Bài giảng Robot công nghiệp - KS. Trần Xuân Tiến

Nội dung text: Bài giảng Robot công nghiệp - KS. Trần Xuân Tiến

1. ROBOT CÔNG NGHIỆP
2. ROBOT CÔNG NGHIỆP 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT. 1.1.Sơ lược về quá trình phát triển robot. - Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rông rãi các phương tiện tự đông hoá sản xuất. Xu hướng tạo ra các dây chuyền về thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang hình thành. Các thiết bị này đang thay thế dần các máy tợ động „cứng‟ chỉ đáp ứngmột việc nhất định trong khi thị trường luôn đòi hỏi thay đổi mặt hàng về chủng loại, về kích cỡ và về tính năng vv Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng rôbôt để tạo ra các hệ thống sản xuất tự đông linh hoạt. - Thuật ngữ „rôbôt‟ lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm „Rossum‟s Universal Robot‟ của Karel Capek. Theo tiếng Séc thì robot là người làm tạp dịch. Trong tác phẩm này nhân vật Rossum và con trai của ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người. - Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek bắt đầu hiện thực. Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Hoa Kỳ đã xuất hiện những tay máy chép hình điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vâth liệu phóng xạ. - Vào cuối những năm 50 bên cạnh những tay máy chép hình cơ khí đó, đã xuất hiện các loại tay máy chép hình thuỷ lực và điện từ, như tay máy Minitaur I hoặc tay máy Handyman của Genaral Electric. Năm 1954 George C. Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là „Cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo chương trình‟. Đến năm 1956 Devol cùng với Joseph F. Engelber, một kĩ sư trẻ của công nghiệp hàng không, đã tạo ra loại robot công nghiệp đầu tiên năm 1959 ở công ty Unimation. Chỉ đến năm 1975 côngty Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm robot đầu tiên này. - Chiếc robot công nghiệp được đưa ra vào ững dụng đầu tiên, năm 1961, ở một nhà máy ô tô của General Motors tại Trenton, New Jersey Hoa Kỳ. - Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Hoa Kỳ. Đến năm 1990 có hơn 40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như Công ty Hitachi và công ty Mitsubishi, đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng. - Từ những năm 70 việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc. Tại trường đại học tổng hợp Stanford người ta đã tạo ra loại robot lắp ráp tự động điều khiển bằng máy tính trên cơ sở xử lí thông tin từ các cảm biến lực và thị giác. Vào thời gian này Công ty IBM đã chế tạo loại robot có các cảm biến xúc giác và cảm biến lực, điều khiển bằng máy tính để lắp ráp các máy in gòm 20 cụm chi tiết. - Vào giai đoạn này ở nhiều nước khác cũng tiến hành các công trình nghiên cứu tương tự, tạo ra các loại robot điều khiển bằng máy vi tính, có lắp đặt các thiết bị cảm biến và thiết bị giao tiếp người - máy. - Một lĩnh vực mà nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là việc chế tạo robot tự hành. Các công trình nghiên cứu tạo ra robot tự hành theo hướng bắt chước chân người và súc vật. Các robot này còn chưa có nhiều ứng dụng trong công nhiệp. Tuy nhiên các loại xe robot (robocar) lại nhanh chóng được đưa vào hoạt động trong các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt. - Từ những năm 80, nhất là vào những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các day truyền sản xuất hiện đại. KS. Trần Xuân Tiến Page 1
3. ROBOT CÔNG NGHIỆP - Ngày nay chuyên ngành khoa học về robot „robotics‟ đã trở thành một lĩnh vực rông trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ bản đọng học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động vv - Robot công nghiệp được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người. Nói đến thiết bị tự đọng linh hoạt là nói đến khả năng thao tác với nhiều bậc tự do, được điều khiển trợ đông và lập trình thay đổi được. Còn nói đến sự bắt chước các chức năng lao động công nghiệp của con người là có ý nói đến sự không hạn chế từ các chức năng lao đông chân tay đơn giản đến trí khôn nhân tạo, tuỳ theo loại hình công việc lao đông cần đến chức năng đó hay không. Đồng thời cũng nói đến mức độ cần thiết bắt chước được như con người hay không. 1.2.Những ứng dụng điển hình của robot. 1.2.1. Ứng dụng trong công nghiệp. - Gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn. - Phục vụ máy công cụ , làm khuôn trong công nghiệp đồ nhựa, gắn kính xe hơi,gắp hàng ra khỏi băng tải và đặt chúng vào các trạm chuyển trung gian - Ứng dụng robot trong công nghệ hàn đường(hàn theo vết hoặc đường dẫn liên tục): Con người kẹp chặt chính xác chi tiết. Robot di chuyển dọc theo quỹ đạo được lập trình trước. Ưu điểm: chất lượng mối hàn ổn định. Nhược điểm: gặp khó khăn trong vấn đề lắp khít chi tiết. Vì vậy phương pháp dò vết hàn được nghiên cứu và phát triển để giảm bớt yêu cầu định vị chính xác. Các cảm biến trang bị nhằm xác định chính xác vị trí của đường hàn - Ứng dụng trong lắp ráp: Robot được sử dụng để tự động hóa quá trình lắp ráp trong nhà máy - Ứng dụng trong nhà máy sản xuất: Trong sản xuất lớn những robot đươc tự động hóa hoàn toàn. Robot có thể được trang bị nhiều thiết bị đa dạng cho tay gắp nhằm cho phép robot có khả năng điều chỉnh nhanh chóng thiết bị công nghệ đáp ứng linh hoạt nhiều dạng công nghệ khác nhau. 1.2.2. Ứng dụng robot trong phòng thí nghiệm. - Dùng để thực hiện các công việc thủ công, thực hiện các công việc lập đi lập lại - Ưu điểm: tăng năng suất, tăng chất lượng thí nghiệm, giảm sơ suất của con người làm hư hỏng hóa chất KS. Trần Xuân Tiến Page 2
4. ROBOT CÔNG NGHIỆP - Ứng dụng thực tế: đo độ PH, độ nhớt, độ cứng trong chất đa phân tử, chuẩn bị mẫu xét nghiệm 1.2.3. Ứng dụng robot trong thao tác cần khuếch đại lực. - Dùng trong những khu vực nguy hiểm (nhiễm xạ ) - Dùng bốc dỡ hàng hóa, vật liệu, phôi có trọng lượng lớn cồng kềnh trong các ngành công nghiệp nặng 1.2.4. Ứng dụng robot trong nông nghiệp. - Robot cắt nông cừu, mổ xẻ thịt heo Trong lĩnh vực này robot đảm nhiệm cả ngay cả các công việc mang tính lặp lại, nhiều thao tác đòi hỏi sự phối hợp tay nghề cao và sự lanh lợi của đôi mắt. 1.2.5. Ứng dụng robot trong không gian. - Tay máy được chế tạo nhằm tăng cường khả năng bốc dỡ hàng hóa tiếp tế , lắp ghép với các trạm không gian khác - Các xe tự hành trang bị tay máy linh hoạt, các robot công dụng chung trong các trạm không gian , bảo trì vệ tinh, xây dựng trong không gian KS. Trần Xuân Tiến Page 3
5. ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.2.6. Ứng dụng robot trong tàu lặn. - Phát triển các tàu lặn không người lái trong công tác kiểm tra, dò tìm, bảo trì , thám hiểm dưới đáy đại dương 1.2.7. Ứng dụng robot trong giáo dục - Robot được sử dụng làm phương tiện giảng dạy trong các chương trình giáo dục - Robot được sử dụng kết hợp với ngôn ngữ LOGO để giảng dạy về nhận thức máy tính, lập trình - Tạo ra phòng học robot: mô phỏng một hệ thống sản xuất linh hoạt sử dụng robot phối hợp với các mô hình sản xuất khác 1.2.8. Ứng dụng robot trong hỗ trợ người tàn tật. KS. Trần Xuân Tiến Page 4
6. ROBOT CÔNG NGHIỆP - Thông qua xung não để điều khiển các tay máy làm những thao tác mong muốn, những bộ phận thay thế trên cơ thể 1.2.9. Ứng dụng robot trong sinh hoạt và giải trí. - Các loại đồ chơi trẻ em, robot thong minh sử dụng trong nhà và văn phòng 1.3.Một số định nghĩa. - Viện nghiên cứu Mỹ :Rôbốt là một tay máy nhiều chức năng, thay đổi được chương trình hoạt động, được dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng - Theo Groover: Rôbốt công nghiệp là những, thiết bị tổng hợp hoạt động theo chương trình có những đặc điểm nhất định tương tự như ở con người - Theo các nhà nghiên cứu thuộc trường phái khối SEV trước đây: Rôbốt công nghiệp là những máy hoạt động tự động được điều khiển theo chương trình để thực hiện việc thay đổi vị trí của những đối tượng thao tác khác nhau với mục đích tự động hóa các quá trình sản xuất - Theo tiêu chuẩn AFNOR của pháp: Robot là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương trình hoá, lập lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị, di chuyển các đối tượng vật chất; chi tiết, dao cụ, gá lắp theo những hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau. KS. Trần Xuân Tiến Page 5
7. ROBOT CÔNG NGHIỆP - Theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD: Robot là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển động có thể chương trình hóa và nối ghép các chuyển động của chúng trong những khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến của động trình. Chúng được điều khiển bởi các bộ phận hợp nhất ghép kết nối với nhau, có khả năng học và nhớ các chương trình; chúng được trang bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác để thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp hay gián tiếp. - Theo tiêu chuẩn GHOST 1980: Robot là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hoá, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự của con người. - Bên cạnh khái niệm robot còn có khái niệm robotic, khái niệm này có thể hiểu như sau: Robotics là một nghành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu về thiết kế, chế tạo các robot và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người như nghiên cứu khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh. Robotics là một khoa học liên nghành gồm cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin. Nó là sản phẩm đặc thù của nghành cơ điện tử (mechatronics). - V.v - Rôbốt CN thỏa mãn năm yếu tố sau:  Có khả năng thay đổi chuyển động  Có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác  Có số bậc chuyển động cao  Có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động  Có khả năng hoạt động tương hỗ với đối tượng bên ngoài - Đặc điểm:  Có khả năng thay đổi chuyển động  Có khả năng xử lý thông tin (biết suy nghĩ)  Có tính vạn năng  Có những đặc điểm của người và máy 1.4.Phân loại robot. 1.4.1. Phân loại robot theo dạng hình học của không gian hoạt động. - Các khớp cơ bản được sử dụng: KS. Trần Xuân Tiến Page 6
8. ROBOT CÔNG NGHIỆP - Miền làm việc: là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể. - Robot tọa độ vuông góc: Có 3 bậc chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vuông góc - Robot tọa độ trụ: Có 3 bậc chuyển động cơ bản gồm 2 CĐ tịnh tiến và 1 trục quay KS. Trần Xuân Tiến Page 7
9. ROBOT CÔNG NGHIỆP - Robot tọa độ cầu: Có 1 trục tịnh tiến và hai trục quay - Robot khớp bản lề: Có 3 trục quay 1.4.2. Phân loại robot theo thế hệ. KS. Trần Xuân Tiến Page 8
10. ROBOT CÔNG NGHIỆP - Rôbốt thế hệ thứ nhất: bao gồm các dạng robot hoạt động lặp lại theo một chu trình không thay đổi, theo chương trình định trước (2 loại:không thể thay đổi hoặc có thể thay đổi ). Đặc điểm:  Sử dụng tổ hợp cơ cấu cam với công tắc hành trình  Điều khiển vòng hở  Có thể sử dụng băng từ hoặc băng đục lỗ để đưa chương trình vào bộ điều khiển, tuy nhiên không thay đổi chương trình được  Sử dụng phổ biến trong công việc gắp – đặt - Robot thế hệ thứ 2: robot với điều khiển theo chương trình nhưng có thể tự điều chỉnh hoạt động thích ứng với những thay đổi của môi trường thao tác(được trang bị cảm biến cho phép cung cấp tín hiệu phản hồi lại hệ thống điều khiển). Dạng robot với trình độ điều khiển này còn gọi là robot được điều khiển thích nghi cấp thấp Đặc điểm:  Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy  Có thể lựa chọn CT dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến  Hoạt động của Rôbốt có thể lập trình được - Robot thế hệ thứ 3:robot được trang bị những thuật toán xử lý các phản xạ logic thích nghi theo những thông tin và tác động của môi trường lên chúng, được trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh trong điều khiển. Robot tự biết làm gì để hoàn thành công việc đã đặt ra cho chúng Đặc điểm:  Có đặc điểm như loại trên, được trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh  Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp - Robot thế hệ thứ tư: robot sử dụng các thuật toán và cơ chế điều khiển thích nghi được trang bị bước đầu khả năng lựa chọn các đáp ứng tuân theo một mô hình tính toán xác định trước có ứng xử phù hợp với điều kiện của môi trường thao tác. Đặc điểm:  Có đặc điểm tương tự 2 loại trên, có khả năng tự động lựa chọn chương trình hoạt động và lập trình lại các hoạt động dựa trên các tín hiệu thu nhận từ cảm biến.  Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tương đối lớn - Robot thế hệ thứ 5: là tập hợp các robot trí tuệ nhân tạo Đặc điểm:  Được trang bị các kĩ thuật của trí tuệ nhân tạo để ra quyết định và giải quyết các vấn đề và nhiệm vụ đặt ra cho nó.  Được trang bị mạng Neuron có khả năng tự học.  Được trang bị các thuật toán dạng Neuron Fuzzy/ Fuzzy Logic để tự suy nghĩ và ra quyết định cho các ứng xử 1.4.3. Phân loại robot theo hệ điều khiển. - Robot gắp đặt: thường sử dụng nguồn dẫn động khí nén, bộ điều khiển phổ biến là bộ điều khiển lập trình (PLC) thực hiện điều khiển vòng hở. Robot hoạt động dựa vào các tín hiệu phản hồi từ các tiếp điểm giới hạn hành trình cơ khí đặt trên các trục máy - Robot dẫn đường liên tục: sử dụng bộ điều khiển servo thực hiện điều khiển vòng kín. Hệ thống điều khiển liên tục là hệ thống trong đó robot được lập trình theo một đường chính xác. Đường dẫn được biểu diễn bằng một loạt các điểm rời rạc gần nhau và lưu vào trong bộ nhớ robot, sau đó robot thực hiện chính xác đường dẫn đó KS. Trần Xuân Tiến Page 9
11. ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.4.4. Phân loại robot theo nguồn dẫn động. - Robot dùng nguồn cấp điện: nguồn DC, AC chuyển sang DC. Động cơ sử dụng là động cơ bước, động cơ DC, AC servo. Robot loại này có thiết kế gọn, chạy êm, định vị rất chính xác. - Robot dùng nguồn khí nén: hệ thống cần được trang bị máy nén, bình chứa khí và động cơ kéo máy nén. Các xylanh khí nén thực hiện chuyển động quay và chuyển động thẳng được sử dụng. Robot loại này dùng trong các thao tác gắp đặt không cần độ chính xác cao. - Robot dùng nguồn thủy lực: sử dụng dầu ép. Hệ thống cần trang bị bơm để tạo áp ực dầu. Các xy lanh thủy lực chuyển động thẳng và quay và động cơ dầu.Robot loại này dùng trong ứng dụng có tải trọng lớn. - Bảng phân loại Rôbốt: KS. Trần Xuân Tiến Page 10
12. ROBOT CÔNG NGHIỆP 2. CẤU TẠO CHUNG CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP.(6 tiết) - Các thành phần cơ bản: Tay máy + Nguồn cung cấp + Bộ điều khiển 2.1.Tay máy - Tay Máy: (Manipulator) là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay(arm) để tạo các chuyển động cơ bản, Cổ tay (Wrist) tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay (Hand) hoặc phần công tác (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng. 2.1.1. Bậc tự do của tay máy - Bậc tự do của tay máy là số khả năng chuyển động độc lập của nó trong không gian hoạt động - Để nâng cao độ linh hoạt các tay may phải có số bậc chuyển động cao, tuy nhiên không nên quá 6. Các bậc chuyển động được phân ra bậc chuyển động cơ bản(chuyển động định vị ) và bậc chuyển động bổ xung (chuyển động định hướng). Chuyển động cơ bản thường là chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay, Mỗi bậc chuyển động có nguồn dẫn động riêng Chuyển động bổ xung: thường là các chuyển động quay nhằm tăng khả năng linh hoạt, đảm bảo cho khâu chấp hành cuối hoàn thành nhiệm vụ. KS. Trần Xuân Tiến Page 11
13. ROBOT CÔNG NGHIỆP - ví dụ: w= 6.4-(3.5+1.5)=4 2.1.2. Tay máy tọa độ vuông góc - Ưu điểm:  Không gian làm việc lớn  HT điều khiển đơn giản  Dành diện tích sàn lớn cho công việc khác - Nhược điểm:  Việc thay đổi không thích hợp về không gian  Duy trì cơ cấu dẫn động và thiết bị điều khiển gặp nhiều khó khăn 2.1.3. Tay máy tọa độ trụ. - Ưu điểm:  Có khả năng CĐ ngang và sâu vào các máy sản xuất  Cấu trúc theo chiều dọc để lại nhiều khoảng trống cho sàn  Kết cấu vững chắc, có khả năng mang tải lớn  Khả năng lặp lại tốt - Nhược điểm: Giới hạn tiến phía trái và phía phải 2.1.4. Tay máy tọa độ cầu. - Độ cứng vững của loại tay máy này thấp hơn hai loại trên và độ chính xác định vị phụ thuộc vào tầm với . 2.1.5. Tay máy toàn khớp bản lề và SCARA - Tay máy toàn khớp bản lề có cả ba khớp đều là khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với hai trục kia. Do sự tương tự với tay người, khớp thứ hai được gọi là khớp vai, khớp thứ ba gọi là khớp khuỷu nối cẳng tay với khuỷu tay. Với kết cấu này không có sự tương ứng giữa khả năng chuyển động của các khâu và số bậc tự do. Tay máy làm việc rất khéo léo, nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vị trí của phần công tác trong vùng làm việc. - Tay máy Scara được đề xuất dùng cho công việc lắp ráp. Đó là một kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt, gồm hai khớp quay và một khớp trượt, nhưng cả ba khớp đều có trục song song với nhau. Kết cấu này làm tay máy cứng vững hơn theo phương thẳng đứng nhưng kém cứng vững theo phương được chọn là phương ngang. Loại này chuyên dùng cho công việc lắp ráp với tải trọng nhỏ theo phương đứng. Từ Scara là viết tắt của “selective KS. Trần Xuân Tiến Page 12
14. ROBOT CÔNG NGHIỆP compliance assembly robot arm” để mô tả các đặc điểm trên. Vùng làm việc của Scara là một phần của hình trụ rỗng. 2.1.6. Cổ tay máy - Cổ tay máy thường có ba bậc tự do là 3 chuyển động định hướng dạng 3 chuyển động quay quanh 3 trục vuông góc gồm:  Chuyển động xoay cổ tay(Roll)  Chuyển động gập cổ tay (Pitch)  Chuyển động lắc cổ tay (Yaw) 2.1.7. Chế độ hoạt động của Robot - Chế độ huấn luyện: còn gọi là chế độ lập trình. Các bước lập trình được nhập vào bộ điều khiển robot bằng những công cụ khác nhau. Mỗi bước chương trình, tọa độ các khâu sẽ được lưu lại nhằm cho phép tạo thành một chuỗi các bước tuần tự để khâu tác động cuối di chuyển trên quỹ đạo dự kiến. Toàn bộ các bước thao tác được ghi vào bộ nhớ , sau đó tay máy hoạt động lại toàn bộ chu trình thao tác để kiểm tra. - Chế độ tự động: khi có tín hiệu khởi động, dựa theo dữ liệu của chương trình gồm các bước tuần tự lưu trong bộ nhớ đã thiết lập trong chế độ huấn luyện, tay máy sẽ tự động thực hiện chương trình quỹ đạo. 2.2.Bộ điều khiển Robot - Bộ điều khiển robot bao gồm bộ xử lý trung tâm, bộ nhớ và bộ xuất nhập kết hợp với màn hình hiển thị các lệnh và đồng thời theo dõi sự thay đổi tọa độ trong dịch chuyển của khâu. Toàn bộ các phần trên bố trí trong tủ điều khiển chính và sắp xếp theo từng môđun gồm các bo mạch điện tử. Ngoài ra còn có thể có bộ teach pendant điều khiển trực tiếp robot trong chế độ huấn luyện và bộ điều khiển mô phỏng hỗ trợ cho công việc lập trình KS. Trần Xuân Tiến Page 13
15. ROBOT CÔNG NGHIỆP 2.2.1. Bộ xử lý trung tâm - Trung tâm của bộ điều khiển là CPU chịu trách nhiệm quản lý thông tin về bộ nhớ, quản lý xuất nhập, xử lý thông tin tính toán và điều khiển từng trục của robot từ đó thực hiện các thuật toán điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển cho bộ phận chuyển đổi tín hiệu. - Các trường hợp cụ thể:  Dùng nguyên một máy tính nhỏ  Dùng các môđun mạch máy tính đã có sẵn  Sử dụng bộ vi xử lý 8 hoặc 16 bít làm nền tảng cho một CPU  Sử dụng một máy tính riêng giao tiếp với bộ điều khiển của robot  Dùng hệ thống mạng của các bộ vi xử lý 8 hay 16 bít liên kết lại với nhau bằng phần cứng và phần mềm để thực hiện công việc của CPU. 2.2.2. Bộ nhớ - Bộ nhớ dùng để lưu giữ những chương trình và thông tin phản hồi từ môi trường thao tác. KS. Trần Xuân Tiến Page 14
16. ROBOT CÔNG NGHIỆP 2.2.3. Bộ xuất nhập - Bộ xuất nhập dùng để đưa chương trình vào bộ xử lý và kiểm tra , theo dõi hoạt động trong quá trình thao tác. - Cấu hình bộ xuất nhập thường bao gồm bàn phím, màn hình, các bo mạch được bố trí các cổng giao tiếp xuất nhập dạng nối tiếp hoặc song song và pa-nen điều khiển cũng được xem là một phần của bộ xuất nhập. KS. Trần Xuân Tiến Page 15
17. ROBOT CÔNG NGHIỆP 2.2.4. Các loại bộ điều khiển 2.2.4.1.Bộ điều khiển robot trong hệ thống hở. - Điều khiển vòng hở (open-loop) hay còn gọi là hệ thống điều khiển không có phản hồi (non-servo system). Điều khiển hở, dùng truyền động bước ( động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén, ) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển. Kiểu này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp. - Robot hoạt động theo hệ thống hở không nhận biết được vị trí khi nó dịch chuyển từ điểm này sang điểm khác. Trên mỗi trục chuyển động thường có điểm dừng ở một vài vị trí xác định để kiểm tra độ chính xác dịch chuyển. - Bộ điều khiển thường gồm các cơ cấu cơ khí dùng thiết lập vị trí chính xác và các thiết bị bên ngoài xử lý và truyền dẫn tín hiệu cho các cơ cấu tác động đảm bảo cho việc tuần tự các dịch chuyển. Bao gồm:  Cữ chặn hạn chế hành trình cố định.  Cữ chặn hạn chế hành trình có thể điều chỉnh vị trí.  Công tắc hạn chế hành trình.  Động cơ bước có góc quay tùy vào số xung cấp.  Thiết bị đảm bảo sự tuần tự của robot KS. Trần Xuân Tiến Page 16
18. ROBOT CÔNG NGHIỆP  Bộ lập trình trống.  Logic khí nén và các phần tử logic khí nén. 2.2.4.2.Bộ điều khiển robot trong hệ thống điều khiển kín. - Điều khiển vòng kín (closed-loop) hay còn gọi là điều khiển có phản hồi theo cơ chế servo (servo system). Điều khiển kín (điều khiển kiểu servo ), sử dụng tín hiệu phản hồi KS. Trần Xuân Tiến Page 17
19. ROBOT CÔNG NGHIỆP vị trí để tăng độ chính xác điều khiển. Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm và điều khiển theo đường (contour). - Với kiểu điều khiển điểm - điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ không cao (không làm việc ). Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng. Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, bắn đinh, - Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các robot hàn hồ quang, phun sơn. KS. Trần Xuân Tiến Page 18
20. ROBOT CÔNG NGHIỆP 2.3.Nguồn dẫn động 2.3.1. Truyền động thuỷ lực - Ưu điểm:  Lực nâng lớn  Tốc độ chạy êm  Có thể khóa cứng khớp tại vị trí xác định (không nén được)  Sử dụng cho ĐK Servo rất tốt  Tự bôi trơn và làm mát  Hoạt động có thể dừng quá tải không làm hư hỏng HT  Đáp ứng nhanh  An toàn ở áp suất cháy nổ  Tác động êm ở tốc độ thấp - Hạn chế:  Chi phí cao  Không thích hợp cho cơ cấu quay với tốc độ nhanh  Cần có đường hồi dầu  Kích thước lớn do áp suất và tốc độ dầu cao  Nguồn dẫn không phổ biến  Chi phí chế tạo và bảo trì cao (rò rỉ ) 2.3.2. Truyền động khí nén. - Ưu điểm:  Giá thành không cao  Khí thải không gây nhiễm môi trường  Nguồn dẫn khí nén phổ biến trong công nghiệp  Phù hợp dạng Modul  Cơ cấu tác động có thể dừng mà không hư hỏng - Nhược điểm:  Giới hạn sự điều khiển và độ chính xác  Gây ồn  Gây trở ngại cho HT khi bị rò rỉ  Khó điều chỉnh tốc độ  Phải sử dụng bộ lọc 2.3.3. Truyền động điện cơ. - Ưu điểm:  Tác động nhanh và chính xác  Áp dụng được KTĐK phức tạp  Giá thành không cao  Thời gian triển khai HT mới nhanh  Mô men quay cao, trọng lượng giảm và đáp ứng nhanh - Nhược điểm:  Bản chất đã là tốc độ cao  Khe hở bánh răng làm giảm độ chính xác  Gây quá nhiệt khi quá tải KS. Trần Xuân Tiến Page 19
21. ROBOT CÔNG NGHIỆP  Cần sử dụng phanh để ghim vị trí và khớp - Các loại động cơ:  Động cơ bước Động cơ bước sử dụng trong điều khiển vòng hở, không cần trang bị cảm biến để phản hồi về vị trí và vận tốc vì mỗi xung tác động đã được thiết kế và kiểm soát để rotor của động cơ bước quay một góc xác định. Nếu mô men của động cơ bước không đủ thắng phụ tải hoặc quán tính của phụ tải, động cơ sẽ không làm việc dù đã nhận được xung điều khiển. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu: roto là nam châm vĩnh cửu, stato là cuộn dây. Vùng từ trường được tạo ra bằng cách cấp điện cho cuộn stato, từ trường thay đổi được bằng cách kích hoạt theo trình tự hoặc kích từng bước cuộn stato KS. Trần Xuân Tiến Page 20
22. ROBOT CÔNG NGHIỆP  Động cơ DC Động cơ DC tạo mômen tỷ lệ với cường độ dòng điện nhận được từ nguồn cấp. Các động cơ DC truyền thống có roto nhẹ để gia tốc nhanh nhưng hạn chế là không chịu được dòng cao. Để giải quyết vấn đề này người ta sử dụng các động cơ tác động nhanh với phần ứng nhẹ và sử dụng hộp giảm tốc có tỉ số truyền hợp lý để cân bằng tối ưu giữa mômen và gia tốc. Có 2 loại động cơ DC: có chổi than và không có chổi than. Hạn chế của động cơ DC servo có chổi than là cuộn dây phần ứng cần có chổi than để tạo các tiếp điểm cấp điện từ bộ điều khiển. Chổi than có thể bị mòn do tiếp xúc, phát sinh tia lửa điện, dòng và điện áp cấp bị giới hạn, momen quán tính của roto lớn, động cơ thoát nhiệt khó khăn vì phần lớn nhiệt độ xuất phát từ phần ứng. Những hạn chế này được khắc phục ở động cơ DC không có chổi than. Roto của động cơ không có chổi than là một nam châm vĩnh cửu, cuộn dây là stato, và một mạch điện tử thay thế chổi quét. Sự thoát nhiệt ở stato hầu như toàn bộ thông qua vỏ động cơ. Việc bỏ cuộn dây và chổi than làm giảm momen của roto và cho phép tốc độ động cơ cao hơn. Với mạch điện thay thế chổi than cho phép cấp điện có dòng và điện áp cao hơn vào cuộn dây. Stato là cuộn dây 2 pha hoặc 3 pha. Bộ điều khiển động cơ DC servo không chổi than dùng một bộ khuếch đại dòng điều biến độ rộng xung để tạo ra dòng điện ba pha hình sin trong cuôn stato  Động cơ AC Được sử dụng trên HT có công suất nhỏ. Ưu điểm chính của động cơ AC so với động cơ DC là khả năng dùng ngõ ra đồng bộ AC, loại cảm biến biến thế vi sai và các thiết bị đo AC khác mà không cần giải điều biến tín hiệu sai lệch Là động cơ AC cảm ứng thuận nghịch hai pha đã được cải tiến để phù hợp với các tác vụ servo. KS. Trần Xuân Tiến Page 21
23. ROBOT CÔNG NGHIỆP Gồm Rôto cảm ứng và 2 cuộn dây tạo từ trường đặt lệch 90 độ.Một cuộn tạo từ trường chuẩn cố định. Một cuộn tạo từ trường điều khiển 2.3.4. Truyền động hỗn hợp - Kết hợp những ưu điểm của các truyền động khác để tạo ra Rôbốt có độ chính xác cao. 2.4.Các dạng điều khiển tay máy 2.4.1. Đường dẫn từng đoạn. - Đây là kiểu điều khiển không có phản hồi sử dụng các cữ chặn hoặc các công tắc hành trình, số điểm lập trình cho mỗi trục thường là 2 (điểm đầu và điểm cuối). Các robot thế hệ đầu hay sử dụng kiểu điều khiển này 2.4.2. Đường dẫn theo điểm. - Sử dụng pa-nen điều khiển cho chế độ huấn luyện. - Từng trục được điều khiển độc lập đến các điểm trong chương trình công nghệ, người lập trình sẽ lưu lại tọa độ các điểm này vào bộ nhớ. Bộ điều khiển sẽ tính toán, xử lý vị trí của tay máy với các tọa độ suy rộng- các dịch chuyển góc thể hiện qua các góc quay φi hoặc thẳng thể hiện qua các hành trình si của các trục thay cho tọa độ đề-các. - Số điểm lập trình cho mỗi bậc tự do thường từ vài chục đến vài trăm. Ngoài ra tuy là dạng điều khiển từ điểm tới điểm nhưng chuyển động của một số khâu trên tay máy có thể được thực hiện đồng thời. Đa số robot làm việc tốt ở chế độ điều khiển theo điểm. Trong chế độ điều khiển này, chuyển động chỉ yêu cầu đạt tới vị trí mục tiêu, không quan tâm đến quá trình trung gian. - Kiểu điều khiển liên kết chuyển động đồng thời các trục yêu cầu sao cho các trục đồng thời dịch chuyển và đồng thời kết thúc. Bộ điều khiển phải tính toán tốc độ vận hành của các trục, đông thời xác định gia tốc chuyển động sao cho vận tốc các trục đạt giá trị lớn nhất ở giữa hành trình chuyển động của từng trục, sau đó giảm tốc ở nửa hành trình còn lại để đồng thời dừng cùng lúc. Công việc trên đây được thực hiên nhờ cơ chế nội suy. - Tùy theo dung lượng bộ nhớ và có thể chứa nhiều chương trình khác nhau, nhờ đó robot có thể nhanh chóng thay đổi được các chuyển động của nó. - Đặc điểm : chương trình tương đối lớn nhưng thời gian và công sức bỏ ra cho việc lập trình không quá lâu theo phương thức đã mô tả. Điểm hạn chế chính là thiếu sự điều khiển theo đường thẳng 2.4.3. Đường dẫn liên tục. - Đường dẫn liên tục là tập hợp những điểm nằm kế nhau. - Sử dụng bộ lập trình trên thiết bị mô phỏng (simulator) lập trình theo cách dắt mũi (lead-by- nose) hay bàn phím để kiểm soát vị trí của tay máy. - Các robot có đường dẫn liên tục có thể có các điểm nhận được khi lập trình trong chế độ huấn luyện, trên một đường dịch chuyển được đưa vào bộ nhớ. Sau đó các điểm nút- các điểm có tọa độ đã được lưu vào bộ nhớ sẽ được đưa ra tuần tự bởi bộ điều khiển robot cho các trục của robot khi thực hiện chương trình. - Robot có thể thường xuyên được điều khiển để thực hiện những đoạn dịch chuyển thẳng hoặc theo cung tròn từ nút này sang nút khác. Trong chế độ huấn luyện, nút ghi chương trình hoạt KS. Trần Xuân Tiến Page 22
24. ROBOT CÔNG NGHIỆP động đồng thời với sự dịch chuyển, tốc độ ghi của bộ điều khiển từ 6 điểm/giây trở lên, điều này đòi hỏi dung lượng bộ nhớ lớn. - Loại này tạo ra chuyển động êm không bị dừng ở mỗi điểm nút đồng thời giảm tối thiểu việc bị lệch hướng khỏi đường dịch chuyển mà robot đã học trong chế độ huấn luyện 2.4.4. Đường dẫn điều khiển. - Là hệ thống điều khiển theo điểm được trang bị thêm khả năng kiểm soát vị trí của tay gắp và các vị trí trung gian khi tay gắp dịch chuyển giữa các điểm lập trình. Người ta lập trình cho hệ thống này như đối với robot điều khiển theo điểm. Điểm khác nhau là chương trình quỹ đạo được thực thi khi đó là chuyển động thẳng giữa 2 điểm lập trình. Vận tốc góc trong dịch chuyển của các trục được điều khiển sao cho tỉ lệ thuận với giá trị của góc quay. - Các lệnh điều khiển chuyển động giúp cho bộ điều khiển tính toán một loạt các điểm tạm thời hoặc trung gian giữa các vị trí hiện tại với vị trí phải dịch chuyển đến. Các vị trí trung gian sẽ được cung cấp tuần tự cho các bộ điều khiển servo của từng trục. - Hầu hết các robot có đường dẫn điều khiển thực hiện được việc nội suy đường thẳng (ngoài ra còn có một số thực hiện kiểu nội suy tinh vi hơn như nội suy cung tròn, parabol, xoắn ốc ) 2.5.Tay gắp - Chức năng: giữ chi tiết hoặc mang dụng cụ tác động lên chi tiết. Chức năng phụ thuộc vào công dụng của Rôbốt: gắp, kẹp , sơn, hàn - Tính chất:  Có khả năng kẹp , nâng và thả chi tiết  Cảm nhận được chi tiết trong tay gắp  Trọng lượng phải nhỏ nhất  Giữ được chi tiết trong mọi trường hợp: V tối đa, mất năng lượng cung cấp  Đơn giản nhưng có độ tin cậy cao - Sự bảo toàn chỉ số thông minh của công việc(Job IQ): Định luật bảo toàn tồn tại trong các hệ vật lý: “Trong một hệ cô lập, tổng năng lượng ở các dạng là hằng số. Nếu năng lượng ở dạng này tăng lên thì năng lượng ở dạng kia giảm xuống để tổng năng lượng trong hệ không đổi”. Người ta vận dụng khái niệm này vào việc lựa chọn hệ thống có sử dụng robot để thiết kế và lựa chọn bộ phận công tác. Chỉ số thông minh của robot phải phù hợp với tính chất công việc cũng như phù hợp với giá thành sản phẩm. - Tay gắp chuẩn: là bộ phận công tác phổ biến nhất, thường được chia làm hai loại dựa theo chuyển động kẹp khác nhau: song song và xoay một góc. Theo chương trình lập trình trước bộ điều khiển sẽ cung cấp tín hiệu tác động vào các nguồn dẫn động để tạo ra các tác động kẹp, nhả. Phân loại: tay gắp thường mở, tay gắp thường kẹp, tay gắp có nguồn tác động hai chiều. 2.5.1. Phân loại tay gắp theo nguồn dẫn động - Tay gắp sử dụng động cơ điện KS. Trần Xuân Tiến Page 23
25. ROBOT CÔNG NGHIỆP - Tay gắp dùng hệ tác động servo Loại này được sử dụng khi người ta phát triển tay gắp có thể thay đổi áp suất kẹp lên đối tượng. Cảm biến được phát triển để cảm nhận được đối tượng qua tiếp xúc. - Tay gắp sử dụng khí nén Tay gắp dùng nguồn khí nén thường được sử dụng trong các ứng dụng nhả và kẹp nhanh, lực kẹp không lớn. - Tay gắp sử dụng thủy lực Tay gắp dùng nguồn thủy lực dùng khi cần lực kẹp lớn, tải nặng. - Tay gắp sử dụng chân không Dạng này được sử dụng khá phổ biến trong ngành công nghiệp nhẹ. Các dạng hút chân không thông dụng: phễu hút, bể mặt hút, ống giác hút chân không. Để tăng lực nâng có thể sử dụng phương pháp tăng diện tích tiếp xúc. KS. Trần Xuân Tiến Page 24
26. ROBOT CÔNG NGHIỆP - Tay gắp sử dụng đệm khí Nệm khí chỉ tác động sau khi ngón định vị vào lỗ trên đối tượng thao tác để tạo lực ma sát đủ để giữ và vận chuyển đối tượng. Dùng với những đối tượng thao tác đòn, dễ vỡ. - Tay gắp sử dụng nam châm Đối với các đối tượng thao tác là vật liệu có từ tính, có dạng tấm hoặc phiến mỏng, kích thước không quá lớn và không yêu cầu định vị cao, có thể sử dụng nam châm điện lắp trên khâu tác động cuối của tay máy để thao tác nhanh trong việc gắp- đặt và di chuyển đối tượng. 2.5.2. Phân loại theo dụng cụ trang bị trên máy. - Mỏ hàn hồ quang: - Đầu phun sơn - KS. Trần Xuân Tiến Page 25
27. ROBOT CÔNG NGHIỆP 2.5.3. Tải trọng mang. - Tải trọng mang phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kết cấu và tình trạng bề mặt của tay gắp, hình dạng của đối tượng thao tác, tầm với của tay máy - Bảng phân loại tải trọng mang: Tên gọi theo tải trọng Tải trọng, kg Ngành ứng dụng Loại siêu nhẹ 0.1; 0.16; 0.25; 0.4; 0.63; Chế tạo dụng cụ, điện tử, công nghệ 1.0 vô tuyến Loại nhẹ 1.6; 2.5; 4.0; 6.3; 10 Chế tạo máy Loại trung 16; 25; 40; 63; 100 Chế tạo máy Loại nặng 160; 250; 400; 630; 1000 Chế tạo máy, công nghiệp chế tạo thiết bị điện cỡ lớn Loại siêu nặng Trên 1000 Chế tạo máy, công nghiệp chế tạo thiết bị cỡ lớn KS. Trần Xuân Tiến Page 26
28. ROBOT CÔNG NGHIỆP 3. ĐỘNG HỌC TAY MÁY. 3.1.Các khái niệm ban đầu. 3.1.1. Hệ toạ độ. - Phương pháp sử dụng: phương pháp hệ tọa độ tham chiếu. - Hệ tọa độ thuận: hệ tọa độ tuân theo quy tắc bàn tay phải - Hệ tọa độ tuyệt đối: hệ trục tọa độ vuông góc gắn cứng với giá cố định (Oxyz)O - Hệ tọa độ tương đối: hệ trục tọa độ vuông góc gắn cứng lên mỗi khâu động thứ k (Oxyz)k 3.1.2. Quỹ đạo - Tọa độ suy rộng:có thể là chuyển vị góc ở các khớp quay hoặc chuyển vị dài ở các khớp tịnh tiến của các khâu thành viên : q1, q2, , qn q= q(t) - Quỹ đạo điểm M: 3.1.3. Bài toán động học thuận - Cho trước cơ cấu và quy luật của các yếu tố chuyển động thể hiện bằng các tọa độ suy rộng qi ta phải xác định quy luật chuyển động của điểm trên khâu tác động cuối nói riêng hoặc của điểm bất kỳ trên một khâu nào đó của tay máy nói chung trong hệ trục tọa độ vuông góc. 3.1.4. Bài toán động học ngược - Cho trước cơ cấu và quy luật chuyển động của điểm trên khâu tác động cuối (hoặc quy luật chuyển động của khâu cuối bao gồm vị trí và hướng của nó) được biểu diễn trong hệ tọa trục tọa độ vuông góc, ta phải xác định quy luật chuyển động của các khâu thành viên thể hiện thông qua các hệ tọa độ suy rộng qi Bài toán động học thuận Kích thước động di và Vị trí và hướng của vị trí các khâu thành khâu tác động cuối viên (tọa độ suy trong hệ tọa độ decac: rông), qi xP, yP, zP,Φ,θ,Ψ Bài toán động học ngược i 3.2.Cơ sở phép của biến đổi hệ toạ độ. - Phép biến đổi tọa độ được sử dụng để biến đổi các thành phần của vectơ khi chuyển từ hệ tọa độ này sang hệ tọa độ khác. - Trong hệ tọa độ Oxyz: KS. Trần Xuân Tiến Page 27
29. ROBOT CÔNG NGHIỆP Vectơ Hình chiếu của vectơ a lên vectơ u : Góc giữa 2 vectơ a và u là φ: - Mối quan hệ của vectơ a trong 2 hệ tọa độ Oxyz và O1x1y1z1 Mối quan hệ giữa các vectơ đơn vị của hệ O1 trong hệ O: Suy ra: KS. Trần Xuân Tiến Page 28
30. ROBOT CÔNG NGHIỆP Với: Tương tự : 3.3. Phân tích động học tay máy bằng phương pháp ma trận - Trường hợp hệ O1 chuyển động tịnh tiến với O. Xét điểm P. Trong hệ O biểu diễn bởi vectơ . Trong hệ O1 biểu diễn bởi vectơ Trong hệ O: Trong hệ O: Dễ thấy: Trong hệ O1: - Trường hợp hệ O1 quay quanh O, O1 trùng O. KS. Trần Xuân Tiến Page 29
31. ROBOT CÔNG NGHIỆP Trong hệ O: Trong hệ O1: - Một số trường hợp đặc biệt: O1 quay quanh trục x của O một góc φ: O1 quay quanh trục y của O một góc φ: O1 quay quanh trục z của O một góc φ: Trong bài toán động học không gian, ta thường gặp yêu cầu phải xác định các thành phần của một vectơ nào đó trong hệ trục tọa độ O1 gắn với giá cố định khi biết các thành phần của nó trong hệ trục tọa độ On gắn với khâu n. Khi đó ta phải thực hiện liên tiếp các chuyển đổi. Ta có: - Trường hợp O1 vừa quay vừa tịnh tiến so với O thì việc mô tả chuyển động tương đối giữa các khâu bằng phương pháp nêu trên sẽ gặp trở ngại, nó chỉ phù hợp với cơ cấu tay máy liên kết toàn bằng khớp bản lề. Để thuận lợi hơn cho trường hợp này ta dùng phương pháp tọa độ thuần nhất cho phép biểu diễn đồng thời cả chuyển động tịnh tiến lẫn chuyển động quay trong việc mô tả chuyển động tương đối giữa 2 khâu 3.3.1. Phân tích bài toán vị trí. - Bước 1: Xác định các tham biến phản ánh chuyển động tương đối giữa các khâu. Chọn các biến là các tọa độ suy rộng q1, q2, , qn để xác định vị trí tương đối giữa các khâu cũng như vị trí của cả cơ cấu.Ta sử dụng các đại lượng thẳng và góc để xác định vị trí cơ cấu. Căn cứ vào cấu tạo và tính chất của các liên kết trên cơ cấu,bố trí sao cho : KS. Trần Xuân Tiến Page 30
32. ROBOT CÔNG NGHIỆP  Gốc các hệ trục tọa độ trùng với các giao điểm tại các khớp quay.  Chọn một trục tọa độ trùng với trục quay của khớp.  Hai hệ trục tọa độ tương đối kề nhau sẽ có ít nhất một trục tọa độ trùng nhau hoặc song song với nhau.  Chon một trục tọa độ sao cho trùng với đoạn thẳng thể hiện kích thước động của khâu. - Bước 2: xác định các ma trận quay - Bước 3: xác định tọa độ một điểm thuộc một khâu bất kỳ. - Bước 4: xác định thành phần (hình chiếu) của các vectơ đơn vị trên trục của các khớp bản lề: e1, e2, e3, ., en. 3.3.2. Phân tích bài toán vận tốc và gia tốc. - Giả định chuyển động của khâu k so với khâu k-1 là đã biết. - Chuyển vị góc là φk,k-1 - Vận tốc và gia tốc góc trong chuyển động tương đối lần lượt là : - Chuyển động tuyệt đối của khâu thứ k (φk) gồm 2 chuyển động : Chuyển động theo khâu thứ k-1 : φk-1 Chuyển động tương đối của khâu thứ k với khâu thứ k-1 : φk,k-1 φk= φk-1+ φk,k-1 - Vận tốc dài và gia tốc dài của điểm M bất kỳ được xác định theo vận tốc và gia tốc đã biết của điểm cực O vM= vO+vMO aM=aO+aMO vMO=ω×ρ aMO= ω× (ω×ρ)+ε×ρ 3.4.Mô tả chuyển động bằng phương pháp toạ độ thuần nhất 3.4.1. Giới thiệu về phương pháp tọa độ thuần nhất. - Phương pháp tọa độ thuần nhất dùng để khắc phục một số vấn đề phức tạp khi tính toán các ma trận. Trong đó một không gian n chiều sẽ được trình bày trong n+1 chiều. - Khi quan tâm đồng thời cả định vị và định hướng vectơ điểm sẽ được bổ xung thành phần thứ tư, thành vectơ mở rộng được biểu diễn là: T r=(ωrx, ωry, ωrz, ω) - cách biểu diễn vectơ điểm trong không gian tọa độ thuần nhất. ω: hệ số tỉ lệ ngầm định cho chiều thứ tư. T ω=1: các tọa độ biểu diễn bằng tọa độ thực, r=(rx,ry.rz,1) - Tọa độ thực của vectơ mở rộng : . - Ma trận mô tả đồng thời phép chuyển đổi quay và phép chuyển đổi tịnh tiến giữa các trục tọa độ được thể hiện dưới dạng KS. Trần Xuân Tiến Page 31
33. ROBOT CÔNG NGHIỆP Chuyển động quay Chuyển đổi tịnh tiến 3*3 3*1 (quay)3*3 (t.tiến)3*1 T= = = Chuyển đổi trực chuẩn Tỷ lệ 1*3 1*1 0 0 0 1 3.4.2. Ma trận DH tuyệt đối - Xét chuyển động của một khâu trên tay máy, giả sử là khâu 1. Ta đã biết chuyển động tổng quát của khâu 1 được mô tả như sau: : tọa độ của một điểm trên khâu so với hệ tọa độ tham chiếu hay hệ tọa độ cơ sở (Oxyz)0 : chuyển vị tịnh tiến gốc O1 so với hệ tọa độ cơ sở (Oxyz)0 : ma trận quay của khâu 1 xung quanh gốc O1 : tọa độ của điểm đang xét so với hệ tọa độ (Oxyz)1 gắn chặt trên khâu 1, tọa độ này là hằng số vì khâu 1 là một vật rắn tuyệt đối. Như vậy ta có: → → KS. Trần Xuân Tiến Page 32
34. ROBOT CÔNG NGHIỆP Nếu gọi Thì trong không gian thuần nhất R4 ta có thể mô tả chuyển động của một điểm về khâu 1 như sau: Ma trận là ma trận DH tuyệt đối của khâu 1 đang xét cho phép mô tả đồng thời chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay. Ta có thể xem: Trường hợp mô tả tổng quát chuyển động tuyệt đối , ta có thể viết: : vị trí của một điểm trong hệ tọa độ mới : vị trí của cùng một điểm nói trên trong hệ tọa độ cơ sở. 3.4.3. Ma trận DH tương đối - Quy ước : là ma trận DH tuyệt đối của khâu thứ i(mô tả chuyển động tuyệt đối của khâu thứ i với hệ cơ sở) là ma trận mô tả chuyển động tượng đối giữa 2 khâu i và j, dễ thấy . Ta có : - Công thức xác định vị trí và vận tốc của một điểm P thuộc khâu n : 3.4.4. Ma trận DH quay - Trường hợp quay quanh trục x một góc - Trường hợp quay quanh trục y một góc - Trường hợp quay quanh trục y một góc KS. Trần Xuân Tiến Page 33
35. ROBOT CÔNG NGHIỆP 3.4.5. Ma trận DH tịnh tiến 3.4.6. Ma trận DH tổng hợp tịnh tiến và quay - Ma trận DH tổng hợp chuyển động tịnh tiến và quay có thể dễ dàng xác định bằng cách nhân hai ma trận tượng đương ứng với các chuyển động này, bởi vì chuyển động tịnh tiến giữa hai vật thể không ảnh hưởng đến chuyển động tương đối giữa chúng - Ví dụ: 3.4.7. Ví dụ ứng dụng ma trận DH - Cho một điểm nằm trùng với gốc tọa độ, lần lượt thự hiện các chuyển động: trans(y,a)→rot(x,900) → trans(z,a) →rot(y,900) - Dạng tổng quát của ma trận chuyển đổi từ một khâu thành viên bất kỳ về hệ tọa độ cơ sở được mô tả theo cách như sau: Trong đó: p= pxi+pyj+pzk : mô tả vị trí của gốc tọa độ của hệ tọa độ mới trong hệ tọa độ cơ sở x= xxi+xyj+xzk : mô tả hướng của trục x của hệ tọa độ mới trong hệ tọa độ cơ sở y= yxi+yyj+yzk : mô tả hướng của trục y của hệ tọa độ mới trong hệ tọa độ cơ sở z= zxi+zyj+zzk : mô tả hướng của trục z của hệ tọa độ mới trong hệ tọa độ cơ sở - Phép quay quanh trục bất kì T Trục quay được đặc trưng bởi vectơ đơn vị chỉ phương : r=(rx, ry, rz) Các bước thực hiện: Quay góc α quanh OX để trục r nằm xuống mặt XZ KS. Trần Xuân Tiến Page 34
36. ROBOT CÔNG NGHIỆP Quay góc -β quanh OY để trục r trùng với trục OZ Quay góc φ quanh trục OZ Quay góc β quanh OY Quay góc -α quanh OX để đưa r về vị trí xuất phát. Vφ=versφ=1- cosφ - Phép quay theo 3 góc Euler. - Phép quay Roll-Pitch-Yaw (RPY) - Mô tả và phát biểu lại nội dung của bài toán động học Ta quy ước gọi các chuyển vị tương đối giữa các khâu là các biến dịch chuyển và các tọa độ cần xác định là các biến vị trí. Các biến dịch chuyển và các biến vị trí có liên quan đến nhau. Từ đó ta có thể phát biểu một cách khác các bài toán động học như sau: Phát biểu bài toán động học thuận: Cho trước quy luật các biến di chuyển theo tọa độ suy rộng, xác định quy luật các biến vị trí theo tọa độ Đềcác. Bài toán thuân liên quan đến phương trình chuyển đổi thuận để tìm vị trí và hướng của khâu đầu cuối trong hệ tọa độ Đềcác khi cho trước các toạ độ suy rộng. Phát biểu bài toán động học ngược: Cho trước quy luật các biến vị trí (cụ thể là quy luật tọa độ vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối trong hệ tọa độ Đềcác), ta phải xác định quy luật các biến di chuyển phù hợp cho khâu thành viên thể hiện ở các tọa độ suy rộng của chúng. Bài toán ngược liên quan với phương trình chuyển đổi ngược để tìm mối liên hệ giữa các khâu thành viên của tay máy khi cho trước vị trí và hướng của khâu đầu cuối. 3.4.8. Phương pháp giải bài toán động học thuận. - Thiết lập ma trận quan hệ tương đối giữa các khâu. - Thiết lập ma trân tuyệt đối cho từng khâu và khâu chấp hành cuối cùng. - Thiết lập vị trí các ma trận đạo hàm bậc 1 và bậc 2 cho các khâu. KS. Trần Xuân Tiến Page 35
37. ROBOT CÔNG NGHIỆP - Tính toán vị trí, vận tốc và gia tốc cảu các điểm cơ bản thuộc các khâu cũng như các khâu chấp hành cuối cùng. 3.4.9. Phương pháp giải bài toán động học ngược. - Xuất phát từ phương trình động học cơ bản: Các ma trận Ai là các hàm của biến khớp qi. Ma trận Ai mô tả vị trí và hướng của khâu thứ i so với khâu thứ i-1. - Có thể viết lại vế trái của phương trình trên: Nhân 2 vế với ta có: Ứng với mỗi giá trị của i khi so sánh các phần tử tương ứng của 2 ma trận ở 2 vế của biểu thức ta có 6 phương trình tồn tại độc lập để xác định các biến khớp qi. Như thế , bằng cách đó có nhiều khả năng để lựa chọn các bộ lời giải qi đa trị này. 3.5.Thuật toán giải bài toán động học bằng phương pháp toạ độ thuần nhất. 3.5.1. Thuật giải bài toán thuận Việc giải bài toán động học thuận bao gồm các bước sau: - Đưa tay máy về vị trí gốc là vị trí mà dịch chuyển các khâu được tính từ đó. - Gắn trên mỗi khâu động một hệ trục tọa độ (hệ tọa độ tượng đối) - Mô tả chuyển động tương đối giữa các khâu liên tiếp bằng các tọa độ suy rộng - Định nghĩa các ma trận cho từng khâu tương ứng - Nhân các ma trận để tính ma trận chuyển đổi - Lập phương trình chuyển đổi của tay máy và ma trận tổng quát thể hiện mối liên hệ về hướng thông qua các góc Euler xác định hướng của khâu đầu cuối với tọa độ suy rộng của các khâu thành phần 3.5.2. Ví dụ minh họa bài toán thuận – vị trí và hướng. - Mục đích của phần này là tìm mối liên hệ giữa tọa độ của các khâu, được xác định trong các hệ trục tọa độ địa phương và thể hiện qua các tọa độ suy rộng qi của chúng, với tọa độ được thể hiện trong hệ tọa độ cơ sở. Trên cơ sở đó, ta sẽ xây dựng thuật giải và viết phương trình giải bài toán động học thuận tay máy. - Ta có: Dễ thấy nếu tính được (i=1 n) và cho trước qi thì hoàn toàn xác định được tọa độ của khâu cuối cùng, tọa độ và hướng của khâu bất kỳ cũng như tọa độ của điểm bất kỳ. KS. Trần Xuân Tiến Page 36
38. ROBOT CÔNG NGHIỆP - Quy ước Denavit- Hartenberg để biến đổi thuần nhất tọa độ trong các hệ tọa độ địa phương về hệ tọa độ cơ sở dựa vào ma trận DH tương đối : Xét 2 khâu i-1 và i giữa các khớp i-1, i, và i+1 , ta sử dụng những quy ước sau:  Chọn trục zi dọc theo đường tâm khớp i+1.  Chọn gốc tọa độ Oi là giao điểm của trục tọa độ zi với đường vuông góc chung của zi-1 và zi. Trường hợp 2 trục giao nhau thì gốc hệ tọa độ lấy trùng với giao điểm đó. Nếu 2 trục song song thì chọn gốc hệ tọa độ là điểm bất kì trên trục khớp động i+1.  Chọn trục xi dọc theo đường vuông góc chung của zi-1 và zi và có chiều từ nút (i) sang nút (i+1).  Trục yi được xác định theo quy tắc bàn tay phải.  Đối với hệ trục cơ sở (Oxyz)0 chỉ có z0 là xác định thì chọn các trục còn lại tùy ý.  Đối với hệ trục n, chỉ có trục xn xác định: xn phải vuông góc với trục zn-1. Không có khớp n+1 nên trục zn là không xác định, vì vậy ta có thể không chọn hoặc chọn zn tùy ý. Ký hiệu:  ai là độ dài đương vuông góc chung giữa 2 trục khớp động i+1 và i.  αi là góc chéo giữa 2 trục khớp động i+1 và i.  di là khoảng cách dọc trục khớp động i từ đường vuông góc chung giữa trục khớp động i+1 và trục khớp động i và trục khớp động i tới đường vuông góc chung giữa trục khớp động i và trục khớp động i-1.  θi là góc giữa 2 đường vuông góc chung nói trên. - Các bước:  Quay quanh trục zi-1 một góc θi.  Tịnh tiến dọc trục zi-1 một đoạn ai.  Tịnh tiến dọc trục xi-1 (đã trùng với xi) một đoạn di.  Quay quanh trục xi-1 một góc αi. - Phương trình động học: KS. Trần Xuân Tiến Page 37
39. ROBOT CÔNG NGHIỆP 3.5.3. Xây dựng chương trình tính (tham khảo tài liệu Nhập môn Robot Công nghiệp) 3.5.4. Thuật giải bài toán vị trí trong bài toán thuận động học tay máy(tham khảo tài liệu Nhập môn Robot Công nghiệp) Các bước cần thực hiện khi giải bài toán thuận - Xác định các hệ tọa độ. - Lập bảng thông số DH. - Xác định các ma trận Ai theo các thông số DH. - Tính các ma trận Ti - Lập phương trình động học cơ bản. 3.5.5. Thuật giải bài toán ngược(tham khảo tài liệu Nhập môn Robot Công nghiệp) 3.6.Bài toán động học trong chuyển động vi phân. 3.6.1. Ma trận Jacobi và định thức Jacobian. - Xét hàm f(.): Rn-> Rm Với , - Giả thiết f(.) khả vi tại mọi điểm của miền xác định D. Ma trận Jacobi là : - Khi m=n thì ma trận J(.) là ma trận vuông và định thức của nó goi j là Jacobian của hàm f(.) tại điểm z Khi Jacobian=0 tại z0 thì z0 gọi là điểm kỳ dị. - Xét trường hợp m=n và nếu hàm f(.) là đơn trị và nghịch đảo thì tồn tại hàm ngược f-1(.) và Jacobian của hàm ngược f-1(.) là j(w) với : Với w=f(z) 3.6.2. Chuyển động vi phân. - Ma trận mô tả chuyển động của một khâu: H=Hn(p) Suy ra KS. Trần Xuân Tiến Page 38
40. ROBOT CÔNG NGHIỆP r Xét tay máy có r trục và ei là các vectơ cơ sở của không gian R Khi đó - Chuyển động vi phân tổng quát: Bao gồm cả chuyển động quay lẫn tịnh tiến Xét Suy ra : Hay Trong đó dpi, dqi, dsi, dai, dbi, dci là các thành phần quay vi phân và tịnh tiến vi phân theo các trục Ox, Oy, Oz . Chúng đánh giá sự thay đổi nhỏ của vị trí khâu thứ i - Ta quan tâm đến 2 vi phân: dD=(da,db,dc,dp,dq,ds)T : vi phân của 6 biến vị trí (quay và tịnh tiến theo 3 trục ) của khâu tác động cuối. T dx=(dx1,dx2, ,dxr) : vi phân của các biến di chuyển có liên quan. - Ma trận Jacobi của tay máy r trục là : Phương trình có được ở trên cho thấy mối quan hệ giữa các vi phân của biến vị trí dD và các vi phân của biến di chuyển dx. Từ đó ta có 2 bài toán trong chuyển động vi phân như sau : Bài toán thuận : Cho biết các thay đổi bé của các biến di chuyển , ta có thể xác định được độ thay đổi vị trí của các khâu hay điểm tác động cuối. Bài toán nghịch : Khi cần thực hiện các thay đổi bé về vị trí các khâu hay của điểm tác động cuối, nhờ mối liên hệ trên ta sẽ biết được cần phải cho các biến di chuyển thay đổi một lượng nhỏ bằng bao nhiêu để cặt được yêu cầu trên. 3.6.3. Trình tự giải các bài toán thuận nghịch trong chuyển động vi phân Giải bài toán thuận : - Bước 1 : lập ma trận DH tuyệt đối cho điểm trên khâu tác động cuối - Bước 2 : xác định ma trận DH và xác định ma trận - Bước 3 : Xác định các mối liên hệ giữa sự thay đổi nhỏ của vị trí theo tọa độ Đecac của điểm tác động cuối và các vi phân của các biến vị trí. KS. Trần Xuân Tiến Page 39
41. ROBOT CÔNG NGHIỆP - Bước 4 : xác định quan hệ vi phân giữa các biến vị trí và vi phân các biến di chuyển dD=J(x).dx. Từ đấy có thể giải bài toán thuận Giải bài toán nghịch Khi giải bài toán nghịch có thể xác định vi phân các biến di chuyển dựa vào phương trình : dx=J-1(x)dD 3.6.4. Áp dụng Jacobi để giải bài toán vận tốc. - Gọi là vectơ tuyệt đối của khâu tác động cuối với các thành phần là các vận tốc dài dọc theo các trục tọa độ x, y, z và các vận tốc góc trong chuyển động quay quanh 3 trục nói trên. - Gọi là vectơ vận tốc với các thành phần là vận tốc của các biến di chuyển của các khớp. - Ta có : Với là ma trận Jacobi - Trong đó ; 3.7.Bài tập KS. Trần Xuân Tiến Page 40
42. ROBOT CÔNG NGHIỆP 4. KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN ROBOT. 4.1. Cơ sở điều khiển robot. 4.1.1. Thiết kế quỹ đạo. - Quỹ đạo chuyển động của phần công tác là vấn đề chung trong điều khiển robot, đó là yếu tố cơ bản để mô tả hoạt động của robot. Thiết kế quỹ đạo cung cấp dữ liệu đầu vào cho hệ điều khiển nên cũng là cơ sở trực tiếp cho việc điều khiển. - Lưu ý 2 thuật ngữ: Đường dịch chuyển (Path) là quỹ tích của các điểm trong không gian . Quỹ đạo chuyển động (Trajectory) bao hàm cả yếu tố hình học của đường dịch chuyển lẫn yếu tố thời gian, như vận tốc, gia tốc. - Bài toán thiết kế quỹ đạo liên kết các vấn đề động học và động lực học. Các yếu tố đầu vào của bài toán thiết kế quỹ đạo gồm: đường dịch chuyển và các điều kiện ràng buộc về động học và động lực học. Đầu ra của bài toán là quỹ đạo của phần công tác. - Bài toán thiết kế quỹ đạo được đặt ra cả trong không gian khớp lẫn vùng hoạt động. 4.1.1.1. Quỹ đạo trong không gian khớp. - Chuyển động tay máy được mô tả trong vùng làm việc bằng các điểm nút và thời gian chuyển động để thiết kế quỹ đạo phải giải bài toán động học ngược để xác định các biến khớp tại các điểm nút thiết lập các hàm nội suy q(t) để mô tả quỹ đạo vừa nhận được. - Điều kiện của thuật toán thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp: Không đòi hỏi tính toán quá nhiều. Vị trí, vận tốc, có thể cả gia tốc được biểu diễn bằng các hàm liên tục. Giảm thiểu các hiệu ứng bất lợi. a. Chuyển động điểm-điểm. - Ứng dụng cho một số loại robot: hàn điểm, tán đinh, xếp dỡ vật liệu - Chỉ quan tâm đến tọa độ điểm đầu và điểm cuối của đường dịch chuyển và thời gian chuyển động giữa chúng. - Nhiệm vụ: xác định quỹ đạo chuyển động thỏa mãn các yêu cầu chung, có thể thêm cả việc cải thiện một số thông số quỹ đạo. Gọi I là mômen quán tính của một vật rắn quay quanh trục của nó, cần xác định quy luật thay đổi của góc q, giữa giá trị đầu qi và giá trị cuối qf trong khoảng thời gian tf. Lực phát động là mômen từ một động cơ. Tiêu chuẩn tối ưu đặt ra là năng lượng tiêu thụ trên động cơ là nhỏ nhất. Vận tốc góc: q là lời giải của phương trình vi phân: I  thỏa mãn điều kiện: t f t f 2 (t)dt q f qi sao cho: (t)dt min 0 0 Lời giải tổng quát là một đa thức bậc hai đối với thời gian t: (t) at2 bt c 3 2 Quỹ đạo chuyển động có dạng một đa thức bậc ba: q(t) a3t a2t a1t a0 2 Vận tốc có dạng một đa thức bậc hai: q'(t) 3a3t 2a2t a1 Gia tốc thay đổi theo quy luật bậc nhất: q"(t) 6a3t 2a2 Để xác định được 4 hệ số giả định thường cần có 4 điều kiện đầu, thường là vị trí đầu qi và vị trí cuối qf, vận tốc đầu q‟i vận tốc cuối q‟f. Thường chọn vận tốc đầu và vận tốc cuối bằng không qi = qf = 0. Các hệ số giải định được xác định từ hệ phương trình: KS. Trần Xuân Tiến Page 41
43. ROBOT CÔNG NGHIỆP a0 qi a1 q'i 3 2 a3t f a2t f a1t f a0 q f 3a t 2 2a t a q' 3 f 2 f 1 f - Ví dụ 1: Cho trước quy luật chuyển động một bậc tự do của tay máy như sau: Góc xuất phát qi = 0, góc cuối cùng qf = π. Thời gian chuyển động ti = 0, thời gian cuối tf = 1. Vận tốc đầu và vận tốc cuối bằng không: ti = tf = 0. Thay các thông số này vào hệ phương trình giả định ở trên xác định được các ẩn số như sau: a0 = a1 = 0;a2 = 3π;a3 = -2π Có dạng đầy đủ của tất cả các đường cong giả định, vẽ lại các quan hệ chuyển vị, vận tốc và gia tốc nói trên theo kết quả vừa tìm được và tiến hành khảo sát sơ bộ các đặc điểm của chúng có các giới hạn chính như sau: Vận tốc có quy luật bậc 2 với giá trị cực đại: q‟max = 3π/2 khi t = 1/2. Gia tốc biến thiên theo quy luật bậc nhất với:q”max = 6π khi t = 0 và t = 1 Nhược điểm của quy luật này là gia tốc tại điểm đầu và điểm cuối lớn, sinh lực va đập do quán tính. VÞ trÝ (rad) q 3 qf 2 qm 1 qc 0 Thêi gian (s) qi t 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 tc tm tf - tc tf VËn tèc q' (rad/s) 5 4 3 q' c 2 1 0 Thêi gian (s) t 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 tc tf - tc tf VËn tèc q" (rad/s^2) q" c 20 10 tf - tc tf t 0 0 tc -10 - q" c -20 Thêi gian (s) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 - Một dạng quỹ đạo thường sử dụng trong công nghiệp là dạng đa thức hỗn hợp, dạng quỹ đạo này chọn quy luật vận tốc hình thang. Quỹ đạo chia ra làm ba phần rõ rệt, khởi động với gia tốc không đổi, chuyển động tiếp với vận tốc không đổi, về đích với gia tốc không đổi. Quỹ đạo thực tế là hai đoạn parabol (màu đen) nối với nhau bằng một đoạn thẳng (màu đỏ) . Giả thiết qi‟ = qf‟ = 0, giả thiết thời gian tăng tốc và thời gian giảm tốc bằng nhau (q” có giá trị bằng nhau ở điểm đầu và điểm cuối). Các điều kiện trên dẫn đến quỹ đạo đối xứng nhau qua điểm giữa : qm = (qf – qi)/2 tại tm = tf/2. KS. Trần Xuân Tiến Page 42
44. ROBOT CÔNG NGHIỆP Để đảm bảo quỹ đạo là hàm liên tục, vận tốc tại các điểm tiếp giáp đoạn parabol và đoạn thẳng không được nhảy bậc, nghĩa là trên đồ thị chuyển vị đoạn thẳng phải trở thành tiếp tuyến của đoạn parabol, hay hệ số góc của đoạn thẳng phải bằng hệ số góc của đoạn parabol tại điểm tc. (hệ số góc của đường thẳng) '' qm qc qctc tg tm tc 1 2 qc qi qc "tc 2 Trong đó qc là giá trị biến khớp q đạt tới tại thời điểm kết thúc đoạn parabol tc dưới dạng nhanh dần đều, với gia tốc qc”, vì q‟(0) = 0. Kết hợp với ràng buộc liên tục nói trên được phương trình: 2 qc"tc qc"t f tc q f qi 0 Nếu cho trước qc";t f ;qi ;q f đây là phương trình bậc hai một ẩn với tc, giải phương trình 2 t f t f 1 t f qc" 4(q f qi ) này trong khoảng tc nhận được nghiệm như sau: tc 2 2 2 qc" 4 q f qi Để biểu thức dưới dấu căn dương, cần phải có: qc " 2 t f Nếu biểu thức trên nhận dấu bằng thì không có đoạn nằm ngang của vận tốc, biểu đồ vận tốc có dạng tam giác. Như vậy, với các giá trị cho trước của qi; qf và tf từ biểu thức này cho phép tính được gia tốc qc”, sau đó tính được tc, cuối cùng xác định được quỹ đạo từ ba đoạn: 1 q q "t 2 ;0 t t i 2 c c t q(t) q q "t (t c ); t t t t i c c 2 c f c 1 q q "(t t)2 ;t t t t f 2 c f f c f Chú ý rằng quy luật vận tốc hình thang không đảm bảo tối ưu về năng lượng như đạt được với quỹ đạo là đa thức bậc ba, nó tăng khoảng 12,5% so với giá trị tối ưu . b. Chuyển động theo đường. - Ứng dụng trong hàn hồ quang, sơn, xếp dỡ vật liệu trong không gian có nhiều chướng ngại vật - Số lượng điểm của mỗi đường 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 như vậy gọi là các điểm chốt, số lượng điểm này nhiều hay ít tùy thuộc yêu cầu độ chính xác của quỹ đạo. - Bài toán đặt ra là xác định quỹ đạo qua N điểm chốt. Như vậy mỗi biến khớp phải thỏa mãn N điều kiện ràng buộc. Để thực hiện điều đó, có thể nghĩ đến quỹ đạo dạng đa thức bậc (N– 1). Tuy nhiên giải pháp này có các nhược điểm: Không thể khống chế được vận tốc tại điểm đầu và điểm cuối. Bậc đa thức càng cao thì khả năng dao động càng lớn, ảnh hưởng xấu đến trạng thái làm việc của robot. Độ chính xác tính toán các hệ số của đa thức giảm khi bậc của đa thức tăng. KS. Trần Xuân Tiến Page 43
45. ROBOT CÔNG NGHIỆP Hệ phương trình ràng buộc phức tạp và khó giải. Các hệ số của đa thức phụ thuộc tất cả các điểm, vì vậy khi cần sắp xếp lại một điểm thì cũng phải tính toán lại toàn bộ Có thể khắc phục các nhược điểm trên bằng cách sử dụng một quỹ đạo lai, trong đó một số đoạn đa thức bậc cao được thay thế bằng các đoạn đa thức có bậc thấp hơn. Các đa thức thay thế gọi là đa thức nội suy. Để đảm bảo tính liên tục của vận tốc tại các điểm chốt, bậc của đa thức nội suy không thể nhỏ hơn bậc ba, xét quy luật biến thiên theo thời gian của một biến khớp q(t). Đường cong biến thiên của nó gồm N – 1 đoạn đa thức nội suy bậc ba k (t) với k = 1 (N-1). Hàm q(t) nhận giá trị qk tại điểm tk (k = 1 N). Tại điểm đầu t1 = 0, giá trị q1 = qi (i : initial), tại điểm cuối tN = tf (f: finish) có qN = qf. Các giá trị qk chính là đại diện cho các điểm chốt của quỹ đạo. Quỹ đạo được thiết kế cần phải thỏa mãn những điều kiện ràng buộc, nhất định có thể xem xét các trường hợp sau: Giá trị vận tốc tại các điểm q‟(t) tại các điểm chốt là xác định. Giá trị q‟(t) tại các điểm chốt được tính theo các chỉ tiêu xác định. Đảm bảo tính liên tục của gia tốc q”(t) tại các điểm chốt. Đa thức nội suy với giá trị cho trước của vận tốc tại các điểm chốt: Có hai điều kiện chính cần phải đảm bảo: Các đa thức nội suy phải đi qua các điểm chốt (điều kiện với hàm chuyển vị). Vận tốc tại các điểm chốt phải bằng giá trị định trước (điều kiện với đạo hàm bậc nhất của chuyển vị). Nếu trên quỹ đạo có N điểm chốt thì số đa thức bậc ba nội suy kí hiệu k (t) nối các điểm qk và qk+1 là (N – 1). Trong đó mỗi đa thức phải thỏa mãn các ràng buộc sau: k (tk ) qk (t ) q k k 1 k 1 'k (tk ) q'k 'k (tk 1) q'k 1 Mỗi đa thức nội suy bậc ba có 4 hệ số giả định.Chúng được xác định bằng cách giải các hệ phương trình có dạng như trên, cần phải giải (N – 1) hệ để xác định (N – 1) bộ hệ số đã giải định, thường giá trị vận tốc tại điểm đầu và tại điểm cuối được lấy bằng 0. Điều kiện liên tục của vận tốc tại các điểm chốt được đảm bảo bởi điều kiện: 'k (tk 1) 'k 1 (tk 1) . KS. Trần Xuân Tiến Page 44
46. ROBOT CÔNG NGHIỆP Đa thức nội suy với giá trị vận tốc tính toán tại các điểm chốt: Trong trường hợp này giá trị của vận tốc tại các điểm chốt được tính toán từ những điều kiện nhất định. Bằng cách nối các điểm chốt bằng các đoạn thẳng, vận tốc tại các điểm chốt được tính theo quy tắc sau: qk qk 1 Trong đó vk là hệ số góc, tượng trưng cho độ dốc của đoạn thẳng trong khoảng tk tk 1 thời gian (tk – tk-1). Đa thức nội suy với gia tốc liên tục tại các điểm chốt: Cả hai trường hợp nói trên đều không đảm bảo được tính liên tục của gia tốc tại các điểm chốt. Muốn đảm bảo tính liên tục của cả chuyển vị, vận tốc và gia tốc thì đa thức nội suy giữa hai điểm chốt liền nhau phải thỏa mãn các điều kiện ràng buộc: k 1(tk ) qk (t ) (t ) k 1 k k k 'k 1 (tk ) 'k (tk ) "k 1 (tk ) "k (tk ) Trong đó về ý nghĩa các ràng buộc diễn đạt các điểm chính như sau: Ràng buộc thứ nhất chỉ điều kiện đi qua; Ràng buộc thứ hai chỉ điều kiện đi qua cùng một điểm; Ràng buộc thứ ba chỉ hệ số góc tiếp tuyến bằng nhau tại điểm chuyển tiếp trên biểu đồ chuyển vị (hoặc vận tốc chuyển tiếp bằng nhau trên biểu đồ vận tốc); Ràng buộc thứ ba chỉ bán kính cong tức thời tại điểm chuyển tiếp bằng nhau trên biểu đồ chuyển vị (hoặc gia tốc bằng nhau tại điểm chuyển tiếp trên biểu đồ gia tốc). Nội suy đường bậc nhất bằng các đoạn parabol: Một trong những dạng đơn giản nhất của quỹ đạo tay máy gồm các đoạn thẳng, nối với nhau bằng các đoạn parabol tại các điểm chốt. KS. Trần Xuân Tiến Page 45
47. ROBOT CÔNG NGHIỆP Giả sử trên quỹ đạo có N điểm chốt, ứng với thời điểm tk, tại đó biến khớp đạt giá trị qk với k = 1 N. Quỹ đạo nguyên thủy gồm các đoạn thẳng nối với nhau tại các điểm chốt. Để đảm bảo tính liên tục tại các điểm chốt, đường chuyển động được nối bằng các đoạn parabol. Vận tốc và gia tốc tại các điểm chốt được tính như sau: q q q' k k 1 k 1,k t k 1 q'k,k 1 q'k 1,k q"k t'k Trong đó, vận tốc bằng quãng đường di chuyển chia cho thời gian, gia tốc bằng số gia vận tốc chia cho số gia thời gian (đạo hàm của vận tốc theo thời gian). Các đại lượng sau đây đòi hỏi biết trước. tk,k 1 tk 1 tk là vận tốc không đổi ứng với khoảng thời gian q'k,k 1 là khoảng thời gian giữa hai vị trí qk và qk+1 q"k là gia tốc tương ứng với đoạn nối parabol và khoảng thời gian. 4.1.1.2.Quỹ đạo trong không gian công tác - Quỹ đạo trong không gian khớp mô tả diễn tiến theo thời gian của các biến khớp q(t), sao cho phần công tác di chuyển thẳng từ điểm đầu đến điểm cuối của quỹ đạo hoặc đi qua các điểm trung gian.Thực tế khi thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp khó có thể đảm bảo chuyển động chính xác của phần công tác do ảnh hưởng phi tuyến của việc chuyển đổi các quan hệ động học từ không gian khớp sang không gian công tác. Muốn cho phần công tác di chuyển theo đúng lộ trình đã định trong không gian công tác cần thiết kế quỹ đạo trực tiếp trong chính không gian này. Quỹ đạo có thể xác lập bằng cách nội suy đường dịch chuyển qua các điểm chốt hoặc xác lập bằng giải tích hàm chuyển động. - Nhiệm vụ của việc xây dựng quỹ đạo trong không gian công tác là quy luật biến thiên của biến khớp trong không gian thực phải được chuyển đổi về quy luật biến thiên của biến khớp trong không gian khớp để điểu khiển động cơ làm việc. Quỹ đạo của robot trong không gian công tác xây dựng thông qua việc giải bài toán ngược động học. Đây chính là chuẩn đầu vào của hệ điều khiển, người ta dùng phép vi nội suy đường thẳng tăng tần số cập nhật chuẩn đầu vào để cải thiện đặc tính động lực học của hệ thống. - Các nguyên tố của đường dịch chuyển: Một đường dịch chuyển trong không gian có thể tham số hóa theo một số biến chọn trước. Giả sử p là một véc tơ (3x1) và f(σ) là một hàm véc tơ liên tục trong khoảng i ; f , xét phương trình: p f ( ) Khi thay đổi σ trong khoảng thì tập hợp các giá trị tương ứng của p hình thành một đường trong không gian, phương trình nói trên chính là phương trình tham số của đường cong biểu diễn quỹ đạo chuyển động trong không gian công tác, trong đó đại lượng σ là tham số vô hướng. Khi σ tăng điểm p di chuyển trên quỹ đạo theo một hướng nhất định. KS. Trần Xuân Tiến Page 46
48. ROBOT CÔNG NGHIỆP Giả sử gọi điểm pi cố định làm gốc, gọi s là độ dài cung tính từ pi tới p. Mỗi điểm p trên quỹ đạo ứng với một tọa độ s, vì vậy s có thể dùng như một tham số của đường dịch chuyển: p = f(s) Xét một đường G biểu diễn theo tham số (s) như hình vẽ: z O (G) Pf t p Pi n b y 0 x Hãy tưởng tượng rằng đường (G) có mặt cắt ngang vuông góc với đường tâm của nó tại p là một mặt phẳng, pháp tuyến của mặt phẳng đó tại p là tiếp tuyến t, chiều của t là chiều tăng của tham số s để đi từ pi đến pf, mặt phẳng mật tiếp (O) là mặt chứa t và lân cận của (G) ở phía pháp tuyến t. Phương của véc tơ pháp tuyến chính n là giao tuyến của mặt phẳng nhận t là pháp tuyến, với mặt phẳng mật tiếp, chiều của n sao cho t, lân cận của (G) phía sau t, và n cùng phía.Véc tơ b, trục thứ ba của hệ quy chiếu xác định theo quy tắc bàn tay phải. Theo định nghĩa về tọa độ s của điểm p trên đường (G), ta có các quan hệ sau: dp t ds 1 d 2 p n d 2 p ds 2 ds 2 b t.n Sau đây là hai phân tố hình học điển hình thường sử dụng trong xây dựng quỹ đạo. Đoạn thẳng trong không gian công tác: Xét đoạn thẳng nối hai điểm pi và pf. Nó được biểu diễn dưới dạng tham số bởi phương trình sau: s p(s) pi ( p f pi ) p f pi KS. Trần Xuân Tiến Page 47
49. ROBOT CÔNG NGHIỆP (dạng tổng quát của phương trình tham số đường thẳng x = x0 + a.t ở đây pi đóng vai p p trò một điểm đầu của đường thẳng, s là tham số như t, f i là cosin chỉ phương p f pi của đường thẳng, hay quen gọi tắt là véc tơ chỉ phương). Chú ý rằng: p(0) = pi và p( p f pi ) = pf. Vì vậy hướng của đường thẳng là đi từ pi dp p f pi đến pf. Hệ số góc của đường thẳng xác định bởi: . Bán kính cong của ds p f pi d 2 p đường thẳng xác định bởi: 0 .Điều đó có nghĩa là tồn tại vô số mặt phẳng mật ds 2 tiếp, vậy không thể xác định hệ tọa độ (t, n, b) một cách duy nhất. Đường tròn trong không gian công tác: Trong đó véc tơ đơn vị r nằm theo trục đường tròn.Véc tơ vị trí d mô tả một điểm nằm trên trục của đường tròn.Véc tơ pi mô tả vị trí của một điểm nằm trên đường tròn. Kí hiệu pi d , nếu pi không nằm trên trục, nghĩa là đường tròn không suy biến thành một điểm thì điều kiện sau đây phải được thỏa mãn: T r T r cos( ;r) Khi đó có thể xác định tâm của đường tròn thông qua véc tơ sau: c d ( T r)r Cần biểu diễn đường tròn dưới dạng tọa độ của s. Để cho hàm này đơn giản, cần chọn một hệ tọa độ thích hợp O‟x‟y‟z‟. Trong đó O‟ trùng với tâm đường tròn; trục x‟ hướng theo chiều véc tơ (pi – c), trục z‟ hướng theo r, còn y‟ được xác định theo quy tắc bàn tay phải. tọa độ của p trong hệ này tương tự như xác định phương trình tham số đưòng tròn trong tọa độ cực: s cos( ) s p'(s) sin( ) 0 pi c là bán kính đường tròn và điểm pi là gốc tọa độ. Khi thay đổi hệ quy chiếu phương trình biểu diễn đường tròn trở thành: p(s) c Rp'(s) Trong đó R là ma trận quay của hệ tọa độ O‟ so với hệ tọa độ O. Biểu thức của vận tốc và gia tốc dưới dạng hàm số của tọa độ s như sau: KS. Trần Xuân Tiến Page 48
50. ROBOT CÔNG NGHIỆP s 1 s sin( ) cos( ) p dp s d 2 p 1 s R cos( ) ; R sin( ) ds p ds 2 0 0 - Vị trí và hướng trên quỹ đạo: Quỹ đạo trong không gian công tác mô tả bằng hai yếu tố là định vị và định hướng, có thể p mô tả cả hai yếu tố tại mỗi một vị trí thông qua véc tơ: x Vị trí của phần công tác: Gọi p = f(s) là véc tơ (3x1) biểu diễn đường dịch chuyển (G) dưới dạng hàm của tọa độ (s). Gốc tọa độ của phần công tác di chuyển từ điểm pi đến điểm pf trong khoảng thời gian tf, . Để đơn giản đặt gốc tọa độ tại điểm pi hướng của (G) đi từ pi đến pf. Tọa độ của điểm p bất kì trên (G) chính là độ dài cung (s) tính từ pinitial đến p. Tọa độ này là một hàm biểu diễn theo thời gian t, hay còn có thể viết đựơc s = s(t). Vì p = f(s) nên tính được vận tốc di chuyển trên đường (G) bằng cách tính đạo hàm bậc nhất của p theo (s): dp p' s' s't ds Trong đó t là véc tơ tiếp tuyến của đường cong tại p. Như vậy, s‟ biểu diễn độ lớn của véc tơ vận tốc tại p. Giá trị của của p‟ biến thiên từ 0 (thời điểm đầu t = 0) biến thiên theo quy luật hình thang, tùy theo chúng ta sử dụng phép nội suy bậc ba hay bậc nhất và trở lại bằng 0 khi t = tf. Đối với các quỹ đạo thường sử dụng là đường thẳng và đường tròn thì cách tính vận tốc và gia tốc cụ thể như sau: Nếu quỹ đạo có dạng đường thẳng: s p(s) pi ( p f pi ) p f pi s' p' ( p f pi ) s't p f pi s" p" ( p f pi ) s"t p f pi Nếu đường dịch chuyển là đường tròn biểu diễn bởi phương trình đã nói ở mục trước, lần lượt lấy đạo hàm theo thời gian, chú ý rằng s = s(t) ta được: s s'sin( ) s p' R s'cos( ) p 0 KS. Trần Xuân Tiến Page 49
51. ROBOT CÔNG NGHIỆP s 1 s ( s'2 cos( )) s"sin( ) p" R s 1 s ( s'2 sin( )) s"cos( ) Chú ý rằng vận tốc có hướng tiếp tuyến với quỹ đạo tại điểm đang xét. Còn gia tốc có hai thành phần là tiếp tuyến và hướng tâm. Hướng của phần công tác: Hướng của phần công tác như đã nghiên cứu trong chương 2, được mô tả thông qua định vị và định hướng ma trận quay của hệ quy chiếu địa phương gắn với khâu chấp hành so với hệ quy chiếu cơ sở gắn với giá. Hướng của phần công tác có thể mô tả thông qua các ma trận quay, trong đó chú ý rằng ba cột của ma trận quay có 3x3 : 9 thành phần của cosin chỉ phương, chúng không độc lập tuyến tính nên xác định đủ 9 thành phần này là không cần thiết. Việc mô tả định hướng ở đây dựa trên các phép mô tả hướng tối thiểu (MRO) như phép quay RPY hoặc EULER. Định hướng của phần công tác được mô tả tại vị trí đầu và vị trí cuối của quỹ đạo, tại các điểm trung gian được tiến hành nội suy bình thường như nội suy các thông số định vị. Hàm nội suy cũng là các hàm bậc ba hoặc hàm bậc nhất như đã thực hiện đối với vị trí. Như đã chỉ ra ở các phần trước vận tốc góc có quan hệ tuyến tính với đạo hàm bậc nhất thông số mô tả góc quay , là một hàm liên tục theo thời gian. Có nghĩa là nếu gọi i ; f là góc mô tả hướng tối thiểu tại điểm đầu và điểm cuối của quỹ đạo theo thứ tự đó, công thức nội suy sự thay đổi định hướng của khâu, vận tốc thay đổi, gia tốc thay đổi từ điểm đầu cho trước, đến điểm cuối cho trước định hướng như sau: s i ( f i ) f i s' ' ( f i ) f i s" " ( f i ) f i Một phương pháp nữa mô tả sự thay đổi liên tục của các thông số trong bộ thông số định hướng tối thiểu, là vận dụng ma trận biến đổi quay quanh một trục bất kì. Ý tưởng của phương pháp là nếu cho trước định hướng ban đầu trong ma trận Ri, và cho trước định hướng khi kết thúc làm việc là Rf, ta tưởng tượng khâu chấp hành biến đổi vị trí liên tục từ Ri đến Rf thì tồn tại một ma trận chuyển tổng quát RT có giá trị thay đổi tại T từng điểm trên quỹ đạo, sao cho hệ thức sau luôn được thỏa mãn: R f R Ri Việc xác định ma trận RT thực hiện bằng các thuật toán ngược động học. 4.1.2. Điều khiển chuyển động. - Điều khiển quỹ đạo trong gian khớp: Ở đây bài toán động học ngược được giải trước để chuển các thông số từ không gian công tác sang không gian khớp. Xem lược đồ sau: KS. Trần Xuân Tiến Page 50
52. ROBOT CÔNG NGHIỆP Mạch điều khiển nhận giá trị đặt của các biến khớp (có thể qua hệ số chuyển đổi nào đó) và điều khiển khớp theo sát diễn tiến thời gian của biến khớp. Mạch điều khiển này đơn giản song độ chính xác bị hạn chế do đối tượng bị giám sát trực tiếp là phần công tác lại nằm ngoài mạch điều khiển. - Điều khiển trong không gian công tác: Nhận trực tiếp thông số của không gian khớp làm số liệu đầu vào, bài toán ngược được giải trong mạch phản hồi. Sơ đồ này có hai nhược điểm cơ bản là hệ điều khiển phức tạp hơn. Thứ hai hệ thống đo thường gắn lên các các khớp, giám sát trực tiếp các thông số của khớp. Muốn chuyển chúng sang không gian công tác thì phải thực hiện các phép tính động học thuận, đó cũng là nguyên nhân phát sinh sai số. 4.1.2.1.Điều khiển trong không gian khớp. 4.1.2.2.Điều khiển độc lập a. Điều khiển có liên hệ ngược. b. Điều khiển có bù. 4.1.2.3.Điều khiển tập trung a. Điều khiển PD có bù trọng lực b. Điều khiển dùng động lực học. 4.1.2.4.Điều khiển trong không gian công tác. a. Các dạng sơ đồ chung. b. Điều khiển PD có bù trọng lực c. Điều khiển dùng động lực học ngược. KS. Trần Xuân Tiến Page 51
53. ROBOT CÔNG NGHIỆP 4.2. Cơ sở thiết kế và lựa chọn robot. 4.2.1. Các thông số kỹ thuật của robot công nghiệp. 4.2.1.1.Sức nâng của tay máy. - Đó là khối lượng (kg) mà robot có thể nâng được (không kể tự trọng bản thân của các khâu thuộc cánh tay) trong những điều kiện nhất định, ví dụ khi tốc độ dịch chuyển cao nhất hoặc khi tầm với lớn nhất. Nếu robot có nhiều tay thì đó là tổng sức nâng của các tay phối hợp với nhau, thông số này quan trọng với các thông số vận chuyển lắp ráp Các robot có sức nâng lớn thường dùng hệ truyền động điện hoặc thủy lực, khuynh hướng sử dụng động cơ điện ngày càng tăng, truyền động khí nén thường chỉ áp dụng với các tay máy đòi hỏi sức nâng dưới 40(kg). Đối với một số kiểu robot người ta còn quan tâm đến lực hoặc mô men lớn nhất mà cánh tay hoặc bàn tay có thể tạo ra. 4.2.1.2.Số bậc tự do của phần công tác. - Đó là tổng số các tọa độ mà phần công tác có thể dịch chuyển so với thân robot. Số bậc tự do càng lớn thì hoạt động của robot càng linh hoạt nhưng điều khiển nó càng phức tạp, thống kê thực tế cho thấy phần lớn robot có 4 – 5 bậc tự do.Vì phần kẹp không được tính vào bậc tự do, trên thực tế bậc tự do được tạo ra bởi hai phần chính là cánh tay và cổ tay. - Công thức tổng quát để tính số bậc tự do của một cấu trúc là: DOF = 6n – i.ki - Trong đó n là số khâu chuyển động đựơc của cấu trúc, ki là số khớp loại i. 4.2.1.3.Vùng công tác. - Vùng công tác hay vùng làm việc diễn đạt không gian quanh robot, đó là tập hợp những điểm mà bàn kẹp hay dụng cụ trong bàn kẹp có thể thỏa mãn đồng thời cả định vị và định hướng tại điểm bất kì thuộc vùng đó. Đôi khi người ta cũng hiểu là chỉ cần đạt được định vị. Khi nói đến vùng làm việc người ta nói đến hai yếu tố, là hình dạng của nó và các kích thước đặc trưng để mô tả vùng đó. Kích thước của vùng làm việc không chỉ phụ thuộc vào kích thước các khâu mà cả thứ tự chuyển động của các khâu. - Một thông số khác liên quan đến vùng làm việc là tầm với của cánh tay, tầm với tăng, mức độ mất ổn định cũng gia tăng, đồng thời độ chính xác giảm. - Vùng làm việc là một miền liên tục song trong đó lại chứa những điểm mà khâu tác động sau cùng không thể vươn tới do các giới hạn về kết cấu, thuật ngữ chuyên môn gọi các điểm này là lỗ trống. 4.2.1.4.Độ chính xác định vị. - Độ chính xác định vị thể hiện khả năng đối tượng đạt được chính xác tới điểm đích. Đó là một thông số quan trọng, ảnh hưởng đến sự thao tác chính xác của phần công tác và khả năng bám quỹ đạo của nó. Đối với thiết bị điều khiển số, độ chính xác định vị liên quan đến hai vấn đề, độ phân giải điều khiển và độ chính xác lặp lại. 4.2.1.5.Tốc độ dịch chuyển. - Xét về yếu tố năng suất người ta mong muốn tốc độ dịch chuyển nói chung càng cao càng tốt. Tuy nhiên về mặt cơ học, tốc độ cao sẽ dẫn đến những vấn đề như giảm tính ổn định, lực quán tính lớn, các cơ cấu ma sát mòn nhanh hơn. - Xét về mặt điều khiển với độ phân giải sẵn có của bộ điều khiển, khi tăng tốc độ dịch chuyển có thể làm giảm độ chính xác định vị. Vì vậy vấn đề chọn tốc độ dịch chuyển hợp lí cũng đặt ra khi thiết kế và lựa chọn robot. 4.2.1.6.Đặc tính của bộ điều khiển. KS. Trần Xuân Tiến Page 52
54. ROBOT CÔNG NGHIỆP - Robot là sản phẩm cơ điện tử nên ngoài khâu khớp còn có bộ não của robot là các thiết bị điều khiển. - Kiểu điều khiển: có hai kiểu điều khiển hay dùng nhất cho RBCN là điều khiển điểm - điểm và điều khiển contuor. Điều khiển điểm - điểm thường dùng cho các robot hàn điểm, tán đinh, vận chuyển. Điều khiển contuor dùng cho các robot hàn đường, phun sơn, tạo mẫu - Dung lượng bộ nhớ: Bộ nhớ trên robot hiện đại chia làm hai phần: Bộ nhớ hệ thống lưu trữ các phần mềm hệ thống, phần mềm công dụng chung như hệ điều hành, dữ liệu máy, các mô đun chương trình tính toán động học, động lực học. Bộ nhớ chương trình dùng lưư trữ các chương trình ứng dụng do người dùng tạo ra. Thường bộ nhớ chương trình là RAM, dung lượng của nó là một thông số đáng quan tâm. - Giao diện với các thiết bị ngoại vi: Các thiết bị ngoại vi là các thiết bị mà robot phải phục vụ hay phối hợp làm việc. Chẳng hạn máy công cụ, phương tiện vận chuyển như băng tải, máng tải, thiết bị đo lường, hoặc các thiết bị hiển thị, in ấn nhập dữ liệu Hầu hết các robot phục vụ trong dây chuyền có khả năng ghép nối trong hệ CIM thông qua giao diện truyền thông chuẩn. Điều này có thể giúp mở rộng khả năng công nghệ vốn có của robot ra ngoài đặc tính chuẩn của nó, thông qua việc xây dựng dữ liệu bằng ngôn ngữ chuẩn của nhà sản xuất sau đó kết nối vào từ bên ngoài. - Các tiện ích: Tiện ích của robot bao gồm lập trình có trợ giúp đồ họa, hệ thống dạy - học, mô phỏng gia công. Những tiện ích này làm cho robot thân thiện hơn với người sử dụng. 4.2.2. Thiết kế và tổ hợp robot. 4.2.2.1.Các nguyên tắc chung. - Thiết kế robot gồm hai mảng công việc chính, thiết kế cấu trúc cơ khí và thiết kế phần điều khiển. Thiết kế cấu trúc cơ khí cũng tuân thủ các nguyên tắc chung của thiết kế máy. Nhìn chung các bậc tự do dẫn động độc lập, sử dụng các nguồn dẫn động tiêu chuẩn. Những điều này là điều kiện thuận lợi để xây dựng các môđun cơ khí chuẩn. Các mô đun quay thân, mô đun cổ tay, mô đun nâng hạ cánh tay trên cơ sở đó các robot có chức năng và hình dạng vùng làm việc được tạo ra bằng cách ghép các mô đun có chức năng và công suất tương ứng với nhau. - Xuất phát từ yêu cầu công nghệ: Robot có tính vạn năng song mỗi robot được thiết kế và chế tạo để trực tiếp thực hiện, hoặc phục vụ cho một quá trình sản xuất cụ thể. Vì vậy các thông số kỹ thuật của robot phải đáp ứng được các yêu cầu công nghệ của quá trình sản xuất cụ thể đó. Mỗi một quá trình công nghệ có đặc điểm riêng, cần nghiên cứu kĩ trước khi bắt tay vào thiết kế. - Đảm bảo sự đồng bộ với hệ thống: Robot phải làm việc trong hệ thống công nghệ cùng với các đối tượng khác, nên chúng phải làm việc theo đúng nhịp độ để có thể phối hợp theo đúng ý đồ. Vì vậy trạng thái của robot cũng như các đối tượng káhc phải được giám sát thường xuyên, thực chất đây là nội dung nằm trong thiết kế phần điều khiển. - Chọn kết cấu điển hình: Tương tự như thiết kế máy, quá trình thiết kế robot cũng có tính kế thừa, căn cứ trên mẫu các thiết kế đã có, các kết cấu điển hình, đã làm việc ổn định mà không cần cải tiến sửa đổi gì hơn nữa sẽ được giữ lại. Sự phát triển cao của kỹ thuật này là tạo ra các mô đun tiêu chuẩn. Khi cần có một robot mới, sẽ tổ hợp các mô đun có chức năng và công suất phù hợp với nhau để đáp ứng tốc độ xây dựng thiết bị. - Đảm bảo sự hòa hợp giữa robot và môi trường: Để robot bền lâu, hiệu quả an toàn và tin cậy thì cần phải làm cho giưa các đối tượng này có sự hài hòa. Hoặc cải tạo môi trường như lọc bụi, điều hòa không khí và độ ẩm, thông gió, hoặc bảo vệ robot làm kín, cách li, làm KS. Trần Xuân Tiến Page 53
55. ROBOT CÔNG NGHIỆP mát cục bộ cho robot khỏi các tác động bất lợi của môi trường. Các thiết bị điện tử công nghiệp ngày nay được thiết kế chuyên dụng nên có độ thích nghi rất cao với môi trường. - Sự hòa hợp giữa robot với người dùng: Đáp ứng tiêu chí dễ sử dụng, thẩm mỹ công nghiệp. - Thiết kế có định hướng sản xuất: Nói về tính công nghệ trong chế tạo, hay cụ thể là tính công nghệ trong kết cấu. 4.2.2.2.Các bước cần thực hiện khi thiết kế. Robot là một máy tự động khả trình, là sản phẩm điển hình của cơ điện tử. Về nguyên tắc thiết kế giống như thiết kế máy về cơ bản. 1. Phân tích quá trình công nghệ để xác định khâu nào cần phải sử dụng robot, chú ý các công đoạn có điều kiện lao động khắc nghiệt, các công đoạn lặp đi lặp lại đơn điệu. Sơ bộ đánh giá hiệu quả sử dụng robot vào khâu đó. 2. Nghiên cứu các thông số kết cấu của đối tượng dự định sẽ xử lí bằng robot, như hình dạng, khối lượng, trạng thái vật lí, sự phân bố khối lượng của vật thể. 3. Nghiên cứu điều kiện môi trường sử dụng robot như nhiệt độ, bụi, rung động, khả năng gây cháy nổ. 4. Xác định các thông số kĩ thuật chính của robot theo yêu cầu công nghệ, từ đó tính toán các chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật, lựa chọn các chỉ tiêu kinh tế, kĩ thuật phù hợp. 5. Phân chia kết cấu thành các cụm cơ cấu chính. Xác định cụm nào có khả năng trùng với các mô đun có sẵn, cụm nào có thể sử dụng các thiết kế tương tự, cụm nào phải thiết kế chế tạo mới hoàn toàn. Phân chia nhiệm vụ cho các cụm chuyên nghành phù hợp. 6. Tổ hợp hệ thống, thử nghiệm trên mô hình. Trong giai đoạn này nên sử dụng các kĩ thuật mô phỏng, mô hình hóa trên máy tính để giảm chi phí và thời gian thử nghiệm. 7. Chế thử, thử nghiệm robot trong phòng thiết kế và trong sản xuất. 8. Đánh giá kết cấu về tính năng kĩ thuật, công nghệ chế tạo và tính kinh tế. Từ đó đề xuất các biện pháp hoàn thiện kết cấu và công nghệ chế tạo. 4.2.2.3.Thiết kế theo phương pháp tổ hợp môđun. - Mục đích của phương pháp tổ hợp mô đun, là làm giảm thời gian chuẩn bị sản xuất khi có yêu cầu thay đổi thiết bị công nghệ. Dựa trên nguyên tắc tiêu chuẩn hóa kết cấu các cụm có công dụng chung, có nguồn dẫn động độc lập, có mặt lắp ghép tiêu chuẩn. Trong từng kiểu môđun lại có nhiều gam ứng với công suất khác nhau để ứng dụng cho các mục tiêu khác nhau. Về cơ bản có thể chế tạo thêm các chi tiết phụ khác nên có thể hoàn thiện thiết bị với tính năng mới trong thời gian ngắn nhất. - Thiết kế theo phương pháp tổ hợp mô đun có các ưu điểm chính như sau:  Giảm thời gian thiết kế và chế tạo, vì sử dụng các bản thiết kế có sẵn hoặc các cụm chế tạo có sẵn trên thị trường. Nhiệm vụ của người thiết kế mới chỉ là tổ hợp các cụm được chọn theo yêu cầu thực tế và chế tạo bổ xung các chi tiết phụ.  Thỏa mãn các điều kiện làm việc tiêu chuẩn với kết cấu đơn giản, sử dụng được các giải pháp kết cấu tối ưu, ít phạm phải các kết cấu và chức năng thừa. Khi thay đổi yêu cầu công nghệ.  Nâng cao chất lượng và độ tin cậy của thiết bị, vì các cụm tiêu chuẩn được chế tạo với chất lượng cao, được thử nghiệm tại các cơ sở chuyên môn hóa có kinh nghiệm, được đầu tư đầy đủ các thiết bị gia công và thử nghiệm chuyên dùng.  Giảm giá thành thiết bị vì các cụm được sản xuất với tính loạt cao.  Vì các mô đun được tiêu chuẩn hóa cao nên nhiều robot sẽ cùng sử dụng chung một số mô đun nào đấy, điều này tạo sự thuận lợi khi bảo trì bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế về sau. KS. Trần Xuân Tiến Page 54
56. ROBOT CÔNG NGHIỆP - Nhược điểm cơ bản của phương pháp tổ hợp mô đun là khó thỏa mãn các yêu cầu cá biệt. Có một số trường hợp làm cho thiết bị cồng kềnh, nặng nề, tính năng kĩ thuật không hợp lí. Mặt khác phải tốn kém rất nhiều cho sự thống nhất hóa tiêu chuẩn hóa kết cấu. - Sự tiêu chuẩn hóa kết cấu nhằm giảm số lượng chủng loại sản phẩm nên luôn luôn mâu thuẫn với yêu cầu đa dạng và yêu cầu sử dụng chúng. Mặt khác sự phát triển không ngừng trong kĩ thuật vật liệu, trình độ thiết kế, công nghệ chế tạo luôn luôn có xu hướng phá vỡ tiêu chuẩn đã xây dựng. Lựa chọn chỉ tiêu để tiêu chuẩn hóa và thống nhất hóa là điều khá khó khăn, đối với robot người ta dựa trên các chỉ tiêu sau: - Theo tính năng: Robot trong các gam khác nhau có thể khác nhau về sức nâng khi cùng kết cấu, có thể khác nhau về tốc độ dịch chuyển, có thể khác nhau về độ chính xác định vị tương tự người ta cũng phân chia robot theo kiểu điều khiển, ví dụ điều khiển điểm - điểm, điều khiển contuor. - Theo chức năng: Thống nhất hóa và tiêu chuẩn hóa các cụm có chức năng cơ bản như cụm tạo ra chuyển động thẳng, tạo ra chuyển động quay, cụm bàn kẹp, cụm có chức năng đo lường - Theo công nghệ: Thống nhất hóa và tiêu chuẩn hóa theo điều kiện sử dụng, ví dụ robot phun sơn, robot hàn, robot lắp ráp 4.2.3. Một số kết cấu điển hình của robot. - Để minh họa các quan điểm trên trong mục này sẽ giới thiệu một số kết cấu điển hình của các tay máy công nghiệp, do các nước tiên tiến trên thế giới thiết kế và chế tạo. Các kết cấu này có thể kế thừa trong các thiết kế về sau nếu thấy không có vấn đề gì cần cải tiến sửa đổi. 4.2.3.1.Robot cố định trên nền dùng hệ tọa độ đề các và tọa độ trụ. - Đặc trưng của phần tạo ra tọa độ trụ là kết cấu dẫn hướng theo phương thẳng đứng, để phần cánh tay có tầm với thay đổi trong một phạm vi hẹp vừa có khả năng thay đổi cao độ của mặt phẳng làm việc, nếu không kể các bậc tự do khác vùng làm việc tạo ra bởi kết cấu này chỉ là một hình chữ nhật hướng tâm trong mặt phẳng thẳng đứng. Mặt trụ đựơc tạo ra toàn bộ hoặc một phần tùy theo kết cấu cơ khí cụ thể nhờ chuyển động quay toàn bộ phần dẫn hướng thẳng đứng. 4.2.3.2. Rôbot cố định trên nền dùng hệ tọa độ cầu. KS. Trần Xuân Tiến Page 55
57. ROBOT CÔNG NGHIỆP - Khớp cầu được tạo thành từ ba khớp quay có đường tâm giao nhau, điển hình cho kết cấu này là cổ tay robot kiểu cầu: - Cơ cấu có ba bậc tự do với truyền động vi sai khử khe hở bộ truyền, mỗi một chuyển động chấp hành là hệ quả của việc tổng hợp chuyển động từ hai nguồn cùng quy luật truyền tới có tác dụng tạo ra chuyển động vặn ngược nhau hai khâu đồng trục. Ba chuyển động có bốn khâu nền (1, 2, 3, B). Tâm của khớp cầu là giao điểm của 8 bánh răng côn như lược đồ. Để kết cấu này làm việc cần có phần đóng mạch mang các cơ cấu vi sai nữa. Phương pháp tạo ra tọa độ cầu thứ hai, là kết hợp hai chuyển động quay trùng tâm và một chuyển động tịnh tiến hướng kính qua tâm quay đó. 4.2.3.3.Robot treo. - Robot treo được lắp và chuyển động trên các đường ray trên không, ưu điểm của chúng là không chiếm diện tích sản xuất, ít cản trở hoạt động của các thiết bị khác và có vùng làm việc rộng. Các robot treo có thể vận chuyển nguyên vật liệu, thiết bị trong từng phân xưởng hoặc giữa các phân xưởng. Chúng có thể phục vụ nhiều thiết bị khác nhau trong dây chuyền, có thể sử dụng chúng vào việc lắp ráp, phun sơn hoặc hàn Các robot treo có thể phân ra hai loại, chuyển động theo một phương (kiểu palăng), hoặc chuyển động theo hai phương (kiểu cầu trục). KS. Trần Xuân Tiến Page 56
58. ROBOT CÔNG NGHIỆP 4.2.3.4.Robot có điều khiển thích nghi. - Robot thích nghi là robot có khả năng tự phản ứng có lợi trước những diễn biến bất lợi của môi trường mà người lập trình không lường trước được, hệ điều khiển của robot treo thường được xây dựng trên cơ sở điều khiển mờ. Sự phản ứng của robot dựa vào các thông số đo được của môi trường, ví dụ vị trí, tính chất vật lí của đối tượng, hoặc dựa vào trạng thái các cơ cấu trong robot. Trong trường hợp này chương trình điều khiển chỉ định hướng sơ bộ các hoạt động của robot, chính nó sẽ phải tìm hiểu và chính xác hóa các hoạt động của mình trên cơ sở phân tích các thông tin thu nhận được từ môi trường. Nhờ khả năng thích nghi mà robot kiểu này có thể làm được những việc mà robot thông thường không làm được, chẳng hạn tìm kiếm, lắp ráp, thay đổi lực kẹp phù hợp Phần lớn các robot thông thường đều có thể trở thành robot thích nghi nếu trang bị các sensor để thu nhận các thông tin về môi trường, chương trình phân tích thông tin thu được và ra quyết định với thông tin thu được. - Các robot sau đây có thể cầm nắm được những vật khác nhau về hình dáng và kích thước là do cảm biến lực gắn với ngón tay điều khiển. 4.3.Cơ cấu tay kẹp. - Phần công tác của robot rất đa dạng, trên các robot chuyên dùng thì phần công tác cũng là thiết bị chuyên dùng. Ví dụ mỏ hàn, mỏ cắt, súng phun sơn, chìa vặn vít, bàn kẹp. - Trên các loại robot vạn năng thường là robot lắp ráp, vận chuyển, xếp dỡ thì phần công tác có chức năng nắm giữ và thực hiện các thao tác khác nhau với đối tượng (xoay, nhấc, lật, KS. Trần Xuân Tiến Page 57
59. ROBOT CÔNG NGHIỆP thả ), nếu không đề cập đến sự khác biệt về kết cấu mà căn cứ vào chức năng chính của chúng, ta gọi chung là tay kẹp. Các hình ảnh sau minh họa các kết cấu từ đơn giản đến phức tạp của bộ phận này. 4.3.1. Khái niệm và phân loại tay kẹp. KS. Trần Xuân Tiến Page 58
60. ROBOT CÔNG NGHIỆP - Tay kẹp của robot là phần tương ứng với bàn tay trên cánh tay người, có chức năng thao tác trực tiếp với đối tượng công nghệ, cụ thể là tác động lên đối tượng để thay đổi vị trí, định hướng của đối tượng để đạt những mục đích công nghệ xác định. - Tay kẹp được phân loại theo nhiều đặc trưng khác nhau như theo công dụng, theo phương pháp giữ vật, theo tính vạn năng. Chúng ta quan tâmđến các đặc trưng liên quan trực tiếp đến kết cấu như sau:  Theo nguyên lí tác động có tay kẹp cơ khí, chân không, từ trường, tĩnh điện  Theo khả năng điều khiển, có tay kẹp không điều khiển, điều khiển cứng, điều khiển thích nghi.  Theo nguồn năng lượng có các loại tay kẹp có dẫn động và không có dẫn động. 4.3.2. Kết cấu của tay kẹp. 4.3.2.1. Tay kẹp cơ khí. - Đó là loại tay kẹp để giữ, di chuyển đối tượng bằng các mỏ kẹp, móc, càng, tấm đỡ (xem các minh họa phần trên). - Tay kẹp không có điều khiển dùng các loại mỏ, nhíp, chấu để kẹp vật nhờ tác dụng của lò xo hoặc nhờ lực đàn hồi của chính các chi tiết trong hệ thống. Kết cấu của các loại kẹp này rất đơn giản, chúng không có nguồn dẫn động riêng, không có cơ cấu hãm nên lực kẹp dao động theo kích thước của đối tượng. Vì vậy chúng thuộc loại tay kẹp chuyên dùng, được thiết kế cho từng loại đối tượng cụ thể, với phạm vi thay đổi kích thước hẹp. Do các đặc điểm nêu trên, chúng được dùng chủ yếu trong sản xuất hàng khối. Xem minh họa cơ cấu này như sau: Để đảm bảo làm việc tin cậy và ổn định ngay cả khi có biến động kích thước của đối tượng, tay kẹp được bổ xung cơ cấu hãm, ví dụ như cơ cơ minh họa dưới đây. Nhờ có cơ cấu hãm mà tay kẹp làm việc với hành trình kẹp và nhả rành mạch hơn dù vẫn không có nguồn dẫn động riêng. Các tay kẹp dùng với vật tròn xoay như hình vẽ ( ), lực kẹp được tạo ra dưới tác dụng của trọng lực, tấm nêm 4 tác động lên đuối của các mỏ kẹp 1. Khi đặt vật xuống, nêm 4 tiến gần đến vật, hai mỏ kẹp được giải phóng, vật được nhả ra dưới tác dụng của lực kéo từ lò xo 13. Chú ý tới cơ cấu hãm, nó gồm thân 7 gắn liền với cần 5. Chốt hãm 10 gắn trên cần 12 nhưng có thể quay tự do trên đó. Trong lỗ của thân 7 có lồng 2 bạc không quay được 8 và 9. Bạc 8 có các vấu phía dưới, bạc 9 có cả vấu trên và dưới. Các vấu này khi ăn khớp và trượt tương đối với các vấu trên chốt 10 sẽ làm quay chốt đó 450. Trong hành trình nhả, thân 7 tiến gần đến đầu 3, chốt 10 tiếp xúc với bạc 8, quay 450, khi đi xuống tiếp xúc với mặt trên của bạc 9 lại quay tiếp 450 và bị mắc trong lỗ. Hai mỏ kẹp bị giữ ở trạng thái nhả. Trong hành trình kẹp, sau khi chốt 2 tiếp xúc với vật, đầu 3 và thân 7 tiến gần đến nhau. Chốt 10 tiếp xúc với bạc 8, bị quay 450. Khi đi xuống chốt 10 lại tiếp xúc với bạc 9, bị KS. Trần Xuân Tiến Page 59
61. ROBOT CÔNG NGHIỆP quay tiếp 450 nữa. Kết quả là chốt lọt qua được rãnh và lọt ra khỏi lỗ. Các mỏ 1 được khóa ở trạng thái kẹp. 7 8 6 9 5 10 11 4 12 3 13 2 1 Để kẹp các chi tiết có dạng bánh răng, bạc, đĩa ở tư thế thẳng đứng thường sử dụng loại tay kẹp có nguyên lí hoạt động tương tự với kết cấu như sau: - Hai loại tay kẹp trên được dùng trong sản xuất loạt lớn hàng khối, để nhấc các vật tròn xoay khối lượng không quá 30(kg), kích thước không được dao động quá 0,5 (mm). Chúng được coi là tay kẹp có phạm vi công tác cứng. - Loại tay kẹp có phạm vi công tác hẹp cho phép sai số của mặt được kẹp tới 1,5 – 2 (mm), trong kết cấu minh họa dưới đây, nó kẹp vào mặt trụ trong của lỗ bánh răng nhờ vào dãy bi 2, xếp theo vòng tròn. Mặt côn 1 có góc ma sát nhỏ hơn góc ma sát giữa các viên bi và vật liệu chi tiết (thường từ 50 – 60), tạo ra chuyển động khi nhấc vật (chuyển động lên) và nhả vật (chuyển động xuống). 3 2 1 KS. Trần Xuân Tiến Page 60
62. ROBOT CÔNG NGHIỆP - Để tăng độ tin cậy khi kẹp và nhả, có lực kẹp lớn, phạm vi công tác lớn, người ta dùng tay kẹp có dẫn động. Nguồn động lực là động cơ thủy lực hoặc khí nén. Dưới đây là hình minh họa cơ cấu tay kẹp có truyền động thủy lực, sử dụng hai càng kẹp. Mỏ kẹp có thể thay thế được vì vậy có thể kẹp vào mặt trong hoặc mặt ngoài của đối tượng. - Để điều chỉnh khoảng cách giữa hai mỏ kẹp trong phạm vi không lớn lắm, có thể sử dụng kết cấu càng kẹp quay quanh tâm nhờ vít điều chỉnh như sơ đồ dưới đây: - Sau đây là các cơ cấu tay kẹp với truyền động khí nén. Các tay kẹp có mỏ kẹp thay đổi được để dùng với các bề mặt khác nhau về hình dáng và kích thước. - Cơ cấu hình bình hành được sử dụng để duy trì độ song song hai má kẹp, khi kích thước vật kẹp thay đổi trong một phạm vi lớn. - Thay cho dùng cơ cấu tay đòn, càng kẹp, trên nhiều tay kẹp người ta dùng cơ cấu thanh răng, trong đó các đuôi mỏ kẹp có dạng quạt răng. Ưu điểm của cơ cấu này là gọn, làm việc tin cậy. Các sơ đồ trên hình vẽ cũng biểu diễn các dạng mỏ kẹp tự định tâm. Chúng có thể làm việc ở hai vị trí, ví dụ vị trí kẹp phôi và vị trí đưa phôi vào mâm cặp máy tiện: KS. Trần Xuân Tiến Page 61
63. ROBOT CÔNG NGHIỆP 4.3.2.2.Tay kẹp chân không và điện từ: - Kết cấu của hai kiểu tay kẹp này được thể hiện như hình vẽ dưới đây. Các kiểu tay kẹp này dùng lực hút chân không (hoặc lực từ) để nhấc và di chuyển đối tượng. Trong một vài trường hợp, người ta còn dùng cả lực hút tĩnh điện. Ưu điểm chính của lọai tay kẹp này là có kết cấu đơn giản, có thể dùng với các loại bề mặt hay các loại vật liệu mà tay kẹp cơ khí khó đáp ứng, ví dụ chi tiết phẳng, mỏng nhưng rộng như tấm tôn, hoặc giấy mỏng, hình dạng chi tiết phức tạp, vị trí của chi tiết thay đổi ngẫu nhiên. Tuy có nhiều điểm giống nhau song cơ cấu kẹp điện từ và kẹp khí nén có những đặc điểm khác nhau về sử dụng thống kê trong bảng sau: 4.3.2.3.Tay kẹp dùng buồng đàn hồi. - Buồng đàn hồi thường được làm bằng cao su, chất dẻo. Lực kẹp sinh ra do sự biến dạng của buồng đàn hồi dưới tác dụng của khí nén hoặc thủ lực. Hình vẽ dưới đây minh họa cho kết cấu và nguyên lí làm việc của tay kẹp kiểu này. Các chi tiết có thể được định vị và kẹp chặt KS. Trần Xuân Tiến Page 62
64. ROBOT CÔNG NGHIỆP mặt trụ trong hoặc mặt trụ ngoài nhờ buồng đàn hồi hình trụ, cũng có thể định vị bằng khối V và kẹp chặt bằng vòng ôm đàn hồi. 1 3 1 1 2 6 2 5 L 3 4 G L L 2 5 4 4 D 5 3 D1 D D1 D2 B D2 4.3.2.4.Tay kẹp thích nghi: - Trên các tay kẹp kiểu này người ta lắp đặt các sensor để thu nhận thông tin về sự tồn tại, vị trí, hình dáng, kích thứơc khối lượng, trạng thái bề mặt, màu sắc của đối tượng để robot tự động tìm cách xử lí thích hợp. Chẳng hạn nhận hay không nhận, thay đổi nơi chuyển đến, thay đổi vị trí và lực kẹp. Trên hình vẽ minh họa tay kẹp kiểu Anthropomorphic (tay người) có 4 ngón kẹp, các đối nối với bàn tay bằng chốt, các ngón có thể co duỗi như tay người. - Trên các ngón tay, lớp màu tối là cảm biến được gắn vào ngón tay là điểm trực tiếp tiếp xúc với đối tượng thao tác của robot. Các cảm biến có dây truyền tín hiệu về cụm điều khiển trung tâm xử lí. Robot từ chỗ có cơ bắp, phát triển đến chỗ có thần kinh như con người gọi là robot phỏng sinh. 4.3.3. Phương pháp tính toán tay kẹp. 4.3.3.1.Tính toán tay kẹp cơ khí: Tính lực tiếp xúc: Lực tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa mỏ kẹp và đối tượng được xác định với hai mục đích: Đủ lực kẹp đồng thời không làm hỏng bề mặt được kẹp. Trong phần này sử dụng các kí hiệu sau:  Q - tải trọng tính toán.  C - Khoảng cách từ điểm từ điểm đặt tải đến mỏ kẹp đang xét;  L – Kích thước tay kẹp;  Rn - Phản lực trên mỏ kẹp thứ n;  - Góc giữa trục phôi và lực Rn;  Ni - Lực tiếp xúc giữa mỏ kẹp và vật;  i - Góc giữa hình chiếu của lực Rn lên mặt phẳng và lực Ni;  - Góc ma sát giữa vật liệu mỏ kẹp và vật liệu vật kẹp. - Các tính toán dựa trên các nguyên tắc đã nêu trên, kết quả cho một số dạng tay kẹp điển hình thể hiện như sau: KS. Trần Xuân Tiến Page 63
65. ROBOT CÔNG NGHIỆP L L L c c c R2 R2 Q Q R1 Q R2 R1 R1 H×nh b H×nh a l c c Trường hợp a, chịu lực đối xứng: R Q, R Q 1 l 2 l l c c Trường hợp b, chịu lực không đối xứng: R Q, R Q 1 l 2 l Đặc điểm: đối tượng đựơc đỡ bởi cơ cấu kẹp nên lực ma sát ảnh hưởng rất ít đến lực kẹp. - Với khối V thẳng đứng tạo lực ép từ hai bên, vừa định tâm, vừa kẹp chặt như hình vẽ: N2 N1 Ø2 Ø 3 1 Ø 0 Rn N3 Liên hệ toán học giữa các đại lượng có mặt trong mô hình: 2 cos (1 )sin( j k ) sin (sin j sin k (cos j cos k )) N1 Rn 2 (1 )[sin( 1 2 ) sin( 2 3 ) sin( 3 1)] Trong đó i, j, k = 1, 2, 3 Với i, j, k không trùng nhau. Đặc điểm: đối tượng đựơc đỡ bởi cơ cấu hãm nên lực ma sát ảnh hưởng nhất định đến lực kẹp - Với khối V nằm ngang vừa định vị vừa kẹp chặt, trọng lực theo phương thẳng đứng: N1 Ø2 2 Ø N 3 1 Ø N3 Rn Trong trường hợp này KS. Trần Xuân Tiến Page 64
66. ROBOT CÔNG NGHIỆP 0 Rn sin( j k ) 0 ; Ni sin( 1 2 ) sin( 2 3 ) sin( 3 1) Trong đó i, j, k = 1, 2, 3 Với i, j, k không trùng nhau. Đặc điểm: đối tượng đựơc giữ bởi lực ma sát, ảnh hưởng của lực ma sát đến lực kẹp rất lớn. - Trong trường hợp sử dụng cả hai khối V như hình vẽ: Ø N1 Ø N2 1 Ø2 1 Ø2 N1 N2 Rn Rn Công thức xác định các phản lực: sin j cos j Ni Rn sin( 1 2 ) 2 cos( 1 2 ) Với i, j không trùng nhau. Trong đó i, j, k = 1, 2 Đặc điểm: đối tượng đựơc đỡ bởi cơ cấu kẹp nên lực ma sát ảnh hưởng rất ít đến lực kẹp. - Khi vật kẹp được định vị bằng khối V, giữ bằng cơ cấu hãm: N1 Ø 1 N2 Ø2 Rn Công thức xác định phản lực: 0 1 90 ; 2 ; sin cos N R ; 1 n cos 2sin 1 N R ; 2 n cos 2 sin Đặc điểm: đối tượng đựơc đỡ bởi cơ cấu hãm nên lực ma sát ảnh hưởng nhất định đến lực kẹp - Khi vật kẹp được giữ bằng hai tấm phẳng dựa vào ma sát: KS. Trần Xuân Tiến Page 65
67. ROBOT CÔNG NGHIỆP 2 N1 N Rn Công thức xác định lực kẹp: 1 2 0; R N N n 1 2 2 Đặc điểm: đối tượng đựơc giữ bởi lực ma sát, ảnh hưởng của lực ma sát đến lực kẹp rất lớn. Tính lực dẫn động: Lực dẫn động do cơ cấu dẫn động sinh ra, đặt lên đầu vào của tay kẹp. Yêu cầu lực kẹp đủ lớn giữ vật trong tư thế làm việc, thông qua các quan hệ cơ bản của cơ cấu, các cơ cấu thông dụng như nêm, đòn, thanh răng được tính lực kẹp như sau: - Với cơ cấu nêm: p  b Mj i a Fi Ni Trường hợp chung (dùng nêm một bên) lực kẹp tối thiểu tính như sau: m M jtg( ) P j 1 b p Trường hợp hai nêm đối xứng,lực kẹp nhân đôi: 2M tg( ) P j b p m: Số càng kẹp dẫn động bằng chêm; p 0,9 KS. Trần Xuân Tiến Page 66
68. ROBOT CÔNG NGHIỆP 4 80 là góc nêm; 1010' khi dùng ổ trượt, khi dùng ổ lăn; - Trường hợp dùng đòn kẹp: Đòn kẹp có thể có một trong hai kết cấu điển hình sau: p p Mj Mj i i a a Ni Ni Fi Fi Trường hợp chung, có m đòn kẹp tác động lên đối tượng đồng thời: m M j cos P j 1 b p 2M cos Trường hợp có hai đòn kẹp, kết cấu đối xứng: P j với 0,9 0,95 b p - Trường hợp dùng cơ cấu thanh răng: p Mj p Zc; mc Mj Zc; mc 1 a Ni Fi Ni Fi Trường hợp có hai cơ cấu giống nhau, bố trí đối xứng: m 2 M j P j 1 mc zc p Trường hợp chung có m đòn kẹp dẫn động bằng quạt răng – thanh răng: 4M P j , 0,94 mc zc p - Các kí hiệu dùng trong mục này:  m: Số lượng mỏ kẹp;  Ni: Lực tiếp xúc giữa mỏ kẹp và vật (N), tra bảng kế tiếp;  Mj: Mô men kẹp (N.m) của mỏ kẹp thứ j tính theo công thức: k M j Ni cos i[aitg i ci (ai  citg i )] i 1 KS. Trần Xuân Tiến Page 67
69. ROBOT CÔNG NGHIỆP  k: Số điểm tiếp xúc;  : Góc ma sát quy đổi có tính đến lực cản trên các chốt của đòn;  : Góc nêm;  p : Hiệu suất của cơ cấu;  : Góc nghiêng của đòn;  mc ; zc : Mô đun và số răng của quạt răng; Tính ứng suất tiếp xúc: Tính ứng suất tiếp xúc là để khống chế ứng suất tiếp xúc lớn nhất, nhỏ hơn giá trị phá hỏng chi tiết tại điểm tiếp xúc. Trong một số trường hợp, nhất là khi kẹp nhờ lực ma sát thì ứng suất tiếp xúc khá lớn. Điều đó có thể dẫn đến phá hỏng chi tiết hoặc mỏ kẹp, nhất là các chi tiết đãgia công tinh. Công thức tính ứng suất xây dựng trên có sở dạng tiếp xúc, diện tích tiếp xúc giữa chi tiết và mỏ kẹp. L r r d d r d d d L L H-1 H-2 H-3 H-4a H-4b - Ở hình 1, chi tiết và mỏ kẹp tiếp xúc đường, ứng suất phát sinh tính theo công thức: NE 2 l 0.418 q ( ) l d r - Ở hình 2, chi tiết và mỏ kẹp tiếp xúc 2 đường, ứng suất phát sinh tính theo công thức: NE 2 l 0.418 q ( ) l d r - Ở hình 3, chi tiết và mỏ kẹp tiếp xúc đường, ứng suất phát sinh tính theo công thức: NE 2 d m3 q , r r 2 2 - hình số 4, tiếp xúc điểm và tiếp xúc đường cong, ứng suất phát sinh tính chung như sau: 2NE 0.418 q ld - Trong đó:  N: lực tiếp xúc giữa mỏ kẹp và vật (N):  Eq: mô đun đàn hồi quy đổi của vật liệu mỏ kẹp và vật;  l: Bề rộng của mỏ kẹp (cm);  d: Đường kính của vật (cm);  r: Bán kính của đầu mỏ kẹp (cm);  m: Hệ số phụ thuộc vào tỉ số 2r/d (tra bảng);  Mô đun đàn hồi của vật liệu đối tượng Er và của mỏ kẹp Em theo công thức: 2Ev Em Eq Ev Em Bảng giá trị hệ số m, theo tỉ số 2r/d: KS. Trần Xuân Tiến Page 68
70. ROBOT CÔNG NGHIỆP 4.3.3.2.Tính toán tay kẹp chân không và điện từ: - Tính lực kẹp chân không: Lực kẹp được tính theo công thức: P k p Ftx (Pa Pb ) Trong đó:  kp: là hệ số tính đến sự thay đổi áp suất khí quyển và tình trạng kín khít của mặt tiếp xúc, lấy bằng 0,85  Ftx: Diện tích giữa đầu kẹp và vật, thường lấy bằng 0,6 – 0,7 diện tích tiếp xúc thực tế;  Pa: Áp suất khí quyển;  Pb: Áp suất dư trong buồng hút.  Với hệ thống nối giữa buồng hút với bơm có gioăng kín khít thì áp suất dư lấy bằng áp suất chân không của bơm. Nếu không đạt được yêu cầu trên thì có thể lấy: 2 pa – pb = (3,0 – 3,5) (N/cm ) - Tính lực kẹp điện từ: Lực kẹp được tính theo công thức: I 2 P n 25F(Rk Rl ) Trong đó:  In: Số ampe – vòng của cuôn dây nam châm;  F: Diện tích tiếp xúc giữa cực nam châm và vật;  Rk, Rl: từ trở của không khí và của lõi thép trong mạch từ;  Nếu trong vật liệu sắt từ có các tạp chất P, S, Mn, Ni thì từ trở tăng, lực kẹp sẽ bị giảm. 4.4. Hệ thống điều khiển rôbôt. 4.4.1. Hệ thống chấp hành. - Chuyển động của các khớp trong tay máy được thực hiện bởi hệ thống chấp hành, nó gồm các bộ phận sau:  Nguồn điện (nguồn năng lượng nói chung).  Bộ khuyếch đại công suất.  Động cơ.  Truyền động cơ khí. - Dưới đây là sơ đồ ghép nối hệ thống chấp hành, trong đó có thể hiện sự chuyển đổi năng lượng: KS. Trần Xuân Tiến Page 69