển Robot dùng mạch a. DAC b. Encoder c. Decoder d. ADC Câu 9: Trong các tay máy robot thì khớp dùng phổ biến là a. Ít nhất phải có 3 khớp trƣợt b. Khớp xoay 1800 c. Khớp tịnh tiến d. Khớp trƣợt hoặc khớp quay Câu 10: Tay máy kiểu tọa độ Decac còn gọi là: a. Kiểu hình trụ b. Kiểu tự do c. Kiểu chữ nhật d. Kiểu hình cầu Câu 11: Tay máy Scara là Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 87
Chƣơng II: Cấu trúc Robot công nghiệp a. Gồm 2 khớp quay và 1 khớp trƣợt, chúng đều có trục song song với nhau. b. Có 3 khớp đều là khớp quay trong đó trục thứ nhất vuông góc 2 trục còn lại c. Dùng 3 khớp trƣợt thực hiện chuyển động thẳng độc lập với nhau d. Sử dụng 1 khớp quay và 2 khớp trƣợt hoạt động theo dạng hình trụ Câu 12: Tay máy kiểu tọa độ trụ là a. Gồm 2 khớp quay và 1 khớp trƣợt. b. Sử dụng 1 khớp quay và 2 khớp trƣợt c. Có 3 khớp đều là khớp quay d. Dùng cả 3 khớp trƣợt Câu 13: nhận định nào sau đây về tay máy robot là đúng a. Tay máy kiểu tọa độ trụ khác kiểu Decac ở khớp thứ 2 b. Tay máy kiểu phóng sinh dùng 3 khớp trƣợt c. Tay máy Scara là phối hợp tay máy kiểu Decac và kiểu phóng sinh d. Tay máy kiểu cầu khác kiểu trụ là do ở vị trí khớp thứ 2 sử dụng khớp quay Câu 14: Kết cấu tay máy nào có độ cứng vững cao dùng với tải trọng lớn a. Kiểu tọa độ Decac b. Kiều Scara c. Tay máy kiểu phóng sinh d. Tay máy tọa độ cầu Câu 15: Loại tay máy nào chuyên dùng cho công việc lắp ráp tải trọng nhỏ theo phƣơng đứng a. Tay máy kiểu phóng sinh b. Tay máy tọa độ cầu c. Kiểu Decac d. Kiểu Scara Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 88
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot  Mục tiêu - Xác định cách xây dựng hệ trục tọa độ và quỹ đạo chuyển động của Robot - Biểu diễn đƣợc các phƣơng trình trong chuyển động của Robot - Phát biểu đƣợc các dạng chuyển động của robot: quay, tịnh tiến , - Thiết lập và giải các bài toán về động lực học thuận – nghịch  Nội dung Trình bày về các loại tọa độ, cách xây dựng hệ trục tọa độ gán với Robot, bộ thông số DH, và ý nghĩa của quỹ đạo chuyển động của robot, các bài toán động học thuận và nghịch, các bƣớc xây dựng phƣơng trình động học, động lực học. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 89
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot Chƣơng III: MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT. 3.1.Hệ tọa độ và quỹ đạo 3.1.1 Hệ trục tọa độ Trong hình học, thì một hệ tọa độ là một hệ thống sử dụng một hoặc nhiều số, hoặc tọa độ, để xác định duy nhất vị trí của một điểm hoặc các phần tử hình học khác trên một dãy số nhƣ trong không gian Euclide. Các tọa độ đƣợc xem là số thực nhƣng cũng có thể là số phức. Việc sử dụng một hệ tọa độ cho phép các vấn đề về hình học đƣợc chuyển thành các vấn đề về số và ngƣợc lại. Hệ tọa độ xác định một mặt phẳng hoặc không gian theo trục từ một điểm cố định gọi là gốc tọa độ (Origin). Mục tiêu và vị trí của robot đƣợc đặt bởi các phép đo dọc theo các trục của hệ thống trục tọa độ. Robot sử dụng nhiều loại hệ trục tọa độ, mỗi loại đều thích hợp cho các loại lập trình cụ thể. Có thể liệt kê vài loại nhƣ sau 1. Hệ tọa độ cơ bản (The base coordinate system): Đƣợc đặt tại gốc của robot. Đây là cách dễ nhất để di chuyển robot từ vị trí này sang vị trí khác. Hình 3.1 : Cách xác định hệ trục tọa độ cơ bản Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 90
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot Hệ tọa độ cơ bản có điểm Zero tại gốc của robot, làm cho các chuyển động có thể dự đoán đƣợc đối với robot cố định. Do đó rất hữu ích cho việc di chuyển robot từ vị trí này sang vị trí khác. Khi đứng trƣớc robot và di chuyển trong hệ tọa độ cơ bản, trong một hệ thống robot đƣợc cấu hình bình thƣờng, khi kéo cần điều khiển hƣớng về phía ngƣời dùng (user) sẽ di chuyển robot dọc theo trục X, trong khi di chuyển cần điều khiển sang hai bên sẽ di chuyển robot dọc theo Trục Y. khi xoay cần điều khiển sẽ di chuyển robot dọc theo trục Z. Qui tắc bàn tay phải (dùng xác định phƣơng, chiều của các trục x, y, z) Dùng bàn tay phải nắm 2 ngón út và áp út lại, còn 3 ngón : ngón cái, ngón trỏ và ngón giữa xòe ra sao cho vuông góc từng cặp với nhau. Khi đó ngón cái chỉ phƣơng và chiều của trục Z thì ngón trỏ chỉ phƣơng, chiều trục X, ngón giữa chỉ phƣơng chiều trục Y Hình 3.2 : Bàn tay phải xác định phƣơng chiều các trục 2. Hệ tọa độ đối tƣợng công việc (work object coordinate system): Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 91
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot Hệ có liên quan đến phần công việc (work piece) và thƣờng là công cụ tốt nhất để lập trình cho robot. A: Hệ tọa độ World B: Hệ tọa độ work object 1 C: Hệ tọa độ work object 2 Hình 3.3 : Các cách xác định hệ tọa độ đối tƣợng Hệ tọa độ đối tƣợng công việc tƣơng ứng với phần công việc: Nó xác định vị trí của phần công việc liên quan đến hệ tọa độ World (hoặc bất kỳ hệ tọa độ nào khác). Hệ tọa độ đối tƣợng công việc phải đƣợc xác định trong hai khung, khung ngƣời sử dụng (liên quan đến khung World) và khung đối tƣợng (liên quan đến khung ngƣời dùng). Robot có thể có một vài hệ tọa độ đối tƣợng công việc để thể hiện các phần công việc khác nhau hoặc sao chép một phần công việc tƣơng tự tại các địa điểm khác nhau. Hệ tọa độ đối tƣợng công việc với các mục tiêu và đƣờng dẫn khi lập trình cho robot mang lại rất nhiều lợi thế: Khi định vị lại phần công việc của robot trong dãy băng chuyền, ta Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 92
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot chỉ cần thay đổi vị trí của hệ tọa độ đối tƣợng công việc và khi đó tất cả các đƣờng dẫn sẽ đƣợc cập nhật cùng một lúc. Cho phép làm việc trên các phần công việc đƣợc di chuyển bởi các trục bên ngoài hoặc các băng chuyền, vì toàn bộ công việc đối tƣợng với các đƣờng dẫn của nó có thể đƣợc di chuyển. 3. Hệ tọa độ công cụ (The tool coordinate system): Xác định vị trí của công cụ mà robot sử dụng khi thực hiện các mục tiêu đƣợc lập trình. Hỉnh 3.4 : Hệ tọa độ công cụ trên Robot Hệ tọa độ công cụ có vị trí gốc O ở điểm giữa của công cụ. Nó xác định vị trí và hƣớng của dụng cụ. Hệ thống tọa độ công cụ thƣờng đƣợc viết tắt là TCPF (Tool Centre Point Frame) và trung tâm của hệ tọa độ công cụ đƣợc viết tắt là TCP (Tool Center Point). Khi TCP robot di chuyển đến các vị trí lập trình, khi thực hiện các chƣơng trình. Điều này có nghĩa là nếu bạn thay đổi công cụ (hệ tọa độ công cụ) Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 93
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot các chuyển động của robot sẽ đƣợc thay đổi vì thế sẽ có TCP mới xuất hiện để thực hiện đƣợc mục tiêu. Tất cả các robot đều có hệ tọa độ công cụ đƣợc xác định trƣớc nằm ở cổ tay của robot gợi là tool0. Một hoặc nhiều hệ tọa độ công cụ mới có thể đƣợc xác định dựa vào tool0. Khi robot hoạt động, hệ tọa độ của công cụ rất hữu ích khi ngƣời dùng không muốn thay đổi hƣớng của công cụ trong suốt quá trình di chuyển, ví dụ nhƣ di chuyển một lƣỡi cƣa mà không cần uốn cong nó. 4. Hệ tọa độ World (The world coordinate system): Dùng để xác định robot cell, tất cả các hệ tọa độ khác đều có sự liên quan đến hệ toạ độ World theo cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Đây là hệ tọa độ rất hữu ích cho việc xử lý một số robot hoặc khi robot di chuyển bởi theo các trục bên ngoài. Hình 3.5 : Hệ tọa độ world A: Hệ tọa độ cơ bản cho robot 1 B: Hệ tọa độ World Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 94
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot C: Hệ tọa độ cơ bản cho robot 2 Hệ tọa độ World có điểm gốc O nằm trên một vị trí cố định trong ô hay trạm. Điều này làm cho nó hữu ích cho việc xử lý một số robot hoặc robot di chuyển bởi các trục bên ngoài. Theo mặc định, hệ tọa độ World trùng với hệ tọa độ cơ bản. 5. Hệ tọa độ ngƣời dùng (The user coordinate system): Rất hữu ích để đại diện cho các thiết bị chứa các hệ tọa độ khác, nhƣ các vật thể làm việc. A: Hệ tọa độ ngƣời dùng B: Hệ tọa độ world C: Hệ tọa độ đối tƣợng công việc D: Hệ tọa độ ngƣời dùng đã di chuyển E: Hệ tọa độ đối tƣợng công việc đã di chuyền cùng với hệ tọa độ ngƣời dùng. Hình 3.6 : Hệ tọa độ ngƣời dùng Hệ tọa độ ngƣời dùng có thể đƣợc sử dụng để đại diện cho các thiết bị cố Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 95
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot định nhƣ sàn làm việc. Điều này hữu ích cho việc robot cầm nắm di chuyển hàng hóa. 6. Hệ tọa độ chuyển vị (The displacement coordinate system) A Vị trí ban đầu B Hệ tọa độ C Vị trí mới D Hệ thống tọa độ di chuyển Hình 3.7: Hệ tọa độ chuyển vị Đôi khi cùng một đối tƣợng nhƣng sẽ thực hiện một số vị trí theo một đƣờng dẫn, hoặc thực hiện một số công việc ở vị trí kế tiếp nhau để tránh phải xác định lại vị trí ứng với mỗi lần một hệ thống chuyển vị Hệ thống này cần có sự phối hợp với các thuật toán tìm kiếm, để bù đắp cho sự khác biệt về vị trí của từng phần. Hệ tọa độ chuyển vị đƣợc xác định dựa trên hệ tọa độ của đối tƣợng. 3.1.2 Quỹ đạo: Quỹ đạo là vấn đề chung trong điều khiển robot, vì để hoàn thành nhiệm vụ cụ thể của mình thì trƣớc hết phần công tác phải di chuyển theo đúng quỹ đạo xác định. Nói cách khác, quỹ đạo là yếu tố cơ bản để mô tả hoạt động của robot. Việc thiết kế quỹ đạo cung cấp dữ liệu đầu vào cho hệ thống điều khiển Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 96
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot nên cũng là cơ sở trực tiếp cho việc điều khiển robot và cũng là nhân tố quan trọng trong việc thiết kế chi tiết cơ khí của robot. Thuật ngữ quỹ đạo chuyển động hay gọi tắt là quỹ đạo gồm đồ thị hình dáng đƣờng dịch chuyển và thời gian thực hiện chuyển động đó nhƣ vận tốc, gia tốc. Vì vậy bài toán thiết kế quỹ đạo liên quan đến các vấn đề động học và động lực học. Các yếu tố đầu vào của bài toán bao gồm đƣờng dịch chuyển và các điều kiện ràng buộc về động học và động lực học. Các yếu tố đầu ra là quỹ đạo của phần công tác. Nói chung, mô tả chính xác đƣờng dịch chuyển là rất khó khăn. Ngƣời ta giảm bớt các tham số bằng cách quy định các điểm biên của vùng hoạt động, thêm các điểm trung gian mà đƣờng phải đi qua, sau đó xấp xỉ (nội suy) bằng các đƣờng đơn giản. tƣơng tự nhƣ vậy, yếu tố thời gian của quỹ đạo không thể xác định cho từng điểm mà thƣờng quy định cho cả đoạn đƣờng. Chúng cũng thƣờng đƣợc quy định bằng các giá trị giới hạn nhƣ vận tốc cho phép, hay gia tốc cho phép, hoặc gán bằng các giá trị mặc định. Thuật toán thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp yêu cầu: Không đòi hỏi tính toán quá nhiều; Vị trí, vận tốc, có thể cả gia tốc của các khớp phải đƣợc biểu diễn bằng các hàm liên tục; Giảm thiểu các hiệu ứng bất lợi, ví dụ quỹ đạo không trơn. Dạng đơn giản của quỹ đạo là chuyển động điểm - điểm, nếu thêm các điểm trung gian thì quỹ đạo có dạng chuyển động theo đƣờng. . Chuyển động điểm- điểm : Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 97
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot Sử dụng cho một số loại robot nhƣ robot hàn điểm, tán đinh, xếp dỡ vật liệu, trong dạng chuyển động này, ngƣời ta chỉ quan tâm đến các tọa độ điểm đầu, điểm cuối của đƣờng dịch chuyển và thời gian chuyển động giữa các điểm đó chứ không quan tâm đến dạng hình học của đƣờng dịch chuyển. . Chuyển động theo đƣờng: Trong nhiều hoạt động nhƣ hàn hồ quang, sơn, xếp dỡ vật liệu trong không gian có nhiều chƣớng ngại vật, robot cần đƣợc điều khiển theo đƣờng. Khi đó số lƣợng điểm của mỗi đƣờng lớn hơn hai. Đó có thể không chỉ là điểm phải đi qua đơn thuần mà tại đó có thể phải khống chế cả vận tốc và gia tốc để đáp ứng yêu cầu công nghệ. Các điểm nhƣ vậy gọi là các điểm chốt, số lƣợng điểm này nhiều hay ít tùy thuộc yêu cầu độ chính xác của quỹ đạo 3.2 Phƣơng trình động học Robot. Phƣơng trình động học Robot là phƣơng trình ứng với các bài toán động học vị trí thuận và nghịch o Bài toán động học vị trí thuận: là dùng để xác định vị trí và hƣớng của dụng cụ khi biết đƣợc vị trí của các góc khớp ( 1 ,2 , 3, 4 ,5 , 6 . ) (x, y, z, , ,  ) (3.1) o Bài toán động học vị trí ngƣợc: là ngƣợc với bài toán thuận nghĩa là dùng để xác định vị trí của các góc khớp khi biết đƣợc vị trí và hƣớng của dụng cụ (x, y, z, , ,  ) ( 1 ,2 , 3, 4 ,5 , 6 . ) (3.2) Đối với robot cũng có các khâu đƣợc liên kết với nhau thông qua các khớp động (khớp quay hoặc khớp tịnh tiến). Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 98
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot Hình 3.8 : Khớp quay và khớp tịnh tiến Nếu mỗi khâu gắn với một hệ trục tọa độ, sử dụng các phép biến đổi thuần nhất có thể mô tả vị trí tƣơng đối và hƣớng giữa các hệ toạ độ. Hình 3.9 : Hệ trục tọa độ cho các khâu của robot Puma Trong đó: A1 là ma trận mô tả hƣớng và vị trí của hệ toạ độ gắn trên khâu thứ nhất so với hệ toạ độ gốc. A2 là ma trận mô tả mối quan hệ về hƣớng và vị trí của hệ tọa độ thứ hai so với hệ tọa độ gắn trên khâu thứ nhất. Tích của các ma trận A là ma trận T = A1.A2 (Theo Denavit) Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 99
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot Nếu một Robot có 6 khâu thì : T6=A1A2A3 A4A5A6 (3.3) T6 đƣợc gọi là ma trận vector cuối, mô tả hƣớng và vị trí của hệ toạ độ gắn lên khâu chấp hành cuối so với hệ toạ độ gốc. Nếu một Robot có số bậc tự do w>3 thì 3 bậc tự do đầu tiên dùng để định vị, các bậc tự do còn lại dùng để định hƣớng Hệ toạ độ biểu diễn khâu chấp hành cuối (điểm tác động cuối) ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ ⃗ ⃗⃗ Trong đó: : Vector có hƣớng mà theo đó bàn tay sẽ tiếp cận đến đối tƣợng. : Vector có hƣớng theo đó các ngón tay cầm nắm hay thả đối tƣợng. ⃗ : Vector pháp tuyến của ⃗⃗⃗ ⃗ Bộ thông số Denavit-Hartenberg.(D-H). Một Robot gồm nhiều khâu cấu thành từ những khâu nối tiếp nhau thông qua các khớp động. Gốc chuẩn của 1 Robot là là khâu số 0 và không tính vào số các khâu. Khâu 1 nối với khâu chuẩn bởi khớp 1, không có khớp ở đầu mút khâu cuối cùng Bất kỳ một khâu nào cũng đƣợc đặc trƣng bởi hai yếu tố : Độ dài pháp tuyến chung an Góc giữa các trục khớp đo trong mặt phẳng vuôg góc với an : ký hiệu là n Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 100
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot Hình 3.10 : Chiều dài góc xoắn khâu n Trong đó: n : Góc xoắn của khâu n (Khớp n so với khớp (n+1)) an : Chiều dài của khâu n ( Khớp n so với khớp (n+1)) Khoảng cách giữa hai khâu và góc quay giữa hai khâu Khảo sát quan hệ giữa các khâu liền kề nhau, thƣờng là hai khâu liên kết nhau ở chính trục của khớp Hình 3.11. Khoảng cách hai khâu và góc quay giữa hai khâu. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 101
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot Mỗi trục khớp có hai đƣờng pháp tuyến chung đối với nó, khoảng cách giữa hai đƣờng pháp tuyến chung đó dọc theo trục khớp n gọi là dn dn : còn gọi là khoảng cách giữa hai khâu, khâu n so với khâu thứ (n-1) Góc giữa hai đƣờng pháp tuyến chung đo trong mặt phẳng vuông góc với trục khớp thứ n là góc θn θn : là góc quay của khâu thứ n so với khâu thứ (n-1) Bộ thông số DH 1. Độ dài pháp tuyến chung an. (đƣờng vuông góc chung 2 trục z) 2. Góc giữa trục khớp trong mặt phẳng vuông góc với pháp tuyến αn. 3. Góc quay quanh trục z 1 góc . 4. Độ dài tiếp tuyến chung d (đƣờng vuông góc chung 2 trục ox) Lƣu ý : • Gốc chuẩn của 1 robot là khâu 0 (cố định) không tính vào số khâu. • Khâu 1 nối với khớp chuẩn bởi khớp 1, không có khớp ở khâu cuối cùng Quy ƣớc chọn gốc tọa độ cho robot: 1. Chọn gốc tọa độ: Gốc của khâu thứ n nằm trên đƣờng tâm của trục khớp thứ (n+1) và giao điểm đƣờng pháp tuyến chung an . Nếu 2 trục cắt nhau thì gốc tại điểm cắt đó, nếu 2 trục song song thì On nằm ở vị trí nào để thuận tiện cho quá trình tính toán. 2. Chọn trục Zn : trục Zn nằm dọc theo trục khớp thứ n+1 và có hƣớng về phía các khâu. 3. Chọn trục Xn : nằm dọc theo pháp tuyến chung (đƣờng vuông góc chung) hƣớng từ trục khớp n đến trục khớp n+1. Nếu 2 trục khớp cắt nhau thì 4. Chọn trục yn theo qui tắc bàn tay phải (Góc quay cùng chiều kim đồng hồ: Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 102
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot dƣơng , ngƣợc kim đồng hồ: âm) Ví dụ 1: Gắn hệ toạ độ và xác định các thông số DH Robot có hai khâu phẳng Hình 3.12: Hệ trục tọa độ và bộ thông số DH robot hai khớp quay phẳng Ví dụ: Xác định các thông số D-H của robot SCADA Hình 3.13 : Gắn trục tọa độ lên Robot Scada Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 103
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot Bảng 3.1: Bảng giá trị các thông số Khớp A  D 0 – 1 a1 0 1 0 1– 2 a2 0 2 0 2 – 3 0 0 0 d Ví dụ 2 : Xác định các thông số D –H của robot 3 khâu xoay Hình 3.14: Gán thông số DH lên cánh tay Robot Bảng 3.2 : Bảng thông số DH Khâu A  D 1 I1 0 1 0 2 I2 0 2 0 3 I3 0 3 0 Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 104
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot Ý nghĩa của bộ thông số DH: Giúp ta xác định vị trí và hƣớng của 1 khâu so với khâu trƣớc nó và so với hệ tọa độ gốc. o Nếu khớp nối 2 khâu là khớp quay thì n là biến khớp ( 3 thông số còn lại là hằng số) o Nếu khớp nối là tịnh tiến thì dn là biến khớp (n = 0, an = 0, n = hằng số) Căn cứ vào ma trận DH, ta lƣu ý các phép biến đổi sau: o Quay quanh truc oz một góc theta. o Tịnh tiến dọc trục z 1 đoạn d. o Quay quanh trục ox một góc alpha. o Tịnh tiến theo trục 0x một đoạn a. Có thể tóm lƣợc các bƣớc để viết phƣơng trình động học cho Robot Bƣớc 1: Chọn hệ tọa độ cơ bản và gán các tọa độ trung gian Bƣớc 2: lập bảng thông số DH Bƣớc 3: Xác định ma trận Ai Bƣớc 4: Tính ma trận T từ gốc đến ngọn T = A1.A2 Bƣớc 5: Viết phƣơng trình động học 3.3. Chuyển động Robot. 3.3.1 Robot di chuyển dùng bánh xe Bánh xe là phƣơng pháp phổ biến nhất làm di chuyển robot với nhiều kích thƣớc khác nhau. Từ bánh xe có kích cỡ vài chục cm đến hàng mét. Thông thƣờng, tập trung vào các bánh xe cỡ nhỏ (5 cm trở lại). Robot thƣờng dùng 3 bánh xe gồm một bánh lái và hai bánh di chuyển. Loại phức tạp hơn có thể sử dụng con quay hồi chuyển. Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 105
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot Vật liệu làm bánh xe không có yêu cầu đặc biệt, nhƣng một số trƣờng hợp cụ thể có yêu cầu cao nhƣ bánh xe robot quân sự cần có khả năng chống trƣợt. Ngoài ra tùy cấu trúc và yêu cầu sử dụng mà có thể một robot có 4 bánh hoặc 6 bánh sẽ chống trƣợt tốt hơn trƣờng hợp 2 bánh. Ngoài ra, những robot có cơ cấu bánh xe lớn thì cần nguồn năng lƣợng cung cấp lớn hơn. Hình 3.15 : Các dạng robot dùng bánh xe Ƣu điểm + Chi phí thƣờng thấp so với các phƣơng pháp khác + Đơn giản trong thiết kế và chế tạo + Lựa chọn phong phú + Mở rộng dễ dàng + Sự lựa chọn tuyệt vời cho ngƣời mới bắt đầu Nhƣợc điểm + Khả năng kéo yếu + Diện tích tiếp xúc nhỏ 3.3.2 Robot di chuyển dùng bánh xích Bánh xích hoặc bánh răng đƣợc sử dụng trong những thiết bị nhƣ máy kéo, xe tăng do khả năng thích ứng với địa hình và yêu cầu về lực kéo. Nguyên Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 106
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot nhân do cơ cấu bánh xích giảm tính trƣợt và phân bố đều trọng lƣợng của thiết bị, thích hợp với các bề mặt yếu nhƣ cát, đất yếu, xình lầy hay các bề mặt mấp mô. Ƣu điểm Tiếp xúc với bề mặt lớn, giảm khả năng trƣợt Phân bố trọng lƣợng đều, có thể hoạt động linh hoạt trong nhiều loại bề mặt khác nhau Tăng đáng kể không gian sử dụng của robot, không cần kết hợp với các bánh xe có ổ đĩa lớn Nhƣợc điểm Gây tổn hại bề mặt khi di chuyển Ổ đĩa xích hạn chế đáng kể số lƣợng động cơ có thể sử dụng Tính phức tạp cơ khí tăng (số liên kết, khớp nối, cơ cấu lực tăng) Hình 3.16 : Robot dạng bánh xích 3.3.3 Robot di chuyển dùng chân Đặc trƣng là các robot hình ngƣời với hai chân. Robot chân thƣờng dùng để di Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 107
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot chuyển trên các địa hình không đồng đều. Có robot đƣợc thiết kế với 6 chân để tắng khả năng giữ cân bằng tĩnh (cân bằng với 3 chân trong khi di chuyển). Robot với số chân ít hơn thì khó hơn để giữ cân bằng nhất là khi di chuyển Hình 3.17 : Robot khỉ dùng đổ bộ lên măt trăng (Đại học Bremen, Đức) Hình 3.18 Các dạng robot di chuyển bằng chân Ƣu điểm Gần gũi với chuyển động tự nhiên Khả năng có thể vƣợt qua những trở ngại lớn và điều hƣớng các địa hình thô, khả năng leo trèo, vƣợt chƣớng ngại vật Nhƣợc điểm Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 108
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot Tính phức tạp cơ khí và điện tử. Yêu cầu về năng lƣợng/pin Chi phí phát triển cao 3.3.4 Robot bay Các robot bay, đƣợc biết với tên UAV (Unmanned Aerial Vehicle _robot bay không ngƣời lái) là một chủ đề hấp dẫn và hoàn toàn trong khả năng của những ngƣời đam mê. Tuy nhiên, việc thiết kế, chế tạo các thiết bị bay không ngƣời lái đòi hỏi cao về công nghệ và thời gian. Ƣu điểm Không phụ thuộc địa hình Tốt cho việc giám sát, theo dõi Nhƣợc điểm Chi phí đầu tƣ cao Phải có kỹ năng và khó khăn trong gia công 3.3.5 Robot Lặn/tàu/thuyền Với robot dạng này là đòi hỏi về nguồn cung năng lƣợng và khả năng làm việc dƣới nƣớc (áp suất, chống thấm, ) Ƣu điểm Hầu hết các hành tinh của chúng ta là nƣớc, do đó, có rất nhiều thứ để tìm hiểu và khám phá Tính duy nhất trong mỗi sản phẩm Nhƣợc điểm Robot có thể bị mất theo nhiều cách (chìm, bị rò rỉ, vƣớng mắc ) Linh kiện điện tử không có khả năng hoạt động khi ngấm nƣớc Chi phí cao khi hoạt động với độ sâu > 10m Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 109
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot Hạn chế về giao tiếp điều khiển (giao tiếp không dây) Hình 3.19: Các loại robot di chuyển trong môi trƣờng nƣớc 3.3.6 Robot lai Đƣợc thiết kế thƣờng vô cùng linh hoạt, đa dạng, đa năng. Đó là sự phối hợp của nhiều cấu trúc Robot khác nhau nhằm phục vụ nhu cầu ngƣời dùng và niềm đam mê sáng tạo Ƣu điểm Thiết kế và phát triển gắn với một mục tiêu cụ thể Cấu trúc đa tác vụ, thực hiện theo từng module Đa tính năng, linh hoạt Nhƣợc điểm Phức tạp trong thiết kế, chi phí cao Các bộ phận cần tùy chỉnh lại cho phù hợp Hình 3.20: Các dạng khác của robot Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 110
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot 3.3.7 Cánh tay & gắp Mặc dù không nằm trong các dạng robot di dộng, nhƣng cánh tay máy và tay gắp cũng di chuyển trong phạm vi làm việc và có thể kết hợp với các loại robot di chuyển khác để tƣơng tác, khám phá môi trƣờng, phục vụ một mục tiêu nào đó. Hình 3.21 : Cánh tay robot hoạt động trong không gian hẹp Ƣu điểm Thiết kế đơn giản Dễ dàng phát triển robot với số bậc tƣ do cao (3, 4 bậc) Nhƣợc điểm Cố định, trừ khi đƣợc lắp ghép với một nền tảng di động Chi phí phát triển 3.4 Động lực học Robot. Nghiên cứu động lực học robot là công việc cần thiết khi phân tích cũng nhƣ tổng hợp quá trình điều khiển chuyển động. Việc nghiên cứu động lực học Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 111
Chƣơng III: Mô hình toán động học Robot thƣờng giải quyết hai nhiệm vụ sau đây: 1. Xác định momen và động lực xuất hiện trong quá trình chuyển động. Khi đó qui luật biến đổi của các biến khớp qi(t) coi nhƣ đã biết. Việc tính toán lực trong cơ cấu tay máy rất là cần thiết để chọn công suất động cơ, kiểm tra độ bền cứng vững, đảm bảo độ tin cậy của robot. 2. Xác định các sai số động tức là sai lệch so với qui luật chuyển động theo chƣơng trình. Lúc này cần khảo sát phƣơng trình chuyển động của robot có tính đến đặc tính động lực của động cơ và các khâu. Có nhiều phƣơng pháp nghiên cứu động lực học robot, nhƣng thƣờng gặp hơn cả là phƣơng pháp cơ học Lagrange, cụ thể là dùng phƣơng trình Lagrange – Euler. Đối với các khâu khớp của robot, với các nguồn động lực và kênh điều khiển riêng biệt, không thể bỏ qua các hiệu ứng trọng trƣờng (Gravity effect), quán tính (initial), tƣơng hổ ( Coriolis), ly tâm (Centripetal) mà những khía cạnh này chƣa đƣợc xét đầy đủ trong cơ học cổ điển. Cơ học Lagrange nghiên cứu về các vấn đề nêu trên nhƣ một hệ thống khép kín nên đây là nguyên lý cơ học thích hợp với các bài toán động lực học robot. Cơ học Lagrange với các vấn đề động lực của robot: Hàm Lagrange của một hệ thống năng lƣợng đƣợc định nghĩa: L = K –P (3.3) Trong đó : K là tổng động năng của hệ thống P là tổng thế năng K và P đều là những đại lƣợng vô hƣớng nên có thể chọn bất cứ hệ tọa độ thích hợp nào để bài toán đƣợc đơn giản. Đối với một robot có n khâu, ta có: ∑ ∑ (3.4) Ở đây: Ki và Pi là động năng và thế năng của khâu thứ i xét trong hệ tọa độ đã chọn. Ta biết mỗi đại lƣợng Ki và Pi là một hàm phụ thuộc nhiều biến số: Giáo trình : Robot công nghiệp Trang 112