Giáo trình Robot công nghiệp

Nội dung text: Giáo trình Robot công nghiệp

1. Giáo trình Robot công nghiệp
2. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP I. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN: Do nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá sản xuất.Xu hướng tạo ra những 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 tự động “cứng” chỉ đáp ứng một việc nhất định trong lúc thị trường luôn luôn đòi hỏi thay đổi mặt hàng về chủng loại, về kích cỡ, và về tính năng v.v Điều này dẫn đến nhu cầu ứng dụng robot để tạo ra các hệ thống sản xuất tự động linh hoạt. Thuật ngữ Robot xuất hiện vào năm 1920 trong một tác phẩm văn học của nhà văn Tiệp Khắc có tên là Karel Capek. Thuật ngữ inducstrial Robot (IR) xuất hiện đầu tiên ở mỹ do công ty AMF (Americal Machine and Foundry Company) quảng cáo mô phỏng một thiết bị mang dáng dấp và có một số chức năng như tay người được điều khiển tự động thực hiện một số thao tác để sản xuất thiết bị có tên gọi Versatran. Quá trình phát triển của IR được tóm tắt như sau: - Từ những năm 1950 ở Mỹ xuất hiện viện nghiên cứu đầu tiên. - Vào đầu những năm 1960 xuất hiện sản phẩm đầu tiên có tên gọi là Versatran của công ty AMF. - Ở Anh người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR theo bản quyền của Mỹ từ những năm 1967. - Từ những năm1970 việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã được chú ý nhiều hơn và cũng bắt đầu xuất hiện ở các nước Đức, Ý, Pháp, Thụy Điển. - Ở Châu Á có Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng IR từ những năm 1968. Từ những năm 80, nhất là vào những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi sử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng với nhiều tính năng vượt bậc. Chính vì vậy mà robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các đây chuyền tự động sản xuất hiện đại. 1
3. Đến nay, trên thế giới có khoảng trên 200 công ty sản xuất IR trong số đó có 80 công ty của Nhật, 90 công ty của Tây âu, 30 công ty của Mỹ và một số công ty của Nga, Tiệp II. KHÁI NIỆM. Robot công nghiệp có thể 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 động linh hoạt là nhấn mạnh đến khả năng thao tác với nhiều bậc tự do, được điều khiển và lập trình thay đổi được. Còn nói đến sự bắt chước các chức năng lao động công nghiệp của con người là nói đến sự không hạn chế từ các chức năng lao động chân tay đơn giản đến trí khôn nhân tạo, tuỳ vào công việc lao động cần đến chức năng đó hay không. Với đặc điểm có thể lập trình lại được, robot công nghiệp là thiết bị tự động hoá và ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu được của các tế bào hoặc hệ thống sản xuất linh hoạt. III. PHÂN LOẠI. Ngày nay, robot công nghiệp đã phát triển rất phong phú và đa dạng, vì vậy phân loại chúng không đơn giản. Có rất nhiều quan điểm khác nhau và mỗi quan điểm lại phục vụ một mục đích riêng. Dưới đây là hai cách phân loại chính. 1. Theo chủng loại, mức độ điều khiển, và nhận biết thông tin của tay máy-người máy đã được sản xuất trên thế giới có thể phân loại các IR thành các thế hệ sau: Thế hệ 1: thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình cứng không có khả năng nhận biết thông tin. Thế hệ 2: thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình mềm bước đầu đã có khả năng nhận biết thông tin. Thế hệ 3: thế hệ có kiểu điều khiển dạng tinh khôn, có khả năng nhận biết thông tin và bước đầu đã có một số chức năng lý trí của con người. 2. Phân loại tay máy theo cấu trúc sơ đồ động: 2
4. Thông thường cấu trúc chấp hành của tay máy công nghiệp được mô hình hoá trong dạng chuỗi động với các khâu và các khớp như trong nguyên lý máy với các giả thuyết cơ bản sau: - Chỉ dùng các khớp động loại khớp quay, khớp tịnh tiến, khớp vít. - Trục quay hướng tịnh tiến của các khớp thì song song hay vuông góc với nhau. - Chuỗi động chỉ là chuỗi động hở đơn giản: Ta ví dụ một chuỗi động của một tay máy công nghiệp có 6 bậc tự do, các khớp A, B, F là các khớp tổng quát, có nghĩa là chúng có thể là khớp quay, cũng có thể là khớp tịnh tiến, các khớp D, E, K chỉ là những khớp quay. Các khâu được đánh số bắt đầu từ 0-giá cố định, tiếp đến là các khâu 1, 2, n - các khâu động, khâu tổng quát ký hiệu là khâu i, (i= 1, 2, 3, n), khâu n cuối cùng mang bàn kẹp của tay máy. Tương tự như tay người để bàn kẹp gồm có 3 loại chuyển động, tương ứng với các chuyển động này là 3 dạng của cấu trúc máy như sau: - Cấu trúc chuyển động toàn bộ (chân người) cấu trúc này thực hiện chuyển động đem toàn bộ tay máy (tay người) đến vị trí làm việc. Cấu trúc này hết sức đa dạng và thông thường nếu không phải là tay máy hoạt động trong hệ thống mà chuyển động này cần có sự kiểm soát. Người ta thường coi tay máy là đứng yên, khâu 0 gọi là giá cố định của tay máy. - Cấu trúc xác định bàn kẹp bao gồm các khớp A, B và F các khâu 1, 2 và 3, chuyển động của cấu trúc này đem theo bàn kẹp với vị trí làm việc. Do giả thiết về loại khớp động dùng trong chế tạo máy thông thường ta có những phối hợp sau đây của các khớp và từ đó tạo nên những cấu trúc xác định vị trí của bàn kẹp trong các không gian vị trí khác nhau của bản kẹp. Phối hợp TTT nghĩa là 3 khớp đều là khớp tịnh tiến và một khớp quay. Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ toạ độ Đề Các so với các toạ độ So vì 3 điểm M nằm trên khâu 3 khớp đều là khớp tịnh tiến và một chuyển động quay. Phối hợp TRT, RTT, hay TTR nghĩa là một khớp tịnh tiến hai khớp quay( các cấu trúc 2, 3, và 4). Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ toạ độ trụ so với điểm M trên khâu 3 được xác định bởi 2 chuyển động tịnh tiến và một chuyển động quay. 3
5. Phối hợp RTR, RRT, TTR nghĩa là hai khớp tịnh tiến và hai khớp quay( các cấu trúc 5, 6, 7, 8, 9 và 10). Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ toạ độ cầu so với hệ So, vì điểm M trên khâu 3 được xác định bởi một chuyển động tịnh tiến và hai chuyển động quay. Phối hợp RRR tức là 3 khớp quay( các cấu trúc 11,12) đây là các cấu trúc hoạt trong toạ độ góc so với hệ So, vì điểm M trên khâu 3 được xác định bởi ba chuyển động quay( tức là ba toạ độ góc), cấu trúc này được gọi là cấu trúc phỏng sinh học. Tuy nhiên trong thực tế, đối với các tay máy chuyên dùng ta chuyên môn hoá và đặc biệt đảm bảo giá thành và giá đầu tư vào tay máy thấp, người ta không nhất thiết lúc nào cũng phải chế tạo tay máy có đủ số ba khớp động cho cấu trúc xác định vị trí. Đối với tay máy công nghiệp đã có hơn 250 loại, trong số đó có hơn 40% là loại tay máy có điều khiển đơn giản thuộc thế hệ thứ nhất. Sự xuất hiện của IR và sự gia tăng vai trò của chúng trong sản xuất và xã hội loài người làm xuất hiện một nghành khoa học mới là nghành Robot học(Robotic). Trên thế giới nhiều nơi đã xất hiện những viện nghiên cứu riêng về Robot. 4
6. CHƯƠNG II ỨNG DỤNG TRONG ROBOT CÔNG NGHIỆP I. MỤC TIÊU ỨNG DỤNG ROBOT TRONG CÔNG NGHIỆP. Nhằm góp phần nâng cao năng suất dây truyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện lao động. Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của Robot và đã được đúc kết qua nhiều năm được ứng dụng ở nhiều nước. Những ưu điểm đó là: - Robot có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý, bằng hoặc hơn một người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc. Vì thế Robot có thể nâng cao chất lượng và khẳ năng cạnh tranh của sản phẩm. Hơn thế nữa Robot còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc, thích nghi nhanh với việc thay đổi mẫu mã, kích cỡ của sảm phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh. - Có khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng Robot là bởi vì giảm được đáng kể chi phí cho người lao động nhất là ở các nước có mức cao về tiền lương của người lao động, cộng các khoản phụ cấp và bảo hiểm xã hội. Theo số liệu của Nhật Bản thì Robot làm việc thay cho một người thợ thì tiền mua Robot chỉ bằng tiền chi phí cho người thợ trong vòng 3-5 năm, tuỳ theo Robot làm việc ngày mấy ca. Còn ở Mỹ, trung bình trong mỗi giờ làm việc Robot có thể đem lại tiền lời là 13 USD. Ở nước ta trong những năm gần đây có nhiều doanh nghiệp, khoản chi phí về lương bổng cũng chiếm tỷ lệ cao trong giá thành sản phẩm. 5
7. Hình2 -1: Ứng dụng robot phục vụ máy công cụ. - Việc ứng dụng Robot có thể làm tăng năng suất của dây truyền công nghệ. Sở dĩ như vậy là vì nếu tăng nhịp độ khẩn ttrương của dây truyền sản xuất, nếu không thay thế con người bằng Robot thì thợ không thể theo kịp hoặc rất chóng mệt mỏi. Theo tài liệu của Fanuc-Nhật Bản thì năng xuất có khi tăng 3 lần. - Ứng dụng Robot có thể cải thiện được điều kiện lao động. Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà chúng ta cần quan tâm. Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao động phải lao động suốt buổi trong môi trường bụi bặm, ẩm ướt, nóng nực, hoặc ồn ào quá mức cho phép nhiều lần. Thậm trí ở nhiều nơi người lao động còn phải làm việc dưới môi trường độc hại, nguy hiểm đến sức khoẻ con người, dễ xảy ra tai nạn, dễ bị nhiễm hoá chất độc hại, nhiễm sóng điện từ, phóng xạ 6
8. Hình 2 - 2: Ứng dụng robot trong công nghệ à II. CÁC BƯỚC ỨNG DỤNG ROBOT. Việc ưu tiên đầu tư trước hết để nhằm để đồng bộ hoá cả hệ thống thiết bị, rồi tự động hoá và Robot hoá chúng khi cần thiết để quyết định đầu tư cho cả dây truyền công nghệ hoặc chỉ ở một vài công đoạn. Người ta thường xem xét các mặt sau: - Nghiên cứu quá trình công nghệ được Robot hoá và phân tích toàn bộ hệ thống nếu không thể hiện rõ thì việc đầu tư robot hoá là chưa nên. - Xác định các đối tượng cần Robot hoá: Khi xác định cần phải thay thế Robot ở những nguyên công nào thì phải xem xét khả năng liệu Robot có thay thế được không và có hiệu quả hơn không. Thông thường người ta ưu tiên ở những chỗ làm việc quá nặng nhọc, bụi bặm ồn ào, độc hại, căng thẳng hoặc quá đơn điệu. Xu hướng thay thế hoàn toàn bằng Robot thực tế không hiệu quả bằng việc giữ lại một số công đoạn mà đòi hỏi sự khéo léo của con người. - Xây dựng mô hình quá trình sản xuất đã được Robot hoá: Sau khi đã xác định được mô hình tổng thể quá trình công nghệ, cần xác định rõ dòng chuyển dịch nguyên liệu và dòng thành phẩm để đảm bảo sự nhịp nhàng đồng bộ của từng hệ thống. Có thế mới phát huy được hiệu quả đầu tư vốn. - Chọn lựa mẫu robot thích hợp hoặc chế tạo robot chuyên dùng. Đây là bước quan trọng vì robot có rất nhiều loại với giá tiền khác nhau. Nếu như không chọn đúng thì không những đầu tư quá đắt mà còn không phát huy được hết khả năng. Việc này thường xảy ra khi mua robot nước ngoài, có những chức năng robot được trang bị nhưng không cần dùng cho công việc cụ thể mà nó đảm nhiệm dây truyền sản xuất, vì thế mà đội giá lên rất cao, chỉ có lợi cho nơi cung cấp thiết bị. Cấu trúc robot hợp lý nhất là cấu trúc theo modun hoá, như thế có thể hạ được giá thành sản xuất, đồng thời đáp ứng được nhu cầu phục vụ công việc đa dạng. Cấu trúc càng đơn giản càng dễ thực hiện với độ chính xác cao 7
9. và giá thành hạ. Ngoài ra còn có thể tự tạo dựng các robot thích hợp với công việc trên cơ sở mua lắp các modun chuẩn hoá. Đó là hướng triển khai hợp lý đối với đại bộ phận xí nghiệp trong nước hiện nay cung như trong tương lai. III. CÁC LĨNH VỰC ỨNG DỤNG ROBOT TRONG CÔNG NGHIỆP. - Một trong các lĩnh vực hay ứng dụng robot là kỹ nghệ đúc. Thường trong phân xưởng đúc công việc rất đa dạng, điều kiện làm việc nóng nực, bụi bặm, mặt hàng thay đổi luôn và chất lượng vật đúc phụ thuộc nhiều vào quá trình thao tác. Việc tự động hoá toàn phần hoặc từng phần quá trình đúc bằng các dây truyền tự động thông thường với các máy tự động chuyên dùng đòi hỏi phải có các thiết bị phức tạp, đầu tư khá lớn. Ngày nay ở nhiều nước trên thế giới robot được dùng rộng rãi để tự động hoá công nghệ đúc, nhưng chủ yếu là để phục vụ các máy đúc áp lực. Robot có thể làm được nhiều việc như rót kim loại nóng chảy vào khuôn, cắt mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền vật đúc bằng cách phun cát Dùng robot phục vụ các máy đúc áp lực có nhiều ưu điểm: đảm bảo ổn định chế độ làm việc, chuẩn hoá về thời gian thao tác, về nhiệt độ và điều kiện tháo vật đúc ra khỏi khuôn ép bởi thế chất lượng vật đúc tăng lên. - Trong nghành gia công áp lực điều kiện làm việc cũng khá nặng nề, dễ gây mệt mỏi nhất là ở trong các phân xưởng rèn dập nên đòi hỏi sớm áp dụng robot công nghiệp. Trong phân xưởng rèn, robot có thể thực hiện những công việc: đưa phôi thừa vào lò nung, lấy phôi đã nung ra khỏi lò, mang nó đến máy rèn, chuyển lại phôi sau khi rèn và xếp lại vật đã rèn vào giá hoặc thùng Sử dụng các loại robot đơn giản nhất cũng có thể đưa năng xuất lao động tăng lên 1,5-2 lần và hoàn toàn giảm nhẹ lao động của công nhân. So với các phương tiện cơ giới và tự động khác phục vụ các máy rèn dập thì dùng robot có ưu điểm là nhanh hơn, chính xác hơn và cơ động hơn. - Các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm nhiều công việc nặng nhọc, độc hại và ở nhiệt độ cao. Do vậy ở đây cũng nhanh chóng ứng dụng robot công nghiệp. Khi sử dụng robot trong việc hàn, đặc biệt là hàn hồ quang với mối hàn chạy theo đường cong không gian cần phải đảm bảo sao cho điều chỉnh 8
10. được phương và khoảng cách của điện cực so với mặt phẳng của mối hàn. Nhiệm vụ đó cần được xem xét khi tổng hợp chuyển động của bàn kẹp và xây dựng hệ thống điều khiển có liên hệ phản hồi. Kinh nghiệm cho thấy rằng có thể thực hiện tốt công việc nếu thông số chuyển động của đầu điện cực và chế độ hàn được điều khiển bằng một chương trình thống nhất, đồng thời nếu được trang bị các bộ phận cảm biến, kiểm tra và điều chỉnh. Ngoài ra robot hàn còn phát huy tác dụng lớn khi hàn trong những môi trường đặc biệt. Hình 2 - 3: Ứng dụng robot trong quá trình nhiệt luyện - Robot được dùng khá rộng rãi trong gia công và lắp ráp. Thường thường người ta sử dụng robot chủ yếu vào các việc tháo lắp phôi và sản phẩm cho các máy gia công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động Trong nghành chế tạo máy và dụng cụ đo chi phí về lắp ráp thường chiếm đến 40% giá thành sản phẩm. Trong khi đó mức độ cơ khí hoá lắp ráp không quá 10-15% đối với sản phẩm hàng loạt và 40% đối với sản xuất hàng loạt lớn. Bởi vậy, việc tạo ra và sử dụng robot lắp ráp có ý nghĩa rất quan trọng. Phân tích quá trình lắp ráp chúng ta thấy rằng con người khi gá đặt các chi tiết để lắp chúng với nhau thì có thể làm nhanh hơn các thiết bị tự động. Nhưng khi thực hiện các động tác khác trong quá trình ghép chặt chúng thì chậm hơn. Bởi vậy yếu tố thời gian và độ chính xác định vị là vấn đề quan 9
11. trong cần quan tâm nhất khi thiết kế các loại robot lắp ráp. Ngoài yêu cầu hiện nay đối với các loại robot lắp ráp và nâng cao tính linh hoạt để đáp ứng nhiều loại công việc, hạ giá thành và dễ thích hợp với việc sản xuất loạt nhỏ. Ngày nay đã xuất hiện nhiều loại dây chuyền tự động gồm các máy vạn năng với robot công nghiệp. Các dây truyền đó đạt mức độ tự động cao, tự động hoàn toàn, không có con người trực tiếp tham gia, rất linh hoạt và không đòi hỏi đầu tư lớn. Ở đây các nhà máy và robot trong dây truyền được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình. Trong một dây truyền tự động có các máy điều khiển theo chương trình robot có thể đứng một chỗ điều chỉnh trên đường ray hoặc theo di động. Kỹ thuật robot có ưu điểm quan trọng nhất là tạo nên khả năng linh hoạt hoá sản xuất. Việc sử dụng máy tính điện tử, robot và máy điều khiển theo chương trình đã cho phép tìm được những phương thức mới mẻ để tạo nên các dây truyền tự động cho sản xuất hàng loạt với nhiều mẫu mã, sản phẩm. Dây truyền tự động “cứng” gồm nhiều thiết bị tự động chuyên dùng đòi hỏi vốn đầu tư lớn, nhiều thời gian để thiết kế và chế tạo trong lúc quy trình công việc luôn luôn cải tiến, nhu cầu đối với chất lượng và quy cách của sản phẩm luôn luôn thay đổi. Bởi vậy nhu cầu “ mềm” hóa hay là linh hoạt hoá dây truyền sản xuất ngày càng tăng. Kỹ thuật công nghiệp và máy tính đã đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các dây truyền tự động linh hoạt. Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hoá sản xuất, trong những năm gần đây không chỉ các nhà khoa học mà cả các nhà sản xuất đã tập trung sự chú ý vào việc hình thành và áp dụng các hệ sản xuất tự động linh hoạt, gọi tắt là hệ sản xuất linh hoạt. Hệ sản xuất linh hoạt ngày nay thường bao gồm các thiết bị gia công được điều khiển bằng chương trình số, các phương tiện vận chuyển và kho chứa trong phân xưởng đã được tự động hoá và nhóm robot công nghiệp ở vị trí trực tiếp với các thiết bị gia công hoặc thực hiện các nguyên công phụ. Việc điều khiển và kiểm tra điều khiển toàn hệ sản xuất linh hoạt là rất thích hợp với quy mô sản xuất nhỏ và vừa, thích hợp với yêu cầu luôn luôn thay đổi chất lượng sảm phẩm và quy trình công nghệ. Bởi vậy, ngày nay, hệ sản xuất linh hoạt thu hút sự chú ý không những ở các nước phát triển mà ngay cả ở các nước đang phát triển. Trong một số tài liệu nước ngoài hệ FMS (flexible Manufacturing System) nay được diễn giải như hệ sản xuất của tương lai ( future Manufacturing System), sự trùng hợp các từ viết tắt này không phải ngẫu nhiên. 10
12. Tỷ lệ phân bố các loại công việc được dùng robot: 1. Đúc áp lực 18,3% 2. Hàn điểm 14,7% 3. Hàn hồ quang 12,3% 4. Cấp thoát phôi 9,6% 5. Lắp ráp 9,5% 6. Nghiên cứu, đào tạo 5,7% 7. Phun phủ bề mặt 5,7% 8. Nâng chuyển sắp xếp 3,9% 9. Các việc khác 30,3% Sự phân bố tỷ lệ các loại robot với các loại phương pháp điều khiển khác nhau: a. Tay máy điều khiển bằng tay: 4% b. Robot được điều khiển theo chu kỳ cứng: 59% c. Robot được điều khiển theo chu kỳ thay đổi theo chương trình: 11% d. Robot được điều khiển dùng chương trình dạy học: 18% e. Robot được điều khiển theo chương trình số: 5% f. Robot được điều khiển có sử lý tinh khôn: 3% IV. CÁC XU THẾ ỨNG DỤNG ROBOT TRONG TƯƠNG LAI. Robot ngày càng thay thế nhiều lao động Ở đây chỉ đề cập đến robot công nghiệp. Trong tương lai, kỹ thuật robot sẽ tận dụng hơn nữa các thành tựu khoa học liên nghành, phát triển cả 11
13. về phần cứng, phần mềm và ngày càng chiếm lĩnh nhiều lĩnh vực trong công nghiệp. Số lượng lao động được thay thế ngày càng nhiều vì: càng ngày giá thành robot càng giảm, mặt khác chi phí tiền lương và các khoản phụ khác cấp cho người lao động ngày càng cao. Robot ngày càng trở nên chuyên dụng: Khi robot công nghiệp ra đời, người ta thường cố gắng làm sao để biểu thị hết khả năng của nó. Vì thế xuất hiện rất nhiều loại robot vạn năng có thể làm được nhiều việc trên dây truyền. Tuy nhiên thực tế sản xuất chứng tỏ rằng, các robot chuyên môn hoá đơn giản hơn, chính xác hơn, học việc nhanh hơn và quan trọng là rẻ tiền hơn robot vạn năng. Các robot chuyên dụng hiện đại đều được cấu tạo thành từ các modul vạn năng. Xu thế modul hoá ngày càng phát triển nhằm chuyên môn hoá việc chế tạo các modul và từ các modul đó sẽ cấu thành nhiều kiểu robot khác nhau thích hợp cho từng loại công việc. Robot ngày càng đảm nhận nhiều loại công việc lắp ráp. Công đoạn lắp ráp thường chiếm tỷ lệ cao so với tổng thời gian sản xuất trên toàn bộ dây truyền. Công việc khi lắp ráp là phải đòi hỏi rất cẩn thận, không được nhầm lẫn, thao tác nhẹ nhàng, tinh tế và chính xác nên cần thợ có tay nghề cao và phải làm việc căng thẳng suất cả ngày. Khả năng thay thế người lao động ở những khâu lắp ráp ngày càng hiện thực là do đã áp dụng được nhiều thành tựu mới về khoa học trong việc thiết kế, chế tạo robot. Ví dụ đã tạo ra những cấu hình đơn giản và chính xác trên cơ sở sử dụng các vật liệu mới vừa bền, vừa nhẹ. Trong đó nên kể đến các loại robot như Adept Oen, SCARA, Đồng thời do thừa hưởng sự phát triển kỹ thuật nhận và biến đổi tín hiệu ( sensor), đặc biệt kỹ thuật nhận và sử lý tín hiệu ảnh (vision) cũng như kỹ thuật tin học với các ngôn ngữ bậc cao, robot công nghiệp đã có mặt trên nhiều công đoạn lắp ráp phức tạp. Robot di động ngày càng trở nên phổ biến. Trong các nhà máy hiện đại, tên gọi phương tiện dẫn đường tự động AVG (automatic Guided Vehicles) đã trở thành quen thuộc. Loại đơn giản là những chiếc xe vận chuyển nội bộ trong phân xưởng được điều khiển theo 12
14. chương trình với một quỹ đạo định sẵn. Càng ngày các thiết bị loại này cũng được hiện đại hoá nhờ áp dụng kỹ thuật thông tin vô tuyến hoặc dùng tia hồng ngoại Vì vậy AGV đã có thể hoạt động linh hoạt trong phân xưởng. Đó chính là robot linh động và còn gọi là robocar. Một hướng phát triển linh hoạt và quan trọng của robocar là không di chuyển bằng các bánh xe mà bằng chân, thích hợp với mọi địa hình. Robot đi được bằng chân có thể tự leo thang, là một đối tượng đang rất được chú ý trong nghiên cứu không những định hướng trong công nghiệp hạt nhân hoặc trong kỹ thuật quốc phòng mà ngay cả trong công nghiệp dân dụng thông thường. ở đây việc tạo ra các cơ cấu chấp hành cơ khí bền vững, nhẹ nhàng, chính xác và linh hoạt như chân người lại là đối tượng nghiên cứu chủ yếu. Robot ngày càng trở nên tinh khôn hơn. Trí khôn nhân tạo là một vấn đề rất quan tâm nghiên cứu với các mục đích khác nhau. Kỹ thuật robot cũng từng bước áp dụng các kết quả nghiên cứu về trí khôn nhân tạo và đưa vào ứng dụng công nghiệp. Trước hết là sử dụng các hệ chuyên gia, các hệ thị giác nhân tạo, mạng nơron và các phương pháp nhận dạng tiếng nói Cùng với các thành tựu mới trong nghiên cứu về trí khôn nhân tạo, robot ngày càng có khả năng đảm nhận được nhiều nguyên công dây truyền sản xuất đòi hỏi sự tinh khôn nhất định. Vấn đề thiết bị cảm biến được nhiều ngành kỹ thuật quan tâm và cũng đạt được nhiều thành tựu mới trong thời kì phát triển sôi động của lĩnh vực vi sử lý. Đó cũng là điều kiện thuận lợi trong việc áp dụng chúng trong kỹ thuật robot nhằm tăng cường khả năng thông minh của thiết bị. Những loại hình được quan tâm nhiều trong công nghiệp là các robot thông minh có các modul cảm biến để nhận biết được khoảng cách để tránh vật cản khi thao tác, cảm biến nhận biết được màu sắc khi phân loại, cảm biến được lực khi lắp ráp Khi được lắp thêm các modul cảm biến này robot được gọi với nhiều tên mới. Vídụ: robot “nhìn được” ( vision robot), robot lắp ráp ( assembli), robot cảnh báo ( alarm robot), Để thông minh hoá robot bên cạnh việc cài đặt bổ xung các modul cảm biến “nội tín hiệu” và các modul cảm biến “ngoại tín hiệu” thì đồng thời có thể thông minh hoá robot bằng các chương trình phần mềm có khả năng tự thích nghi và tự xử lý các tình huống 13
15. Như vậy bằng cách bổ xung các modul cảm biến và các phần mền phù hợp có thể nâng cấp cải tiến nhiều loại robot. Tuy nhiên bản thân các robot này phải có các cơ cấu chấp hành linh hoạt chính xác . Ngày nay có nhiều loại robot thông minh không những có thể làm việc trong các phân xưởng công nghiệp mà còn thao tác được ở bên ngoài, trên các địa hình phức tạp như các loại robot vũ trụ ( space robot), robot tự hành ( walking robot), robot cần cẩu( robot crale), tạo dựng từ các modul robot song song CHƯƠNG III KẾT CẤU TRONG ROBOT CÔNG NGHIỆP I. KẾT CẤU CHUNG. Robot công nghiệp rất đa dạng về kết cấu và tính năng, được đánh giá bằng các thông số kỹ thuật rất khác nhau. Tuy nhiên, có những thông số kỹ thuật chung cho hầu hết robot. Dựa vào các thông số kỹ thuật chung đó người ta thống nhất hoá và tiêu chuẩn hoá kết cấu của robot. Dưới đây là hệ thống kết cấu chung cho robot công nghiệp: 14
16. Người vận hành Thiết bị liên hệ với người vậnhành Hệ thống điều khiển Hệ thống Hệ thống Hệ thống truyền động chịu lực biến tín hiệu Môi trường bên ngoài Hình 3 - 1: Sơ đồ cấu trúc và chức năng của Robot. Trong sơ đồ trên, các đường (đường đậm) chỉ mối quan hệ thông tin thuận, thông tin chỉ huy nhiệm vụ Robot. Các đường (đường nhạt) chỉ mối liên hệ thông tin ngược, thông tin phản hồi về quá trình làm việc của Robot. Chức năng của bộ phận giao tiếp là liên lạc với người vận hành và thực hiện quá trình “dạy học” cho Robot, nhờ đó Robot biết được nhiệm vụ phải thực hiện. Chức năng của hệ thống điều khiển là thực hiện việc tái hiện lại các hành động nhiệm vụ đã được “học”. Bộ phận chấp hành giúp cho Robot có đủ “sức” chịu được tải trọng mà Robot phải chịu trong quá trình làm việc, bộ phận này bao gồm: Phần 1: bộ phận chịu chuyển động, phần tạo các khả năng chuyển động cho Robot. Phần 2: bộ phận chịu lực, phần chịu lực của Robot. 15
17. Bộ cảm biến tín hiệu: làm nhiệm vụ nhận biết, đo lường và biến đổi thông tin các loại tín hiệu như: các nội tín trong bản thân Robot, đó là các tín hiệu về vị trí, vận tốc, gia tốc, trong từng thành phần của bộ phận chấp hành các ngoại tín hiệu, là các tín hiệu từ môi trường bên ngoài có ảnh hưởng tới hoạt động của Robot. Với cấu trúc và chức năng như trên, Robot phần nào mang tính “người” còn phần máy chính là trạng thái vật lý của cấu trúc. Với IR tính chất “người” và “máy”cũng được thể hiện đầy đủ như trên, duy trì hình thức mang dáng dấp của tay “người”. Tay máy công nghiệp thường có những bộ phận sau: Hệ thống điều khiển: thường là loại đơn giản làm việc có chu kỳ vận hành theo nguyên lý của hệ thống điều khiển hở hoặc kín. Hệ thống chấp hành: bào gồm các nguồn động lực, hệ thống truyền động, hệ thống chịu lực như : các động cơ thuỷ, khí nén, cơ cấu servo điện tử, động cơ bước. Mỗi chuyển động của IR thường có một động cơ riêng và các thanh chịu lực. - Bàn kẹp: là bộ phận công tác cuối cùng của tay máy, nơi cầm nắm các thiết bị công nghệ hay vật cần di chuyển. II. CẤU TRÚC TAY MÁY. Tay máy là phần cơ sở, quết định khả năng làm việc của robot. Đó chính là thiết bị cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian và khả năng làm việc, như nâng, hạ, lắp ráp ý tưởng ban đầu của việc thiết kế và chế tạo tay máy là phỏng các chức năng làm việc của tay người. Về sau, đây không phải là điều bắt buộc nữa. Tay máy hiện nay rất đa dạng và phong phú và nhiều loại có dáng vẻ khác xa so với con người. Tuy nhiên trong kỹ thuật robot ta vẫn dùng các thuật ngữ quen thuộc như vai ( shoulder), cánh tay ( arm), cổ tay ( Wrist), bàn tay ( Hand), và các khớp ( Articulation) , để chỉ tay máy và các bộ phận của nó. 16
18. Trong thiết kế và sử dụng tay máy, người ta quan tâm đến các thông số có ảnh hưởng đến khả năng làm việc của chúng như: - Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay - Tầm với hay vùng làm việc: kích thước, hình dáng vùng mà phần công tác cơ thể với tới. - Sự khéo léo, nghĩa là khả năng định vị và định hướng phần công tác trong vùng làm việc. Thông số này liên quan đến số bậc tự do của phần công tác. Để định vị và định hướng phần công tác một cách tùy ý trong không gian 3 chiều nó cần 6 bậc tự do, trong đó có 3 bậc tự do để định vị, 3 bậc tự do để định hướng. Một số công việc như nâng, hạ, xếp đỡ yêu cầu số bậc tự do ít hơn 6. Trong một số trường hợp cần sự khéo léo linh hoạt, cần sự tối ưu quỹ đạo thì cấn số bậc tự do lớn hơn 6. Các tay máy có đặc điểm chung về kết cấu là gồm các khâu, được nối với nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở, tính từ thân đến công tắc. Các khớp được dùng phổ biến là khớp trượt và khớp quay. Tuỳ theo số lượng và cách bố trí các khớp mà ta có thể tạo ra tay máy kiểu toạ độ Đề các hay toạ độ trụ, hay toạ độ cầu, SCARA và kiểu tay người. Tay máy kiểu toạ độ đề các: Hay còn gọi là kiểu hình chữ nhật, dùng 3 khớp trượt, cho phép phần công tác thực hiện một cách độc lập các chuyển động thẳng, song song với 3 trục toạ độ. Vùng làm việc của tay máy có dạng hình hộp chữ nhật. Do sự đơn giản về kết cấu, tay máy kiểu này có toạ độ cứng vững cao, độ chính xác được đảm bảo đồng đều trong toàn bộ vùng làm việc, nhưng ít khéo léo. Vì vậy, tay máy kiểu toạ độ Đềcác được dùng cho vận chuyển và lắp ráp. Tay máy kiểu toạ độ trụ: Khác tay máy kiểu toạ độ Đềcác ở khớp đầu tiên: dùng khớp quay thay cho khớp trượt. Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng. Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy thò vào khoảng rỗng nằm ngang. Độ cứng vững của tay máy trụ rất tốt, thích hợp với tải trọng nặng, độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng ngang giảm khi tầm với tăng. Tay máy kiểu toạ độ cầu: Khác kiểu trụ do khớp thứ hai là khớp trượt được thay băng khớp quay. Nếu quỹ đạo chuyển động của phần công tác được mô tả trong toạ độ cầu thì mỗi bậc tự do tương ứng một khả năng chuyển động và vùng làm việc của nó là khối cầu rỗng. Độ cứng vững của 17
19. loại tay máy này thấp hơn hai loại trên và độ chính xác định vị phụ thuộc vào tầm với. Tuy nhiên loại này có thể nhặt được cả vật dưới nền. SCARA được để xuất lần đàu tiên vào năm 1979 tai trường đại học Yahanashi ( Nhật), dùng cho công việc lắp ráp. Đó là một tay máy có cấu tạo đặc biệt gồm hai khớp quay và một khớp trượt, nhưng cả 3 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 lắp ráp, với tải trọng nhỏ, theo phương thẳng đứng. Từ SCARA là viết tất của: Selective Compliance Asembly Robot Arm để mô tả các hoạt động trên. Vùng làm việc của SCARA là một hình trục rỗng. Tay máy kiểu tay người: Có cả 3 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 3 là khớp khuỷu tay nối cẳng tay với khuỷu tay. Với kiểu kết cấu này không có sự tương ứng giữa khả năng chuyển động giữa các khâu và số bậc tự do. Tay máy làm việc rất khéo léo nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vào phần công tác trong vùng làm việc. Vùng làm việc của tay máy kiểu này gần giống một phần khối cầu. Toàn bộ kết cấu ở trên chỉ liên quan đến khả năng định vị của phần công tác. Muốn định hướng nó cần bổ xung phần cổ tay. Muốn định hướng một cách tuỳ ý phần cổ tay phải có ít nhất 3 chuyển động quanh 3 trục vuông góc với nhau. Trong trường hợp trục quay 3 khớp gặp nhau tại một điểm thì ta gọi đó là khớp cầu. Ưu điểm lớn nhất của khớp cầu là tách được thao tác định vị và định hướng của phần công tác, làm đơn giản cho việc tính toán. Các kiểu khớp khác có thể đơn giản hơn về kết cấu cơ khí, nhưng tính toán toạ độ khó hơn, do không tách được hai loại thao tác nói trên. III. HỆ THỐNG CHẤP HÀNH. 1. Truyền dẫn cơ khí . Truyền dẫn cơ khí có rất nhiều loại hình, chúng được dùng rộng rãi trong kỹ thuật máy nói chung và trong kỹ thuật robot nó riêng. Ngoài những loại truyền dẫn động cơ khí phổ thông, trong kỹ thuật robot đã sử dụng những kỹ thuật mới và tương đối mới mẻ. 18
20. 1.1. Bộ truyền bánh răng sóng. Truyền động bánh răng sóng khác biệt so với các loại truyền động bánh răng khác ở chỗ nó có một bánh răng mềm truyền sóng biến dạng và nhờ vậy mà truyền được chuyển động quay. Hình 3 - 2: Bộ truyền bánh răng sóng. Bộ truyền bánh răng sóng gồm ba bộ phận cơ bản : bánh răng mềm 1, bánh răng cứng 2, cần tạo sóng b. Bộ truyền bánh răng sóng được dùng chủ yếu ở các bộ truyền cần tỷ số truyền cao, các bộ truyền đòi hỏi độ chính xác cao và yêu cầu tác động nhanh trong hệ thống điều khiển tự động, các khớp động trong tay máy. 1.2 Bộ truyền động bánh răng con lăn – cycloid hành tinh. Trong những năm gần đây truyền động bánh răng cycloid hành tinh lại được quan tâm nghiên cứu cải tiến và ứng dụng tương đối rộng rãi ở các bộ truyền dẫn trong robot. Truyền động này có nhiều ưu điểm : đạt tỷ số truyền cao, gọn nhẹ, độ bền và độ chính xác đều cao hơn so với 19
21. nhiều loại truyền động khác. Tuy nhiên lại yêu cầu cao về độ chính xác chế tạo và lắp ráp. Hình 3 - 3: Sơ đồ tạo hình ăn khớp bánh răng CCycloid 1.3 Truyền động vít đai ốc bi. Truyền động vít đai ốc bi được dùng đầu tiên trong cơ cấu tay máy của ôtô ở hãng General motors. Ngày nay, đã rất nhiều hãng sản xuất bộ truyền vít đai ốc bi, nhiều cải tiến mới và ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trong đó có kỹ thuật Robot. Công dụng chủ yếu của bộ truyền vít đai ốc bi là biến chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến. 20
22. Hình 3 - 4: Sơ đồ kết cấu bộ truyền vít đai ốc bi. Kết cấu bộ truyền vít đai ốc bi ngày nay đã có rất nhiều loại hình khác nhau. Nhưng việc chọn lựa hình dáng, kích thước rãnh bi lăn có liên quan nhiều đến công việc chế tạo và khả năng đạt được độ chính xác gia công. Ưu điểm : hiệu suất cao, độ chính xác định vị cao, độ bền cao, nhưng giá thành tương đối cao. 2. Động cơ điện và điều khiển động cơ. Ứng dụng truyền động điện Truyền động điện được sử dụng khá nhiều trong kỹ thuật robot. vì có những ưu điểm như là điều khiển đơn giản không phải dùng các bộ biến đổi phụ thêm, không gây bẩn cho môi trường, các loại động cơ hiện đại có thể lắp trực tiếp trên các khớp quay Tuy nhiên so với truyền động thuỷ khí thì truyền động điện có tỷ lệ thấp giữa công suất truyền trên một một đơn vị khối lượng và thông thường đòi hỏi kèm theo hộp giảm tốc cồng kềnh vì trong tay máy tốc độ quay rất chậm 21
23. Trong kỹ thuật robot về nguyên tắc có thể dùng động cơ điện các loại khác nhau, nhưng trong thực tế chỉ có hai loại được dùng nhiều hơn cả. Đó là động cơ điện một chiều và động cơ bước. Ngày nay do những thành công mới trong nghiên cứu điều khiển động cơ xoay chiều, nên cũng có xu hướng chuyển sang chuyển sử dụng động cơ xoay chiều để tránh phải trang bị thêm bộ nguồn điện một chiều. Ngoài ra loại động cơ một chiều không chổi góp ( DC brushless motor) cũng bắt đầu được ứng dụng nhiều. Động cơ điện một chiều: Hình 3 - 5: Sơ đồ động cơ điện một chiều Đại cương về động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều gồm có hai phần (hình 3-5) a. Stato cố định với các cuộn dây có dòng điện cảm hoặc dùng nam châm vĩnh cửu. Phần này gọi là phần cảm. Phần cảm tạo nên từ thông trong khe hở không khí. 22
24. b. Roto với các thanh dẫn. Khi có dòng điền một chiều chạy qua và với dòng từ thông xác định, roto sẽ quay. Phần này còn gọi là phần ứng. Do cách khác nhau khi bố trí dây cuốn phần cảm so với phần ứng ta có những loại động cơ điện một chiều khác nhau: - Động cơ kích từ song song. - Động cơ kích từ nối tiếp. - Động cơ kích từ hỗn hợp. Các đại lượng chủ yếu xác định sự làm việc của động cơ một chiều là: U - Điện áp cung cấp của phần ứng. I - Cương độ dòng điện trong phần ứng. r - Điện trở trong phần ứng. Φ - Từ thông trong khe hở. E - Sức cản điện động phần ứng. Các quan hệ cơ bản khi làm việc là: E = U – rI = kn Φ (1) k phụ thuộc vào đặc tính của dây cuốn và số thanh dẫn tác dụng của phần ứng. Từ (1) ta có các nhận xét sau: 1) Khởi động E bằng 0 khi mở máy, chỉ có điện trở phần ứng r rất nhỏ hạn chế dòng điện. Vì thế cần phải có biến trở mở máy để duy trì I ở giá trị thích hợp. U − Ir 2) Số vòng quay: n = Vậy điều chỉnh tốc độ có thể kφ tiến hành bằng cách tác động vào điện áp U hoặc tác động vào từ thông φ . 3) Momen động C xác định từ phương trình cân bằng công suất: EI =2π nC Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều: 23
25. Về phương diện điều chỉnh tốc độ thì động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn hẳn các động cơ khác. Khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng trong dải rộng và có cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản. Như đã nói trên, có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều: - Tác động lên từ thông φ thông qua việc điều chỉnh điện áp dòng kích từ. - Điều chỉnh điện áp phần ứng. Khi điều chỉnh tốc độ 0 đến tốc độ định mức bằng cách giữ từ thông không đổi và tác động vào điện áp phần ứng U thì momen sẽ không đổi, còn công suất tăng theo tốc độ. Khi điều chỉnh tốc độ từ 0 đến tốc độ định mức bằng cách tác động lên từ thông và giữ điện áp phần ứng không đổi thì công suất không đổi, còn momen giảm theo tốc độ. Khi từ thông tiến về 0 thì tốc độ tiến tới vô cùng. Vì vậy khi không tải, động cơ kích từ nối tiếp có tốc độ quá lớn, các loại động cơ kích từ song song hoặc hỗn hợp để quá tốc độ nếu cắt mạch kích từ của nó. Đảo chiều quay: Chiều quay của phần ứng phụ thuộc vào chiều dòng điện trong dây cuốn phần ứng và chiều của từ trường. Để đổi chiều quay của động cơ điện một chiều cần đổi chiều của từ thông hoặc dòng điện phần ứng. 3. Động cơ bước. Nguyên tắc hoạt động. Trên hình (3-6) là sơ đồ động cơ bước, loại đơn giản nhất dùng nam châp vĩnh cửu gồm Stato có 4 cực và roto có hai cực. Nếu cấp điện cho cuộn dây α α ' thì roto sẽ dừng ở vị trí mà dòng từ thông qua cuộn dây là lớn nhất. Nếu cấp điện cho cuộn dây β β ' thì roto sẽ quay đi ±900. Khi đó đồng thời cấp điện cho cả hai cuộn dây α và β thì roto sẽ dừng ở vị trí giữa 00 đến 900 và nếu dòng điện vào 2 cuộn dây hoàn toàn như nhau thì roto sẽ dừng ở vị trí 450. 24
26. Hình 3 - 6: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ bước Như vậy, vị trí của roto phụ thuộc vào số cực được cấp trên stato và vào chiều của dòng điện cấp vào. Trên đây là sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ bước loại có ít cực và dùng nam châm vĩnh cửu. Trên cơ sở đó có thể tìm hiểu các loại động cơ có nhiều cực và dùng nam châm điện có từ tính thay đổi. Vậy là tùy theo cách cấp điện cho các cuộn dây trên stato có thể điều khiển các vị trí dừng của roto. Việc cấp điện vào các cuộn dây trên stato có thể số hoá, cho nên có thể hiểu động cơ bước là một loại động cơ điện, chuyển các tín hiệu số đầu vào thành các chuyển động cơ học từng nấc ở đầu ra. Ưu nhược điểm: Việc sử dụng chúng trong hệ thống điều khiển có nhiều thuận lợi: - Không cần mạch phản hồi cho cả điều khiển vị trí và vận tốc. - Thích hợp với các thiết bị điều khiển số. Ưu điểm lớn nhất của động cơ bước trong điều khiển vị trí là không cần phản hồi ( khi điều khiển chính xác số bước quay của động cơ, đếm số bước có thể xác định vị trí chính xác mà không cần đến phản hồi vị trí) và điều khiển số trực tiếp ( ghép nối trực tiếp với máy tính). Với khả năng điều khiển số trực tiếp, động cơ bước trở thành rất thông dụng trong các thiết bị hiện đại như robot công nghiệp, máy công cụ điều khiển số, các thiết bị ngoại vi của máy tính như trong máy in, bộ điều khiển bộ đĩa máy vi tính, máy vẽ Tuy vậy, phạm vi ứng dụng động cơ bước ở vùng công suất nhỏ và trung bình. Việc nghiên cứu nâng cao công suất của động cơ bước đang là vấn đề rất được quan tâm hiện nay. Ngoài ra nói chung hiệu suất của nó thấp hơn so với nhiều loại động cơ khác. 25
27. Các thông số của động cơ bước: Góc quay: Động cơ bước quay một góc xác định đối với mỗi xung kích. Góc bước θ càng nhỏ thì độ phân giải càng cao. Số bước s là một thông số quan trọng. 3600 Tốc độ quay và tần số xung: s = (1) θ Tốc độ quay của động cơ bước phụ thuộc vào số bước trong một giây. Đối với hầu hết các động cơ bước, số xung cấp cho động cơ bằng số bước nên tốc độ có thể tính theo tần số xung f. Tốc độ quay của động cơ bước có bước tính theo công thức sau: 60 f n = (2) S Trong đó : n là tốc độ quay ( vòng / giây), f là tần só bước ( Hz), s là số bước. Ngoài ra còn các thông số quan trọng khác như độ chính xác vị trí, tỷ số momen và quán tính roto. Độ chính xác vị trí của động cơ bước phụ thuộc vào đặc tính của động cơ, vào độ chính xác chế tạo Tỷ số momen và quán tính roto có ảnh hưởng quyết định đến khả năng dừng ngay khi chuỗi xung điều khiển đã ngắt. Các loại động cơ bước Tuỳ theo kiểu của roto, động cơ bước được chia ra thành các loại sau: - Động cơ bước loại từ trở biến đổi ( VR). - Động cơ bước nam châm vĩnh cửu ( PM). - Động cơ bước kiểu lai ( hybrid). Tuỳ theo số cuộn dây độc lập trên stato động cơ bước được chia thành các loại: 2 pha, 3 pha hoặc 4 pha. 26
28. Động cơ bước có thể phân theo cách nối dây, không liên quan đến số pha. a/ Hai pha: bốn đầu dây. b/ Hai pha: 8 đầu dây. c/ Bốn pha: 8 đầu dây. d/ Hai pha: 6 đầu dây. e/ Ba pha : 4 đầu dây. f/ Bốn pha: 8 đầu dây( nối tiếp). Roto có nhiều cực, còn gọi là răng. Số cực của roto phối hợp với số cực của stato xác định giá trị góc bước θ . Như biểu thức (1) có góc bước θ bằng 3600 chia cho số bước s. Góc bước lớn nhất là 900 ứng với động cơ có 4 bước. Phần lớn những động cơ bước hiện nay có số bước s = 200, nên θ = 1,80. a) b) c) d) e) f) Hình 3 - 7: Pha của động cơ và các cách nối dây Số bước càng lớn, độ phân giải càng cao và định vị càng chính xác. Trong thực tế cũng không thể tăng số bước lên quá cao. Tuy nhiên, có thể dùng công nghệ tạo bước nhỏ để chia bước thành hai nửa bước hoặc từ 10 đến 125 bước nhỏ. Có thể làm cho roto dừng lại ở nửa đường nếu cung cấp dòng điện như nhau cho cả hai cuộn α và β . Công nghệ tạo bước nhỏ, đôi 27
29. khi còn gọi là tạo vi bước, chỉ đơn giản là mở rộng phương pháp nói trên cho nhiều vị trí trung gian bằng cách cung cấp những giá trị dòng khác nhau cho mỗi cuộn dây. Kích thước bước nhỏ thường hay dùng nhất là 1/10, 1/16, 1/32, 1/125 của bước đầy. Ví dụ, nếu có 125 bước nhỏ trong một bước với 200 bước trong một vòng quay thì độ phân giải là 200x125 = 25000 bước nhỏ trong một vòng quay. Động cơ bước loại từ trở biến đổi ( VR). Roto của động cơ bước VR làm bằng sắt non có nhiều răng. Stato cũng Hình 3 - 8 : Sơ đồ động cơ bước VR có các răng cùng cuộn cảm. Khi dòng điện chạy qua một cuộn cảm trên stato sinh ra một từ trường làm cho răng trên roto bị hút đứng thẳng hàng với răng tương ứng trên stato. Khi dòng điện được cấp sang một cuộn cảm khác, roto chuyển dịch một góc bước. Góc bước của động cơ VR thường là 7,50 hoặc 150. Đặc điểm của động cơ bước VR là do roto sắt non có quán tính nhỏ hơn các loại khác, nên cho phép đáp ứng nhanh hơn. Tuy nhiên do roto không có từ trường nên không có momen dư do đó khi ngừng kích thích động cơ sẽ còn quay tự do. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu ( PM) Động cơ bước PM có từ trường trong roto nên có momen giữ khi động cơ không được kích hoạt. Mỗi răng của từ trường đều hướng trục cực tính là 28
30. ph2 Hình 3 - 9: Sơ đồ động cơ bước PM 4 pha nam hoặc bắc. Trong kỹ thuật hiện đại roto được làm ở dạng đĩa mỏng bằng vật liệu từ tính đặc biệt. Đĩa được nhiễm từ tới 50 cặp cực nam – bắc xen kẽ nhau. Một số động cơ bước có từ trường được đưa vào stato để tăng từ trường và tạo ra momen lớn hơn. Động cơ bước PM đòi hỏi ít năng lượng kích hoạt hơn các loại động cơ bước khác. Chúng còn có đặc tính tắt dao động tốt hơn. Góc bước của chúng bao gồm tất cả các góc bước chuẩn 1,80, 7,50, 150, 300, 450, 900. Trên hình(3-7) là sơ đồ động cơ bước PM 4 pha. Động cơ bước kiểu lai ( hybrid) Động cơ bước kiểu lai kết hợp các đặc tính của động cơ bước VR và động cơ có bước PM. Động cơ bước kiểu lai có nhiều răng roto hơn và 29
31. Hình 3 - 10 : Sơ đồ động cơ bước kiểu lai momen lớn hơn. Các góc bước thông dụng của động cơ bước kiểu lai là 0,90 và 1,80. IV. CẢM BIẾN. Trong tất cả các hệ thống tự động, thiết bị tiếp nhận thông tin về diễn biến của môi trường và về diễn biến của các đại lượng vật lý bên trong hệ thống được gọi là cảm biến. Khái niệm cảm biến trong tiếng Việt chưa thật chính xác với tiếng Anh (sensor), hay tiếng Pháp ( capteur), vì nghĩa cảm biến trong tiếng Việt có phần hẹp hơn. Cảm biến đôi khi chỉ là các trang bị đơn giản dạng như công tắc mini, các công tắc hành trình, các thanh lưỡng kiên (bimetal) Đối với người sử dụng, việc nắm được nguyên lý cấu tạo và các đặc tính cơ bản của cảm biến là điều kiện tiên quyết để đảm bảo sự vận hành tốt của hệ thống tự động. Trong các hệ thống vật lý, các đại lượng điều khiển rất đa dạng, do vậy các loại cảm biến cũng rất phong phú. Trong robot công nghiệp, các thiết bị cảm biến trang bị cho robot để thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về hoạt động của bản thân robot và của môi trường, đối tượng mà robot phục vụ. Theo phạm vi ứng dụng các loại cảm biến dùng trong kỹ thuật robot có thể phân ra hai loại: - Cảm biến nội tín hiệu (internal sensor) đảm bảo thông tin về vị trí, về vận tốc, về lực tác động trong các bộ phận quan trọng của robot. Các thông 30
32. tin này là những tín hiệu phản hồi phục vụ cho việc điều chỉnh tự động các hoạt động robot. - Cảm biến ngoại tín hiệu ( external sensor) cung cấp thông tin về đối tác và môi trường làm việc phục vụ cho việc nhận dạng các vật xung quanh, thực hiện di chuyển hoặc thao tác trong không gian làm việc. Để làm được việc đó, cần có các loại cảm biến tín hiệu xa, cảm biến tín hiệu gần, cảm biến “Xúc giác” và cảm biến “ thị giác” Để thực hiện nhiệm vụ các loại cảm biến nội tín hiệu và ngoại tín hiệu nói trên, có thể dùng nhiều kiểu cảm biến thông dụng hoặc chuyên dụng. Các kiểu cảm biến thông dụng không chỉ dùng cho kỹ thuật robot mà còn dùng nhiều trong các thiết bị kỹ thuật khác. Có nhiều tài liệu kỹ thuật về các kiểu cảm biến này. Tuỳ theo các dạng tín hiệu cần nhận biết mà phân thành các kiểu cảm biến khác nhau: Cảm biến lực, vận tốc, gia tốc, vị trí, áp suất, lưu lượng, nhiệt độ Tuỳ theo cách thức nhận tín hiệu lại phân ra các kiểu khác nhau. Ví dụ: cũng là cảm biến vị trí nhưng có kiểu cảm ứng, kiểu điện dung, kiểu điện trở, kiểu điện quang 31
33. CHƯƠNG IV HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ROBOT I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG. 1. Khái niệm: Hệ thống điều khiển tự động là hệ thống được xây dựng từ 3 bộ phận chủ yếu sau: 1. Thiết bị điều khiển C ( Controller) 2. Đối tượng điều khiển O (Object) 3. Thiết bị đo lường M ( Measuring device) Đó là hệ thống có phản hồi ( feedback) hay có liên hệ ngược. Sơ đồ đơn giản nhất về hệ thống điều khiển tự động : U E X Y C O M U – Tín hiệu vào (input). Y – Tín hiệu ra ( output). X – Tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượng O. E – Sai lệch điều khiển. Z – Tín hiệu phản hồi ( phản hồi âm kí hiệu bằng dấu (-) khi Z ngược dấu với tín hiệu V ). 32
34. 2.Nguyên tắc điều khiển : a) Thông thường có 3 nguyên tắc điều khiển cơ bản 1.Nguyên tắc điều khiển theo độ sai lệch 2.Nguyên tắc điều khiển theo phương pháp bù nhiễu 3.Nguyên tắc điều khiển hỗn hợp theo độ sai lệch và bù nhiễu Sơ đồ về hệ thống điều khiển theo nguyên tắc hỗn hợp K C O M Nhiễu f(t) tác động lên đối tượng điều khiển. Ví dụ theo chiều hướng làm tăng tín hiệu ra Y(t). Trong hệ có chứa một thiết bị bù K có tác dụng ngược dấu với f, nghĩa là V tác dụng bù về phía trước thiết bị điều khiển C để làm tín hiệu ra giảm bớt b) Ngoài các nguyên tắc điều khiển cơ bản người ta còn ứng dụng các nguyên tắc điều khiển khác như: - Nguyên tắc điều khiển theo chương trình. - Nguyên tắc điều khiển thich nghi. 33
35. II. PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN: 1.Phân loại thông thường: a. Hệ thống tuyến tính b. Hệ thống phi tuyến c. Hệ thống liên tục: khi các tín hiệu trong hệ là hàm liên tục theo thời gian d. Hệ thông rời rạc: Trong đó chỉ cần có một tín hiệu là hàm rời rạc theo thời gian e. Hệ thống tiền định là hệ thống trong đó tất cả các tín hiệu truyền là hàm theo thời gian xác định ( không có tín hiệu ngẫu nhiên) f. Hệ thống ngẫu nhiên là hệ thống trong đó chỉ cần có 1 tín hiệu là hàm ngẫu nhiên g. Hệ thống tối ưu là hệ thống điều khiển trong đó thiết bị điều khiển có chức năng tổng hợp được một tín hiệu điều khiển U(t) tác động lên đối tượng điều khiển để đạt một trạng thái tối ưu theo một chỉ tiêu nào đó h. Hệ thống thích nghi hay còn gọi là hệ thống tự chỉnh là hệ thống có khả năng một cách tự động thích ứng với những biến đổi của điều kiện môi trường và đặc tính của đối tượng điều khiển bằng cách thay đổi tham số và cấu trúc cảu sơ đồ của thiết bị điều khiển 2. Trong kĩ thuật người máy: a) Điều khiển chương trình : Việc điều khiển được thực hiện theo một chương trình định sẵn. b) Điều khiển thích nghi : việc điều khiển tuỳ thuộc vào thông tin nhận biết được trong quá trình làm việc về hiện trạng của môi trường thao tác và của bản thân người máy 3. Theo khả năng chuyển động của các người máy: a) Điều khiển theo chu tuyến: chuyển động thực hiện theo một đường liên tục b) Điều khiển theo vị trí: chuyển động được bảo đảm theo một số vị trí nhất định c) điều khiển theo chu kỳ: chuyển động được xác định bằng các vị trí đầu và cuối hành trình của mỗi bậc tự do 34
36. III. HỆ THỐNG CHẤP HÀNH. Chuyển động của các khớp tay máy được thực hiện bởi hệt hống chấp hành. Nó gồm các bộ phận sau: - Nguồn điện - Khuyếch đại công suất - Động cơ - Truyền động cơ khí Hình 4.1 là sơ đồ nối ghép hệ thống chấp hành, trong đó có thể hiện sự chuyển đổi năng lượng Nguồn điện Pc Khuyếch đại Pa Động cơ Pm Truy ề n d ẫ n Pu công suất Cơ khí Pda Pds Pdt Hình 4 - 1 : Sơ đồ hệ thống chấp hành Để thực hiện quan hệ chung, kí hiệu Pc là tín hiệu điều khiển (thường là tín hiệu điện); Pu là công suất cơ học cần thiết để làm chuyển động khớp. Các đại lượng trung gian, gồm công suất điện cung cấp cho động cơ (điện, thuỷ lực hoặc khí nén) Pa : công suất nguồn Pp (thường có cùng bản chất vật lý với Pa); công suất cơ học do động cơ phát ra Pm ngoài ra còn có các loại công suất tổn hao trên các khâu trung gian: khuyếch đại công suất, động cơ và truyền dẫn Pda, Pds, Pdt . Xuất phát điểm để chọn các khâu trong hệ thống chấp hành là công suất có khí P để đảm bảo lực và vận tốc chuyển động của khớp. Phần sau đây trình bày khái quát chức năng của các cụm chính: 1. Truyền dẫn cơ khí 35
37. Chuyển động tại các khớp của tay máy thường có vận tốc thấp và momen lớn, trong khi các động cơ thường làm việc với vận tốc lớn và momen nhỏ. Vì vậy, giữa động cơ và khớp thường có bộ phận biến tốc sử dụng vùng làm việc có lợi nhất của động cơ, thông qua bộ phận truyền dẫn này, công suất Pm trở thành Pu và bị tổn hao một lượng Pdt do ma sát. khi chọn bộ phận truyền dẫn cần căn cứ vào công suất cần thiết, loại chuyển động của khớp và vị trí đặt động cơ so với khớp, vì bộ phận truyền dẫn không chỉ biến đổi giá trị công suất mà cả dạng chuyển động, ví dụ biến chuyển động quay của trục động cơ thành chuyển động tịnh tiến trong khớp. Nếu khéo bố trí động cơ và bộ phận truyền dẫn có thể giảm tiêu hao năng lượng. Ví dụ, nếu đặt động cơ và bộ phân truyền dẫn gần thân máy thì có thể tăng tỷ số công suất tiêu hao/ trọng lượng cơ cấu. Trong robot thường sử dụng các loại truyền dẫn sau: - Cơ cấu trục vít – bánh vít có tỷ số truyền lớn, cho phép đổi phương trục và thay đổi điểm tác dụng của lực. - Cơ cấu vít me- đai ốc cho phép biến chuyển động quay của trục động cơ thành chuyển động thẳng tại khớp trượt. Vít me- đai ốc bi thường được dùng để giảm ma sát. Thường cơ cấu này đuợc lắp có bộ đôi để giảm khe và tăng độ cứng vững. - Truyền động đai răng và truyền động xích cho phép đặt động cơ xa trục khớp. Lực căng đai gây tải trọng phụ nên đai thường được dùng khi vận tốc chuyển động lớn và lực nhỏ. Ngược lại, xích hay bị dao động nên thường dùng khi vận tốc nhỏ. Với giả thuyết chuyển động không có khe hở và không có trượt, tỷ số truyền của các bộ truyền động có khí là không đổi. Ngày nay, người ta gắn trực tiếp rotor của động cơ lên trục quay của khớp mà không dùng truyền dẫn cơ khí trung gian. Điều đó loại trừ được ảnh hưởng của biến dạng cơ khí và khe hở, giảm tổn hao năng lượng. Tuy nhiên nó đòi hỏi các giải pháp ký thuật điều khiển để duy trì quan hệ tuyến tính truyền động trong dải rộng. Truyền động trực tiếp còn chưa phổ biến trong kỹ thuật robot vì lý do kết cấu 2. Động cơ Động cơ là nguồn tạo động lực chuyển động cho các khớp. Tuỳ thuộc dạng năng lượng sử dụng, ngưòi ta dùng các loại động cơ khí nén, động cơ thuỷ lực và động cơ điện. Công suất và động cơ P là do tổn hao cơ khí, 36
38. thuỷ lực hoậc khí nén. Trong kỹ thuật robot người ta thường dùng các động cơ công suát từ vài chục wats đến hàng chục kilowat. Do đặc điểm sử dụng trong robot, chẳng hạn yêu cầu ‘bám sát” quỹ đạo thiết kế, định vị chính xác các động cơ phải có các tính chất sau: - Quán tính nhỏ và tỷ số năng luợng tiêu hao/trọng lượng cao - Có khả năng chịu quá tải và lực xung - Có khả năng gia tốc tốt - Dải tốc độ làm việc rộng ( 1÷ 10.000v/ph) - Độ chính xác định vị cao (ít nhất 1/1000 vòng tròn) - Có thể làm việc trơn tru ở vận tốc thấp Động cơ khí nén khó đáp ứng các yêu cầu trên, vì không thể khắc phục tính nén được của môi truờng thể khí. Chúng thường chỉ được dùng cho các chuyển động đóng mở, ví dụ dùng cho tay khớp hoặc chuyển động điểm Động cơ điện gồm các loại động cơ một chiều, xoay chiều thông dụng và động cơ servo, trong đó động cơ servo được dùng phổ biến hơn cả. Động cơ servo khác các loại động cơ bình thường khác ở chỗ nó được điều khiển tự động bằng 1 hệ thống điều khiển điện từ có phản hồi. Tín hiệu phản hồi được lấy từ sensor vận tốc hoặc sensor vị trí, giám sát liên tục chuyển động tương đối giữa rotor và stator, từ đó sinh ra tín hiệu điều khiển tốc độ và chiều quay của rotor. Động cơ servo có đặc tính động lực học tốt, đồng thời kết cấu đơn giản, làm việc tin cậy nên ngày càng được ưu dùng. Động cơ điện một chiều cổ điển không được ưa chuộng vì có bộ góp điện gây nhiều phiền phức khi sử dụng đã được thay bằng động cơ điện một chiều không cổ góp (Brushless DC Servomotor). Động cơ bước, do đó công suất nhỏ, độ chính xác thấp ( do không có mạch phản hồi vị trí, do đặc tính động lực học phụ thuộc tải trọng, thậm chí có hiện tượng “bỏ bước” khi tải trọng lớn), nhưng lại rẻ tiền nên được dùng cho những nơi không đòi hỏi độ chính xác điều khiển cao. Động cơ thuỷ lực có các đặc tính động lực học tương đương với động cơ điện, có thể trục tiếp sinh ra chuyển động thẳng và chuyển động quay. Mặc dù, về đại thể, bản thân động cơ điện và động cơ thuỷ lực có đặc tính động lực học tương đương nhau, nhưng chúng khác nhau về đặc điểm sử dụng. 37
39. Về phương diện đó, động cơ điện có ưu điểm sau: - Dễ cung cấp năng lượng, vì hệ thống cấp điện có ở khắp nơi. - Giá rẻ, chủng loại phong phú và dải công suất rộng. - Hiệu suất biến đổi năng lượng cao. - Dễ sử dụng và dễ chăm sóc. - Không gây ô nhiễm môi trường. Bên cạnh đó chúng có các nhược điểm sau: - Phát nóng ở trạng thái tĩnh hoặc khí ở tốc độ thấp, vì vậy thường phải dùng phanh. - Cần bảo vệ đặc biệt nếu làm trong môi trường dễ cháy. Ngược lại động cơ thuỷ lực có các ưu điểm sau: - Làm việc tốt ở trạng thái tĩnh và tốc độ thấp mà không phát nóng. - Tự bôi trơn và tản nhiệt tốt nhờ lưu thông của chất lỏng trong khi làm việc. - An toàn trong mọi môi trường. - Có công suất riêng theo trọng lượng cao. Bên cạnh đó, chúng có các nhược điểm sau: - Cần trạm cung cấp thuỷ lực riêng. - Đắt tiền, ít chủng loại, khó lắp đặt, khó chăm sóc và bảo trì. - Hiệu suất biến đổi năng lượng thấp. -Dễ gây ô nhiễm môi trường do dầu trong hệ thống bị rò khi vận hành hoặc có dầu thải khi bảo dưỡng, sửa chữa. 38
40. Xét về khía cạnh điều khiển và vận hành, động cơ điện dễ điều khiển và có thể thay đổi chế độ làm việc một cách linh hoạt. Đặc tính động lực hoặc của động cơ thuỷ lực còn phụ thuộc vào nhiệt độ dầu. Động cơ điện làm việc tốt ở tốc độ cao và tải trọng nhỏ nên thường truyền động trực tiếp. 3. Khuyếch đại công suất. Bộ khuyếch đại công suất có nhiệm vụ biến đổi trạng thái năng lượng (goi chung là lưu và áp) của nguồn cung cấp sao cho phù hợp với yêu cầu của động cơ. Công suất cung cấp tỷ lệ với tín hiệu điều khiển Pc và thường lớn hơn công suất điều khiển nên bộ biến đổi này có tên là bộ khuyếch đại công suất. Một bộ phận công suất vào, gồm Pc và Pp , sau khi biến đổi được cung cấp cho động cơ (Pa). Phần khác (Pda) bị tổn thất trên bản thân bộ biến đổi. Đối với động cơ, bộ biến đổi thường phải tiến hành biến điện năng dưới dạng xoay chiều thông dụng, ví dụ 230/380V - 50Hz thành điện một chiều (cho động cơ một chiều) hoặc thành điện xoay chiều với điện áp và tần số thích hợp ( cho động cơ xoay chiều). Các bộ biến đổi dùng cho động cơ điện một chiều được gọi là AC và DC converter, hay là chopper. Loại dùng cho động cơ một chiều không chổi than được gọi là DC to AC converter hay inverter. Để điều khiển động cơ xoay chiều không đồng bộ, có thể dùng bộ biến đổi bề rộng (pulse width modulatỏ) hoặc bộ biến đổi tần số (frequency modulator hay frequencys inverter). Các thông số quan trọng nhất của bộ biến đổi là hiệu suất biến đổi Pa/(Pc + Pp) và tỷ số truyền 6 Pa/Pc . Giá trị của chúng thường vào khoảng 0,9 và 10 . Động cơ thuỷ lực được điều khiển bằng cách thay đổi lưu lượng chất lỏng cung cấp cho nó. Cơ cấu điều khiển thường là các van tiết lưu, cho phép thay đổi lưu lượng cung cấp theo tín hiệu điện. 4. Nguồn cung cấp chính. Nhiệm vụ của nguồn cung cấp chính là nguồn năng lượng tới đầu vào của bộ biến đổi. Nếu là điện năng thì nguồn cung cấp thường là biến áp. Nếu dùng dòng điện một chiều thì phải có chỉnh lưu. Nguồn cung cấp cho các động cơ thuỷ lực là trạm bơm các loại, như bơm bánh răng, cánh gạt, piston, Truyền động cho chúng là các động cơ sơ cấp, 39
41. thường là động cơ điện xoay chiều không đồng bộ. Ngoài ra, trong hệ thống cung cấp còn có bể chứa (để tránh hiện tượng mạch đập), bộ lọc, van an toàn, an tràn giúp cho hệ thống làm việc ổn định, an toàn, vai trò của chúng giống như tụ điệnlà phẳng và các kiểu bộ lọc khác trong hệ thống nguồn điện. IV. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN. các phần trên đã trình bày về hệ thống cơ khí (xương cốt) và hệ thần kinh ngoại vi. Muốn điều khiển được robot cần một hệ thống thần kinh trung ương, tức là bộ não. Đó là hệ thống điều khiển. 1. Kiến trúc chức năng. Hệ thống điều khiển robot cần có các khả năng sau: - Điều khiển chuyển động của các cơ cấu cơ khí (manipulation ability) - Thu nhận thông tin về trạng thái của hệ thống và về môi trườn công tác (sensory ability) - Phân tích thông tin và phản ứng trước điều kiện thực tế trong phạm vi xác định (inteligent behavior ability) - Lưu trữ, xử lý và cung cấp thông tin về hệ thống (data processing ability) Muốn vậy, bộ điều khiển cần có các khối (modul) cơ bản: - Modul cảm biến thu nhận, biến đổi, hiệu chỉnh, tổng hợp thông tin về trạng thái của hệ thống và về môi trường. - Modul tổng hợp, thiết lập mô hình tổng hợp về hệ thống và môi trường trên cơ sở thông tin do modul cảm biến cung cấp. - Modul ra quyết định, đưa ra phương thích hành động. Từ chiến lược hành động, lập kế hoạch, điều khiển hoạt động của cơ cấu để thực hiện nhiệm vụ theo tình huống cụ thể. Các modul trên tự động liên kết với nhau theo nhiệm vụ, được quy đinh trong chương trình và có tính dến khả năng thích ứng của hệ thống trong tình huống cụ thể. Tuy vậy vẫn cần có giao diện với người vận hành để khi cần con người có thể kiểm tra, giám sát, can thiệp vào hệ thống. 40
42. Tính đến cường độ trao đổi thông tin giữa các modul với nhau và giữa hệ thống với người vận hành cần có bộ nhớ chung dể lưư trữ các thông tin ban đầu và thông tin cập nhật của hệ thống và môi trường. Cấu trúc chức năng trên được phân cấp theo thứ bậc. Cấu trúc bậc thấp liên quan đến các dịch chuyển vật lý . Cấu trúc bậc cao gắn với chức năng phân tích logic. Các bậc liên hệ với nhau thông qua dòng dữ liệu. Sơ đồ trên hình 4-2 cho phép nhìn nhận tổng quan về cấu trúc, chức năng và cấu trúc thứ bậc của hệ điều khiển robot. Tuỳ theo yêu cầu đối với hoạt động của robot, các chức năng được phân cấp với mức dộ khác nhau. Nói chung, có thể phân thành 4 cấp chính: - Cấp nhiệm vụ (task level) giải quyết các vấn đề chung vê nhiêmj vụ. So sánh yêu cầu đặt ra với khả năng chấp nhận của hệ thống, tình trạng hiện tại của hệ thống và môi trường - Cấp chiến lược (action level) giải quyết phương thức hành động chung, ví dụ hệ toạ độ, vị trí của phần công tác, các điểm phải đi qua mà nội suy sẽ sử dụng. - Cấp kế hoạch (primitive level) thiết lập quỹ đạo, tính toán vận động học và vận động học ngược, phân tích tình trạng hệ chấp hành - Cấp thừa hành (servo level), liên quan đến các hoạt động cụ thể như giải mã lệnh, nội suy, xử lý lỗi, giao diện với cơ cấu chấp hành. XỬ LÝ TÍN HIỆU TỪ MÔ HÌNH CHIẾN LƯỢC TỪ SENSOR TRI THỨC RA QUYẾT ĐỊNH CẤP S M D NHIỆM VỤ C CẤP C Ụ S M D TÁC ĐỘNG Ụ TOÀN C CẤP TOÀN C Ớ S M D Ớ ĐỐI TƯỢNG NH NH Ộ Ộ CẤP B S M D SERVO B SENSORS ACTUATOS Hình 4 - 2: Cấu chúc chức năng và thứ bậc của hệ điều khiển robot 41
43. Sơ đồ trong hình 4-2 cho phép hình dung chi tiết về sự phân cấp điềi khiển. Trên thực tế, không phải hệ điều khiển robot nào cũng có đầy đủ nhiệm vụ. Ngược lại, một số loại robot, như robot dùng trong vũ trụ, trong quân sự, trong y học có nhiều cấp điều khiển hơn. TÁC ĐỘNG HỆ TOẠ ĐỘ KHÔNG GIAN KHỚP VÙNG CÔNG TÁC TRẠNG THÁI QUỸ ĐẠO INQUIRY CÁC HÀM NỘI SUY CÁC HÀM ĐIỀU KHIỂN S ĐỘNG HỌC M GIẢI MÃ LỆNH D ĐỐ I T ƯỢ NG HÌNH H Ọ C T Ạ O QU Ỹ ĐẠ O PRIMITIVE ĐỘNG HỌC NGƯỢC ĐỘNG HỌC NGƯỢC TRẠNG THÁI TƯƠNG PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI TÁC ĐỘNG LỰC HỌC XỬ LÝ SỰ CỐ DỮ LIỆU KHÔNG GIAN KHỚP VÙNG CÔNG TÁC 42
44. INQUIRY CÁC HÀM NỘI SUY XỬ LÝ TÍN HIỆU S ĐỘNG HỌC M GIẢI MÃ LỆNH D TRẠNG THÁI CỦA TAY MICROINTERPOLATION XỬ LÝ LỖI MÁY JACIBIAN LUẬT ĐIỀU KHIỂN TRẠNG THÁI TƯƠNG GIAO DIỆN SERVOMOTOR TÁC VỚI MÔI TRƯỜNG ĐỘNG LỰC HỌC NGƯỢC SERVO DỮ LIỆU SENSOR LỆNH RA CƠ CẤU LỰC CHẤP HÀNH CAMERA TRANSDUCER TRANSDUCER VẬN TỐC VỊ TRÍ 4 - 3: Phân cấp điều khiển robot 2.Bộ điều khiển. a.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, điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển. Robot trở nên phổ biến từ khi các máy tính - bit như loại Apple 2E trở nên thông dụng. Nhược điểm cơ bản của bộ điều khiển này là tốc độ xử lý chậm, dung lượng bộ nhớ thấp điều này làm hạn chế khả năng lập trình cũng như hạn chế số vị trí trong vùng không gian làm việc của robot Robot hiện nay đựoc trang bị bộ xử lý 16-bit có kèm theo bộ đồng xử lý để phục vụ cho việc tính toán được sử dụng nhiều nhất là các bộ xử lý họ Intel 8086 và 8088. Điều này khắc phục các hạn chế của máy tính 8- bit Các bộ vi xử lý 42 -bit là bộ não cho các bộ điều khiển của thế hệ robot hiện đại nhờ ở khả năng tăng tốc độ xử lý và dung lượng của bộ nhớ. Máy tính 42 – bit cho phép ghi nhớ được một số lượng lớn các vỉ trí, điều này cần thiêt cho các robot điều khiển theo đường dẫn liên tục 43
45. b.Bộ nhớ Bộ nhớ dùng để lưu giữ chương trình và những fhông tin phản hồi từ môi trường thao tác Cac bộ nhớ Rom đựoc cung cấp cho các robot chiếm giữ 1 phần bộ nhớ, các chương trình xuất / nhập cơ bản nằm trong bộ nhớ Rom. Các chương trình này cho phép máy tính nhận và chuyển thông tin với các mạch giao tiếp cảm biến, mạch giao tiếp của các cư cấu tác động, mạch truyền thông nối tiếp. Rom cũng chứa các chương trình điều khiển servo, sử dụng tín hiệu phản hồi từ các cảm biến để tính toán và xác định sai lệch giữa vị trí (vận tốc, gia tốc, momen) hiện tại với vị trí yêu cầu. Hầu hết các bộ điều khiển robot có kèm theo các chương trình trong bộ nhớ Rom cho phép quản lý được toàn bộ chuyển động của robot Rom phải chứa các chương trình khởi động hệ thống. Hệ thống khởi động cho phép người sử dụng đưa ra các lệnh như run, learn, edit Cuối cùng Rom còn kèm theo chương trình ứng dụng để đáp ứng việc hướng dẫn cho người viết chương trình. Bộ nhớ Rom có công dụng lưu chương trình của người sử dụng. Sử dụng trong chế độ huấn luyện, lưu trữ giá trị các biến hiện hành các thông số cài đặt và các dữ liệu làm việc được yêu cầu bởi chương trình bộ nhớ Rom. c.Bộ xuất / nhập Bộ xuất nhập dùng để đưa chương trình vào bộ xử lý và kiểm tra theo dõi hoạt động trong quá trình thao tác. Cấu hình của bộ xuất / nhập bao gồm bàn phím, màn kính, các bo mạch được bố trí các cổng giao tiếp xuất / nhập dạng nối tiếp và song song Truyền thông Cổng máy in/ cổng mạng song song Truyền thông với PLC và robot khác B ộ nh ớ EPROM ổ đĩa mêm Lập trình offline 44
46. Cảm biến Analog Bộ chuyển đổi A/D và D/A H ệ th ố ng thu nh ậ n Cơ cấu tác động Analog hình ả nh Cảm biến Bộ giao tiếp Màn hình xu ấ t/nh ậ p song song Cơ cấu tác động Panen điều khiển Bo đ i ề u khi ể n tr ụ c Chuyển động xoay quanh eo Bo đ i ề u khi ể n tr ụ c Chuyển động xoay quanh vai CPU Bo đ i ề u khi ể n tr ụ c Chuyển động lắc của khuỷ Bo điều khiển trục Chuyển động gập cổ tay Bộ nhớ Chuyển động lắc cổ tay Bo điều khiển trục Chuyển động xoay bàn tay Bo điều khiển trục Hình 4-4: Sơ đồ minh hoạ khả năng xuất / nhập của bộ điều khiển robot d.Các loại bộ điều khiển *) Bộ điều khiển trong hệ thống hở Robot hoạt động trong 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 của dịch chuyển. Cấu tạo : gồm cơ cấu khí bên trong robot, dùng thiết lập vị trí chính xác và các thiết bị bên ngoài xử lý và truyền dẫn tín hiệu. Các cơ cấu định vị bên trong gồm: +) các cử chặn hạn chế hành trình cố định giới hạn sự dịch chuyển của cơ cấu tác động thuỷ lực hay khí nén ở cuối hành trình hay ở môt khoảng cách xác định nào đó. +) Các cử chặn hạn chế hành trình có thể điều chỉnh vị trí 45
47. +) Các công tắc hạn chế hành trình +) Động cơ bước có góc quay tuỳ vào số xung cung cấp. Động cơ bước ít dùng trong công nghiệp nhưng thường dùng trong phần cứng phụ như bàn định vị, để xoay cho robot +) Thiết bị đảm bảo sự tuần tự của robot +) Bộ lập trình trống : người ta điều khiển tuần tự bằng cách xếp đặt các cam lên bề mặt tang trống. Các cam này tác động lên công tắc điện hay các van thuỷ lực ( khí nén) chính các cam này kiểm soát sự dich chuyển của mỗi trục robot. Kiểm soát bằng số lượng cam và tốc độ của tang trống. +) Logic khí nén và các phần tử logic khí nén: thời gian tuần tự dich chuyển của robot được xác định bằng cách liên kết hợp lý các phần tử khí nén. Điều khiển Workcell Khởi tạo chu kỳ Thử kiểm tra thiết bị ngoại vi Robot khí nén: - Cơ cấu tác động Mô đun - Hàm kẹp Van khí xuất Bộ điều khiển Mô đun Hiển thị tình trạng hoạt động lập trình nhập của hệ thống: - Cơ cấu tác động - Đèn báo - Màn hình -Báo động còi Hệ thống cảm biến: - Công tắc hành trình - Cảm biến tiệm cận Thiết bị - Cảm biến quay lập trình - Cảm biến quá trình ( Lực, áp suất, nhiệt độ, lưu lượng) - Cảm biến khác 46
48. Hình4 - 5: Sơ đồ khối điều khiển kiểu vòng hở kết hợp với các công tắc hành trình *) Điều khiển robot trong hệ thống kín Sơ đồ sau là sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển kín (hệ thống servo) sử dụng tròn điều kiện vị trí. ở đây mạch điều khiển được trang bị hai loại cảm biến là cảm biến vị trí và cảm biến vận tốc để kiểm soát liên tục sự thay đổi vị trí và vận tốc trên một trong sáu trục của robot. Bộ so sánh Bộ so sánh van servo hay vị trí tốc độ SCR Động cơ Vị trí Trục yêu cầu Bộ khuếch đại Bộ khuếch đại Phản hồi tốc độ Phản hồi Máy phát tốc vị trí Bộ mã hoá vị trí Hình 4-6: Sơ đồ khối của một hệ thống kín Ưu điểm của hệ thống servo; - Khả năng định vị tốt của robot nhờ hệ thống điều khiển servo sẽ giảm đi độ phức tạp của tay gắt. - Robot có khả năng thực hiện nhiều chuyển động có yêu cầu phức tạp đồng thời có khả năng thực thi nhiều chương trình để đáp ứng theo các yêu cầu sản xuất có trình tự thay đổi khác nhau, giúp cho hệ thống sản xuát có tính linh hoạt cao. 3. Hàm truyền chuyển động mỗi khớp động. Trong cơ cấu tay máy mỗi bậc tự do thường được điều khiển bằng một hệ thống truyền động riêng. Truyền động có thể là thuỷ lực, khí nén nhưng nhiều hơn cả là bằng động cơ điện một chiều 47
49. Sơ đồ sau là sơ đồ động cơ điện một chiều với tín hiệu vào là điện áp Va đặt vào phần ứng, tín hiệu ra là góc quay θm của trục động cơ có kích từ cho động cơ và kích từ từ độc lập Trục động cơ thường nối liền với hộp giảm tốc rồi tới trục phụ tải. Gọi n là tỷ số truyền, θL là góc quay của trục phụ tải, ta có: θ L (t) = nθ m (t)⎫ ⎪ θ&L (t) = nθ&m (t)⎬ (1) ⎪ θ&&L (t) = nθ&&m (t)⎭ Momen trên trục động cơ bằng tổng momen cần để động cơ quay cộng với momen phụ tải quy về trục động cơ * M(t) = Mm(t) + ML (t) (2) Ký hiệu Jm - momen quán tính của động cơ JL - momen quán tính của phụ tải Ta có : Mm (t) = Jm θ&&m (t) + fmθ&m (t) (3) ML (t) = JLθ&&L (t) + fLθ&L (t) (4) Trong đó Fm và F2 là hệ số cản của động cơ và của phụ tải Theo định luật bảo toàn năng lượng, công do phụ tải sinh ra tính trên trục phụ tải là M2θ2 phải bằng công quy về trục động cơ M2θm. Từ đó ta có: * M L (t)θ L (t) M L (t) = = nM L (t) (5) θ m (t) tính tới (1) và (4) ta có: * 2 M L (t) = n [J Lθ&&m (t) + f Lθ&m (t)] (6) thay (3) và (6) vào (2) ta có: 2 2 M(t) = (Jm + n JL ) θ&& m (t) + (fm + n fL) θ& m (t) (7) 48
50. M(t) = Jθ&& m (t) + fθ& m (t) (8) 2 Với J = Jm + n JL 2 f = fm + n fL Trong đó : J - momen quán tính tổng hiệu dụng F - hệ số tổng hiệu dụng Bởi vì momen trên trục động cơ phụ thuộc tuyến tính với cường độ dòng điện phần ứng và không phụ thuộc vào góc qua và vận tốc góc. M(t) = Kaia (t) (9) Với ia – cường độ dòng điện Ka – hệ số tỉ lệ momen Đối với mạch điện phần ứng di (t) U (t) = R i (t) + L a + e (t) (10) a a a a dt b Với Ra, La - điện trở và điện cảm phần ứng eb - sức phản điện động của động cơ eb(t) = Kbθ& m (t) (11) Ke – hệ số tỷ lệ với sức phản điệ n động Dùng phép biến đổi laplace, từ (10) ta có : U a (s) − sK bθ m (s) Ia (s) = (12) Ra + sLa Ta có : 2 M(s) = s Jθ&& m (s) + sfθ& m (s) (13) 49
51. Từ (9) ta có : ⎡U a (s) − sKbθ m (s)⎤ M(s) = KaIa(s) = Ka ⎢ ⎥ (14) ⎣ Ra + sLa ⎦ Từ (13) và (14) ta có: θ m (s) K a = 2 (15) U a (s) s[]s JLa + (La f + Ra J )s + Ra f + K a K b Đây là hàm truyền cần xác định, nó là tỷ số giữa tín hiệu ra (góc quay θm) và tín hiệu vào của hệ thống (điện áp Va) Biến đổi (15) dưới dạng sau: θ (s) K m = a (16) U a (s) s[](sLa + Ra )(sJ + f ) + K a Kb Bởi vì hệ hrống gồm có cả động cơ và phụ tải nên tín hiệu ra là góc quay của trục phụ tải θL như trong công thức (1). Cuối cùng hàm truyền chuyển động một bậc tự do của tay máy là : θ (s) nK L = a (17) U a (s) s[](sLa + Ra )(sJ + f ) + K a Kb và sơ đồ khối tương ứng: 1 1 1 ua(s)+ K n ∑ sLa + Ra a sJ + f s θL(s) - K b Hàm truyền chuyển động của một bậc tự do 50
52. Để đơn giản hoá có thể không xét đến ảnh hưởng của điện cảm phần ứng là La vì nó thường quá nhỏ so với các nhân tố ảnh hưởng cơ khí khác. Phương trình (17) còn lại: θ (s) nK L = a (18) U a (s) s[](sRa J + Ra f + K a Kb 4. Điều khiển chuyển động mỗi khớp động. Nhiệm vụ điều khiển lúc này là làm sao cho động cơ dịch chuyển đi một góc bằng góc quay đã tính toán để đảm bảo theo quỹ đạo đã chọn, để điều khiển theo quỹ đạo phải đặt điện áp và động cơ tỷ lệ thuận với độ sai lệch góc quay của khớp động ~ K P e(t) K P [θ L (t) −θ L (t)] U (t) = = (19) a n n Với Kp _- hệ số truyền tín hiệu phản hồi về vị trí ~ e(t) - độ sai lệch góc quay : e(t)= θ L (t) - θ L (t) ~ Giá trị góc quay tức thời θ L (t) được đo báo bằng cảm biến quang học hoặc chiết áp Biết đổi laplace (19): ~ K P [θ L (s) −θ L (s)] K P E(s) U (t) = = (20) a n n Thay (20) vào (18) θ (s) K K L = a b = G(s) (21) E(s) s[]sRa J + Ra f + K a Kb Sau khi biến đổi đại số đơn giản ta có hàm truyền θ L (s) G(s) K a K P K a K P Ra J ~ = = 2 = θ (s) 1+ G(s) s R J + s(R f + K K ) + K K 2 [Ra f + K a K b ] K a K P L a a a b a P s + s + Ra J Ra J (22) 51
53. Từ pt (22) hệ điều chỉnh tỷ lệ dịch chuyển mỗi khớp động là hệ bậc 2. Nếu các hệ số phương trình bậc 2 này là dương thì hệ sẽ ổn định. Để nâng sao đặc tính động lực học của hệ và để giảm sai số tĩnh có thể tăng hệ số Kp và xét tới đạo hàm của độ sai lệch dịch chuyển qua hệ số k. Muốn thế thì điện áp điều khiển động cơ sẽ tỉ lệ thuận với độ sai lệch dịch chuyển và đạo hàm của nó: ~ ~ K [θ (t) −θ (t)] + K [θ& (t) −θ& (t)] K e(t) + K e(t) U = P L L V L L = P V & (23) a n n Như vậy khi có liên hệ phản hồi hệ thống trở thành khép kín Sau khi biến đổi laplace biểu thức (23) và thay Uavào (21) ta có hàm truyền: θ L (s) K a Kb K a K v s + K a K P = = = Gv (s) (24) E(s) s[]sRa J + Ra f + K a K b s(sRa J + Ra f + K a K b ) Từ đó có: θ L (s) Gv (s) K a K v s + K a K P ~ = = 2 (25) θ L (s) 1+ Gv (s) s Ra J + s(Ra f + K a K b + K a K v ) + K a K P ~ θ L (s) 1 Ua(s) 1 1 1 n θL(s) K + sK sL + R ∑ P v n a a K sJ + f s ∑ a - K b Sơ đồ điều khiển chuyển dịch 1 khớp động có liên hệ phản hồi 5. Đánh giá đặc tính động lực của hệ điều khiển. 52
54. Trước hết cần nghiên cứu phạm vi thay đổi hệ số truyền phản hồi về vih trí và vận tốc (hệ số Kp và hệ số Kv) Như đã biết, phương trình đặc trung của hệ bậc 2 có dạng chuẩn như sau: 2 2 S + 2ξwns + wn = 0 (26) Với ε và wn - hệ số giảm chấn và tần só riêng của hệ dao động Đối chiêu giữa 2 phương trình (25) và (26) ta có: 2 K a K P w n = (27) JR a Ra f + K a Kb + K a K v 2ξωn = (28) JRa Để đảm bảo chế độ làm việc có giảm chấn cần thiết thì ξ ≥ 1. Do vậy : R f + K K + K K ξ = a a b a v ≥ 1 (29) 2 K a K P JRa Từ điều kiện (29): 2 K a K P JRa − Ra f − K a K b K v ≥ (30) K a Để tránh dòng điện cộng hưởng cần chọn ωn ≤ 0,5ωr (31) Tần số cộng hưởng của hệ kết cấu chủ yếu phụ thuộc vào vật liệu chế tạo máy. Nếu gọi độ cứng vững của hệ khớp động là Ker thì momen gây nên Kevθm(t) , cân bằng với momen quán tính của động cơ Jθ&& m (t) + Kevθm (t) = 0 (32) 53
55. Pt đặc trưng của biểu thức (32) sau khi biến đổi laplace là : 2 Js + Kev = 0 (33) Giải phương trình trên rìm tần số cộng hưởng 1/ 2 ⎛ K cv ⎞ ωr = ⎜ ⎟ (34) ⎝ J ⎠ Nếu w0 là tần số cộng hưởng đo được ứng với momen quán tính s0 đã biết thì đối với momen quán tính S1 tần số cộng hưởng tương ứng là : 1/ 2 ⎛ J 0 ⎞ ωr = ω0 ⎜ ⎟ (35) ⎝ J ⎠ Theo điều kiện (31), (27) có: 2 ωr JRa 0 < K P ≤ (36) 4K a Tính thêm biểu thức (34) ta có: 2 ω0 J 0 Ra 0 < K P ≤ (37) 4K a Biết Kp thay vào (30) nhận được: R0ω0 J 0 J − Ra f − K a Kb K v ≥ (38) K a 6. Điều khiển chuyển động robot nhiều bậc tự do Nhiệm vụ quan trọng đầu tiên của điều khiển robot là đảm bảo sao cho điểm tác động cuối E ( End- effector) của cơ cấu tay máy phải dich chuyển bám theo một quỹ đạo đặt trước. Không những thế, hệ toạ độ xe, ye , ze gắn liền tại điểm E đó phải duy trì theo một định hướng nào đó. Tuy nhiên ở đây ta phải tính tới các điều kiện thực tế khi làm việc, như là có sự tác động của momen lực, của môi trường làm việc 54
56. Các yếu tố này sẽ lần lượt được tính tới và phương pháp điều khiển cũng trở nên đa dạng và phong phú hơn, tuỳ theo yêu cầu nâng cao chất lượng điều khiển. Như đã biết các khớp động của robot đều có nguồn động lực riêng, nên điều khiển robot là điều khiển các nguồn động lực độc lập đó. Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển robot được mô tả trên hình sau: FM qd ε B ộ đ i ề u khi ể n Robo t q q& Sơ đồ hệ thống điều khiển qd : vectơ vị trí đặt của biến khớp q& : là vectơ tốc độ thay đổi biến khớp tương ứng FM : vectơ lực động tạo nên ở khớp động. Đó là lực hoặc momen tạo nên bởi nguồn động lực ở khớp động. Phương trình động lực học của Robot đã được viết dưới dạng ma trận: FM = D(q)q&&+ h(q,q&) + c(q) (39) Cấu trúc bộ điều khiển vso thể lựa chọn là luật điều khiển tỷ lệ đạo hàm (PD – prportional – Derivative): FM = K Pε + K Dε& (40) Trong đó : ε - sai số vị trí của khớp động : ε = qd – q ε& - sai số tốc độ :ε& = q&d − q& 55
57. Kp - ma trận đưòng chéo các hệ số khuyếch đại của n lớp động : Kp = diag (Kp1, Kp2, , Kpn) KD- ma trận đường chéo của hệ số đạo hàm của n khớp động : KD = diag (KD1, KD2, , KDn) Sơ đổ hệ thống điều khiển phản hồi với cấu trúc điều khiển PD có dạng đơn giản : K qD ε P Robot KD Sơ đồ cấu trúc hệ thống với bộ điều khiển PD có độ tắt dần Trên sơ đồ trên tín hiệu đặt vị trí qd được so sánh với vị trí tức thời q và độ sai lệch ε tác động vào khâu khuyếch đại với hệ số Kp. Tín hiệu ra của khâu tỷ lệ được cộng đại số với tín hiệu tắt dần tỷ lệ với tốc độ của khớp động Fm = Kp (qd - q ) + KD q& (41) Hệ thống với cấu trúc luật điều kiển PD có độ tắt dần sẽ không thích hợp với một số kiểu robot. Một dạng hệ thống điều khiển khác giới thiệu trên hình trên có bổ sung thêm tín hiệu đặt tốc độ qd và độ sai lệch tốc độ ε tác động vào khâu khuyếch đại KD - KP qD q FM Robot 56
58. q&d ε& - q& KD - Độ chính xác tĩnh của hệ thống điều khiển có thể nâng cao bằng cách tăng hệ số khuyếch đại Kp. Tuy nhiên hệ số Kp lớn sẽ làm giảm độ ổn định của hệ thống cũng như làm tăng độ nhiễu. Bộ điều khiển có cấu trúc PID sẽ khắc phục được nhược điểm đó của bộ điều khiển PD. Khi đó phương trình lực động FM tác động lên khớp động sẽ có dạng : t F = K ε + K ε + K ε (τ )dτ M P D & i ∫ (42) 0 Trong đó : Ki – ma trận đường chéo các hệ số tích phân của n khớp động Ki = diag ( Ki1, Ki2, , Kin) Như vậy tuỳ thuộc cấu trúc đã lựa chọn bộ điều khiển, ta đem đối chiếu phương trình (41) , (42) với phương trình Lagrange, từ đó nhận được các phương trình của hệ điều khiển tương ứng. Từ các phương trình của hệ điều khiển này có thể lựa chọn Kp, KD và Ki sao cho sai lệch vị trí ε sẽ tiến tới 0. 7. Điều khiển động cơ thuỷ lực Các động cơ thuỷ lực được điều khiển bằng cách thay đổi lưu lượng dầu qua bơm. Bất kể sự khác nhau về cấu trúc vật lý, các mối quan hệ cơ bản giữa lưu lượng và áp suất, chuyển động của chất lỏng và chuyển động của các chi tiết, sự cân bằng cơ học của các chi tiết đếu xuất phát từ đạo hàm quan hệ vào/ra. Giả sử Q là lưu lượng cung cấp, Qm là lưu lượng vào của động cơ, Qt là lưu lượng tổn hao do lọt dầu trên bơm, Qc là lưu lượng tổn hao do tính nén được của dầu, ta nhận được phương trình cân bằng lưu lượng như sau: Q = Qm + Ql + Qc (43) 57
59. Các đại lượng tổn hao Ql và Qc được tính đến khi hệ thống làm việc dưới áp suất cao, cỡ hàng trăm atmosphe. Gọi P là chênh lệch áp suất giữa đầu ra và đầu vào của bơm do tải, ta có quan hệ: Ql = klP (44) Tổn hao năng lượng do tính nén được của chất lỏng tỷ lệ với thể tích tức thời của chất lỏng V và áp suất P hệ số nén γ và biến thức s : Qc = γ,VsP (45) Từ (6.12) thấy rằng hệ số tỷ lệ kc = Υ.V giữa đạo hàm theo thời gian của áp suất P và lưu lượng Qc phụ thuộc vào thể tích V của chất lỏng.Vì vậy đối với động cơ quay thì kc là hằng số, còn đối với động cơ tịnh tiến thì V thay đổi nên phản ứng của hệ thống tuỳ thuộc điểm công tác. Lưu lượng chất lỏng vào động cơ tỷ lệ với lượng biến thiên trong một đơn vị thời gian của tể tích chất lỏng trong bể chứa. Mặt khác lượng biến thiên này tỷ lệ với vận tốc góc của động cơ. Cuối cùng nhận được: Qm = kqω (46) Điều kiện cân bằng cơ học của các chi tiết chuyển động được mô tả bằng phương trình tương tự như (3.3) Cm = (sIm + Fm)ω +Cr (47) Cuối cùng thì momen của động cơ tỷ lệ với độ chênh lêch áp suất của bơm: Cm = ktP (48) Đối với van điều khiển, hàm truyền giữa vị trí X của van và điện áp điều khiển Vc được xác định như sau: x G = s (49) Vc 1 + sTs 58
60. Vì hằng số thời gian Ts rất nhỏ (cỡ mili giây) so với các hằng số thời gian khác của hệ thống, nên Gs được coi là hệ số truyền tương đương của van và quan hệ giữa Vc và X là tuyến tính. 1 Qm k s X Q Qc 1 P Cm Ω G ks 1 1 s Kq kv skc sI 1 sT m s + s + + + - - - Fm kt kq Hình 4 – 7: Sơ đồ khối hệ điêu khiển động cơ thuỷ lực Trên cơ sở các phương trình đã nêu, có thể xây dựng sơ đồ khối của hệ thống điều khiển của động cơ thuỷ lực, gồm van, bộ phân phối, động cơ như trong hình 4-7. So sánh hình 4-2 với hình 4-7 có thể nhận ra sự tương tự về hình thức giữa đặc tính động lực học của động cơ thuỷ lực và động cơ điện. Tuy nhiên điều đó không có nghĩa là có thể dùng động cơ thuỷ lực để điều khiển vận tốc và điều khiển mômen thay cho động cơ điện. Về hình thức thì mạch phản hồi áp suất của động cơ điện, nhưng không thể thay đổi kết cấu của panel thuỷ lực một cách dễ dàng như đối với một bảng mạch điện. CHƯƠNG V NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH CỦA ROBOT 59
61. I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LẬP TRÌNH CHO ROBOT. Khi xem xét vấn đề lập trình cho robot, không những cần quan tâm đến chuyển động của bản thân robot mà còn phải lưu ý đến sự hoạt động của cả hệ thống sản xuất, mà robot là một thành viên. Hệ thống sản xuất gồm nhiều đơn nguyên hoặc môđun thiết bị sản xuất (Workceell). Đó là một cụm thiết bị, bao gồm một hoặc một vài robot, máy công tác hoặc thanh băng chuyển, các cơ cấu cấp thoát phôi hoặc đồ gá phụ trợ khác v.v Thông thường để lập trình điều khiển robot trước hết phải mô phỏng sự hoạt động của nó “workcell” cụ thể. Có thể phân tách thành 2 phương pháp lập trình: lập trình trực tuyến (on – line programming) và lập trình ngoại tuyến (off-line programming). Khi lập trình trực tuyến, người vận hành robot trực tiếp tiến hành lập trình trên bản thân rôbot hoặc thiết bị phụ trợ kèm theo. Có phương pháp lập trình thủ công (manual input), phương pháp lập trình theo kiểu dậy học bằng dẫn dắt(teach by lead through) và phương pháp lập trình theo kiểu dâỵ học bằng thiết bịdạy học gọi là “teach pendant” Lập trình thủ công là phương pháp đơn giản nhất là thích hợp nhất với các loại robot không được trang bị thiết bị phụ trơ động (non – servo – controlled robots), không có tín hiệu phản hồi. Để lập trình có thể dùng các cữ tỳ, cơ cấu cam, bảng ổ cắm điện, các công tác hành trình v.v các loại này tuy đơn giản nhưng lại có nhiều ứng dụng. Thực tiễn sản xuất đã chứng tỏ rằng có thể chế tạo ra những chương trình thao tác không đơn giản bằng cách thức đơn giản đó. Phương pháp dẫn dắt để “dạy học” cho robot có thể thực hiện được những công việc tinh tế hơn. Người vận hành dẫn dắt robot là các thao tác theo yêu cầu và ở những vị trí cần thiết, các tín hiệu được nhận biết từ các cảm biến (servo) lắp trên robot sẽ được ghi lại. Khi làm việc các thông tin tín hiệu đã ghi nhớ này sẽ tác động vào cơ cấu chấp hành làm cho robot hoàn toàn lặp lại một cách tự động các thao tác đã “học” được. Có thể “dạy học” cho robot theo phương pháp dùng hộp điều khiển “teach pendant”. đó là một hộp nhỏ cầm tay có các nút bấm điều khiển. Khi bấm các nút điều khiển này, các khớp động của robot chuyển dịch một đại lượng nào đó theo ý người điều khiển và các giá trị ghi lại để lập trình khi chuyển sang chế độ tự động. 60
62. Biểu thị các phương pháp lập trình kể trên như các bước phát triển hiện đại dần. Lập trình ngoại tuyến và một bước phát triển cao hơn về chất. Lập trình ngoai tuyến (off – line programming) không tiến hành trực tiếp trên thiết bị robot, mà tiến hành gián tiếp trên máy tính. Để thực hiện được việc trao đổi thông tin giữa người và robot phải dùng đến ngôn ngữ mà cả hai đều hiểu được. Các ngôn ngữ chương trình là ngôn ngữ tường minh (expelicit languages) cho phép người lập tuyền tín hiệu cho máy công tác thực hiện các thao tác cần thiết. Máy tính là một thiết bị vạn năng, tổ hợp các lệnh để máy hoàn thành các công việc rất đa dạng. Ngôn ngữ máy cho phép dùng các ngôn ngữ bậc cao, gọi là ngôn ngữ phát triển. Trong tin học có nhiều lại ngôn ngữ. tuy nhiên trong điều khiển nói chung và điều khiển robot nói riêng cần quan tâm tới sự tiện lợi và nhanh chóng để đảm bảo thời gian thực. Vì thế xuất hiện nhiều loại hình ngôn ngữ chuyên dụng, định hướng cho một loại vấn đề nào đó. Như vậy, khi lập trình ngoại tuyến để cần dùng ngôn ngữ lập trình. Mức thông thường dùng các ngôn ngữ tường minh (explicit language). Mức cao hơn là dùng ngôn ngữ không tường minh (implicit language). Những ngôn ngữ này cho phép người sử dụng ra lệnh để robot thực hiện các công việc mong muốn một cách trực tiếp mà không cần chỉ ra chi tiết các hoạt động của robot như ngông ngữ lập trình thông thường. Ví dụ, ngôn ngữ AML của hãng IBM, Karel của hãng General Motor, Fanuc, Rai, của tập đoàn Automatix, Jas của NASAvà RPL của SRI Inte rnational . Các ngôn ngữ này còn đang ở giai đoạn phát triển . Vậy phạm vi ứng dụng ngôn ngữ tường minh cũng có 2 mức - Ngôn ngữ robot chuyên dụng. Những ngôn ngữ lập trình này được xây dựng như một nhôn ngữ mới cú pháp (syntax) và ngữ nghĩa (sematics) cửa cácngôn ngữ này cần phải đơn giản vì người lập trình cho các ứng dụng công nghiệp không phải là các chuyên gia lâp trình. Ví dụ, ngôn ngữ VAL 2 của Unimation, Al của đại học Stanđfod. - Ngôn ngữ phát triển. 61
63. Ngôn ngữ này tạo ra các thư viện robot cho ngôn ngữ lập trình bậc cao đã có sẵn. Những ngôn ngữ này được xây dựng bằng cách dựa trên các ngôn ngữ lập trình bậc cao thông dụng (ví dụ như Pascal) và thêm vào một thư viện các thủ tục về hàm đặc biệt dùng cho robot. Khi viết chương trình Pascal để điều khiển robot, người sử dụng gọi các hàm hoặc các thủ tục đã định nghĩa trước trong thư viện để xử lý các nội dung có liên quan đến việc tính toán hoặc điều khiển robot. Ví dụ, PASRO (Pascal for robot) là một thư việc dùng cho lập trình robot, cung cấp nhiều thủ tục và hàm đặc biệt để tính toán và điều khiển eb dùng trong môi trường ngôn ngữ Turbo Pascal, hoặc Pasro/ C là phát triển của Pasro, nhưng được biết trên cơ sở ngôn ngữ Turbo C II. MÔ TẢ CÁC VẬT THỂ VÀ NHIỆM VỤ. 1. Mô tả các vật thể. Các vật thể gọi là các đối tác của robot trong công việc và các thiết bị và đồ dùng trong môi trường làm việc, chúng rất đa dạng và phong phú. Tuy nhiên có thể dựa vào các khối cơ bản sau đây để mô tả chúng : - Khối hình vật thể tròn xoay (rotative) Hình 5 – 1 :Mô tả chi tiết hình trụ - Khối hình vật thể lăng trụ (prismatic) 62
64. Hình 5 -2 : Mô tả vật thể hình đa diện Các vật thể có cấu trúc hỗn hợp (combination) có thể mô tả bằng cách ghép nối các khối cơ bản. Khối hình vật thể xoay tròn được đặc trưng bằng toạ độ tâm và bán kính của hình tròn các tiết diện. Ví dụ, trên hình 5-1 mô tả một chi tiết máy hình trụ bán kính r = 0,5; chiều dài l = 6; nằm dọc theo trục z. Khối hình vật thể đa diện được đặc trưng bằng toạ độ các điểm góc cạnh của nó. Khi mô tả các vật thể trong môi trường làm việc, cũng như khi mô tả quá trình thao tác của robot và dịch chuyển các đối tác, có thể dùng các phép biến đổi thuần nhất. Xét ví dụ sau đây: Cho một vật thể đa diện trong hệ toạ độ cơ sở xyz như hình 5-2. Có thể lập ma trận mà mỗi cột là một véctơ mở rộng biểu thị một điểm góc của tam trụ. Cụ thể đối với hình 5-2 có 6 điểm góc, ta có : ⎡1 −1 −1 1 1 −1⎤ ⎢0 0 0 0 4 4 ⎥ V = ⎢ ⎥ (5.1) ⎢0 0 2 2 0 0 ⎥ ⎢ ⎥ ⎣1 1 1 1 1 1 ⎦ 63
65. Thực hiện phép biến đổi : 0 H = Tp(4,0,0).R(y,90 ) (5.2) sẽ lần lượt được các kết quả sau : - Tịnh tiến vật thể dọc theo trục x một đoạn ngắn bằng 4 đơn vị tương ứng với phép biến đổi H1 = Tp(4,0,0), hình 5-4 - Rồi cho vật thể quay quanh trục y góc 900 và kết quả của hai phép 0 biến đổi trên H2 = Tp(4,0,0). R(y, 90 ) hình 5-5 Tiếp tục quay vật thể quanh trục z 900 và kết quả của phép biến đổi H theo (5.2), hình 5-3 Hình 5 -4 : Vật thể sau phép biến đổi H1 = Tp(4,0,0) 64
66. 0 Hình 5-5 :. Vật thể sau phép biến đổi H2 = Tp(4,0,0).R(y,90 ) Hình 5 - 6 :. Vật thể sau các phép biến đổi H = 0 0 Tp(4,0,0).R(y,90 ).R(x,90 ) Ma trận H theo biểu thức (5.2) có thể xác định bằng tích ma trận quen biết đối với các phép biến đổi cơ bản nói trên, ta có : ⎡0 0 1 4⎤ ⎢1 0 0 0⎥ H = ⎢ ⎥ (5.3) ⎢0 1 0 0⎥ ⎢ ⎥ ⎣0 0 0 0⎦ Như vậy dễ dàng xác định ma trận V biểu thị vật thể sau các phép biến đổi (5.2) 65
67. ⎡4 4 6 6 4 4⎤ ⎢1 −1 −1 1 1 1⎥ V '= H.V = ⎢ ⎥ (5.4) ⎢0 0 0 0 4 4⎥ ⎢ ⎥ ⎣1 1 1 1 1 1⎦ 2. Mô tả nhiệm vụ Nhiệm vụ giao cho robot thực hiện thường được mô tả bằng các thao tác chuyển dịch. Có thể tìm hiểu nội dung này thông qua một ví dụ cụ thể như trình bày trên hình vẽ 5-4 ở đây robot lấy trên băng chuyền các chiếc chốt hình trụ được mô tả trên hình 5-2, để lắp vào các lỗ trên thân máy hình hộp. Hình 5 – 7 : Mô tả nhiệm vụ Nhiệm vụ nói trên có thể mô tả bằng một dãy liên tục các vị trí thao tác sau đây. 66
68. P1 : Hướng tới chốt P2 : Kẹp vào chốt Kẹp chặt chốt P3 : Nâng cao chốt P4: Hướng tới lỗ với các góc nghiêng nào đó P5: Dừng lại khi chạm lỗ P6: Điều chỉnh lại hướng góc nghiêng P7: Lắp chặt vào lỗ Nhả chốt ra P8: Rời đi. Dùng phương pháp toán đồ chuyển đổi để mô tả nhiệm vụ tại các vị trí thao tác, như trình bày trên hình 5- 8. 67
69. Hình 5 - 8. Toán đồ chuyển đổi mô tả nhiệm vụ tại các vị trí. Tương ứng: P1: ZT6E = P PA (5.5) P2: ZT6E = P PG (5.6) P3: ZT6E = P PD PG (5.7) P4: ZT6E = H HRi PHA PG (5.8) P5: ZT6E = H HRi PCH PG (5.9) P6: ZT6E = H HRi PAL PG (5.10) P7: ZT6E = H HRi PN PG (5.11) P8: ZT6E = H HRi PN PG (5.12) 68
70. Trong đó ở mỗi vị trí thao tác được mô tả bằng ZT6E (xem hình 5-11) với : Z - Mô tả vị trí trạng thái của robot trong hệ toạ độ gốc nào đó T6 - Mô tả vị trí trạng thái của điểm cuối của cánh tay robot trong hệ toạ độ cố định gắn với giá đỡ của robot E - Mô tả vị trí trạng thái điểm cuối của công cụ kèm theo. Nói đến vị trí trạng thái là nói đến vị trí và hướng của hệ toạ độ gắn với vị trí đang khảo sát. Với cách mô tả đó, khi mô tả vị trí robot thì chỉ cần thay đổi Z và khi thay đổi công cụ thao tác thì chỉ cần thay đổi E. Để mô tả cấu trúc về nhiệm vụ, ở đây cũng dùng phép biến đổi tương ứng sau đây: P- Mô tả vị trí trạng thái của chiếu chốt trong hệ toạ độ gốc PA- Mô tả vị trí trạng thái của bàn kẹp đang hướng tới chốt PG- Mô tả vị trí trạng thái của bàn kẹp đang kẹp chốt so với chốt PD- Mô tả vị trí trạng thái của bàn kẹp bắt đầu mang chốt đi H- Mô tả vị trí trạng thái của hộp thân máy có hai lỗ HRi- Mô tả vị trí trạng thái của lỗ thứ i trong hộp thân máy so với hệ toạ độ H. PHA- Mô tả vị trí trạng thái của chốt đang hướng tới lỗ thứ i PCH- Mô tả vị trí trạng thái của chốt khi chạm vào lỗ PAL- Mô tả vị trí trạng thái lúc bắt đầu được lắp vào lỗ PN- Mô tả vị trí trạng thái của chốt khi lắp vào lỗ Việc thực hiện các nhiệm vụ trên có thể trở nên phức tạp hơn nếu trong đó ngoài những bước đi xác định, ví dụ như HRi hoàn toàn có thể xác định bản vẽ kỹ thuật, còn có các bước đi khác cần thông tin để điều chỉnh. 69
71. Trong trường hợp này thường sử dụng kết hợp với các biện pháp khác, ví dụ, phương pháp dạy học cho robot. Trên hình 5-9 trình bày 3 hệ toạ độ Z, P và H gắn liền tương ứng với robot, chiếc chốt và thân hộp có hai lỗ. Hình 5 - 9: Các hệ toạ độ Z, P và H Thiết lập quan hệ của các hệ toạ độ Z, P và H với nhau và với các hệ toạ độ gốc. Ví dụ, trong hệ toạ độ gốc nếu chọn gốc của hệ Z ở toạ độ x = - 30, y = 0, z = 50 như trên hình 5 - 9, ta có: ⎡1 0 0 − 30⎤ ⎢0 1 0 0 ⎥ Z = ⎢ ⎥ (5.13) ⎢0 0 1 50 ⎥ ⎢ ⎥ ⎣0 0 0 0 ⎦ 70
72. Trên hình 5-10 có 2 hệ toạ độ: T6 gắn với điểm cuối của cánh tay robot và E với tâm của bàn kẹp. Điểm gốc của hệ E nằm ở vị trí (0,0,10) trong hệ toạ độ T6. Do vậy, ta có: ⎡1 0 0 0 ⎤ ⎢0 1 0 0 ⎥ E = ⎢ ⎥ ( 5.14) ⎢0 0 1 10⎥ ⎢ ⎥ ⎣0 0 0 1 ⎦ Hình5 – 10: Các hệ toạ độ T6 và E. Trên hình 5 - 11 trình bày cách bố trí các hệ toạ độ: H gần với hôp thân máy> HR1 gần với các lỗ, theo đó ta có: ⎡1 0 0 10⎤ ⎡1 0 0 10⎤ ⎢0 0 1 0 ⎥ ⎢0 0 1 0 ⎥ HR = ⎢ ⎥ ; HR = ⎢ ⎥ (5.15) 1 ⎢0 −1 0 15⎥ 1 ⎢0 −1 0 5 ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣0 0 0 1 ⎦ ⎣0 0 0 0 ⎦ 71
73. Hình 5 – 11: Hộp thân máy và các hệ toạ độ Hình 5-12 mô tả vị trí trạng thái khi chốt đã lắp vào lỗ. Khi đó trục Z của chốt phải trùng với đường trục của lỗ. Vì chốt có hình trụ tròn đối xứng nên phương của trục x và y có thể tuỳ ý. Chọn phương trục xz thẳng đứng tức là giữ nguyên như phương thẳng đứng lúc chốt từ vị trí nằm ở băng tải vừa được nâng lên. Vậy vị trí trạng thái của chốt khi đã lắp vào lỗ có độ sâu là 4 được mô tả bởi ma trận chuyển đổi sau so với HR: ⎡1 0 0 0⎤ ⎢0 1 0 0⎥ HR = ⎢ ⎥ (5.16) ⎢0 0 1 4⎥ ⎢ ⎥ ⎣0 0 0 1⎦ Hình 4.13 mô tả vị trí bàn kẹp trên chiếc chốt, còn ma trận chuyển đổi sau đây mô tả vị trí trạng thái của bàn kẹp chốt so với chốt. 72
74. Hình 5 – 12: Chốt lắp vào lỗ ⎡7 0 − 7 0 ⎤ ⎢0 1 0 0 ⎥ PG = ⎢ ⎥ (5.17) ⎢7 0 7 − 5⎥ ⎢ ⎥ ⎣0 0 0 1 ⎦ Hình 5 – 13: Chốt lắp vào lỗ Tiếp theo xác định các ma trận chuyển đổi khác các từ quan hệ cấu trúc ở các vị trí thao tác khác nhau của robot như đã được mô tả ở trên. ứng với vị trí p1 (5.5) tức là lúc bàn kẹp hướng tới chốt: ZT6E = P PA 73
75. Từ đó : -1 PA = P ZT6E (5.18) Ứng với vị trí p2(5.6) tức là lúc bàn kẹp chặt chốt : ZT6E = P PG Từ đó : -1 -1 PD = P ZT6E PG (5.19) Ứng với vị trí p3 (5.4) tức là lúc nâng cao chốt : ZT6E = P PD PG Từ đó : -1 -1 PD = P ZT6E PG (5.20) Ứng với vị trí p4 (5.6) tức là lúc hướng tới lỗ : ZT6E = H HR1 PHA PG Từ đó : -1 PHA = (H HR1) ZT6E PG (5.21) Ứng với vị trí p5 (5.9) tức là lúc dừng lại khi chạm vào lỗ : ZT6E = H HR1 PAL PG Từ đó: -1 -1 PCH = (H HR1) ZT6E PG (5.22) Ứng với vị trí p6 (5.10) tức là lúc điều chỉnh hướng góc nghiêng: ZT6E = H HR1 PN PG -1 Từ đó : H = ZT6E( HR1 PN PG) 74
76. Hình 5 – 14: Các vị trí thao tác p4, p5 vàp6 3.Hệ thống robot làm việc với camera. 3.1 Biến đổi chiếu hình Biến đổi chiếu hình là phép biến đổi quang học để chiều các điểm trong không gian 3 chiều lên một mặt phẳng. Phép biến đổi này rất cần thiết khi trao đổi thông tin giữa các vật thể 3 chiều và hình của nó trên các mặt phẳng. Trên hình 5-15 mô tả sơ đồ phép chiều quang học Hình 5 – 15: Sơ đồ hệ thống chiếu hành 75
77. Hệ tạo độ x, y, z gắn liền với camera và mặt phẳng xy là mặt phẳng chiếu, trục z trùng với trục chính qua tâm thấu kính. Như vậy gốc của hệ toạ độ xyz qua tâm của mặt phẳng chiếu, còn tâm thấu kính có toạ độ là (0,0, λ) Với λ là khoảng cách tiêu cự, ở đây, hệ toạ độ x, y, z trùng với hệ toạ cơ bản X, Y, Z. Giả sử X, Y, Z là toạ độ của một điểm bất kỳ trong không gian 3 chiều. Nếu Z > λ tức là trường hợp vật thể đang quan sát nằm trước thấu kính từ các quan hệ giữa các hình tam giác trên hình 5 - 15 ta có: x X X = − = (5.25) λ Z − λ λ − Z y Y Y = − = (5.26) λ Z − λ λ − Z Từ đó: λX x = (5.24) λ − Z λY y = (5.28) λ − Z Lưu ý rằng các phương trình trên là phi tuyến tính vì còn tồn tại phép chia cho Z. ở đây cũng có thể dùng ma trận thuần nhất 4x4 để mô tả sự biến đổi chiếu hình. Tuy nhiên sự khác biệt cơ bản so với khi dùng các phép biến đổi khác trước đây (xem chương III) là sự không tuyến tính nói trên. Một điểm M bất kỳ có thể xác định bằng vectơ r trong hệ toạ độ X, Y, Z. R = (X, Y, Z)T (5.29) Còn ở trong không gian toạ độ thuần nhất (homogeneous coordinate) điểm M có thể xác định bằng một véctơ mở rộng r: ~r = (kX ,kY,kZ)T (5.30) 76
78. Như đã trình bày trong chương III, k là hệ số tỷ lệ có giá trị khác số không và khi k = 1 thì các toạ độ biểu diễn bằng toạ độ có thực. Như vậy, để xác định toạ độ thực của điểm M chia 3 thành phần đầu của vectơ mở rộng (5.30) cho thành phần thứ 4: Ma trận biến đổi chiếu hình có thể xác định như sau: ⎡1 0 0 0⎤ ⎢ ⎥ ⎢0 1 0 0⎥ Ac = ⎢0 0 1 0⎥ (5.31) ⎢ ⎥ ⎢0 0 −1 1⎥ ⎣⎢ λ ⎦⎥ ~ ~ Vậy tích của Ac r là một vectơ rc kX ⎡1 0 0 0⎤⎡kX ⎤ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢kY ⎥ ⎢0 1 0 0⎥ kY ⎢ ⎥ ~r = A ~r = ⎢ ⎥ = (5.32) c c ⎢0 0 1 0⎥⎢kZ ⎥ ⎢kZ ⎥ ⎢ 1 ⎥⎢ ⎥ ⎢kZ ⎥ ⎢0 0 1⎥ k ⎢ + k⎥ ⎣ λ ⎦⎣ ⎦ ⎣ λ ⎦ ~ Các thành phần của vectơ mở rộng rc là toạ độ của camera trong không gian gần toạ độ thuần nhât. Để xác định các thành phần thực trong hệ toạ độ gắn liền với camera tức là các thành phần của vectơ rc (x,y,z) chia 3 ~ thành phần đầu của vectơ mở rộng rc cho thành phần thứ 4, ta có: ⎡ λX ⎤ x ⎢λ − Z ⎥ ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ λY rc = y = ⎢ ⎥ (5.33) ⎢ ⎥ ⎢λ − Z ⎥ ⎣⎢z⎦⎥ ⎢ λZ ⎥ ⎣⎢λ − Z ⎦⎥ Đối chiếu với (5.24) và (5.28) nhận thấy hai thành phần đầu của vectơ rc chính là hình chiếu của điểm M (X,Y,Z) lên mặt phẳng của camera. Thành phần thứ 3 không tồn tại trên mặt phẳng chiếu và là biến số tự do khi biến đổi ngược. 77
79. Biến đổi ngược khi chiếu hình là phép biến đổi các điểm từ hình chiếu trên mặt phẳng chiếu thành các điểm tương ứng trong không gian 3 chiều, từ phương trình (5.32) ta có: ~ −1~ r = Ac r (5.34) Với: ⎡1 0 0 0⎤ ⎢ ⎥ ⎢0 1 0 0⎥ A−1 = c ⎢0 0 1 0⎥ (5.35) ⎢ 1 ⎥ ⎢0 0 1⎥ ⎣ λ ⎦ Giả sử rằng (x0, y0, 0) là toạ độ của điểm đang xét trên hình chiếu. Giá trị 0 theo toạ độ Z chứng tỏ rằng mặt phẳng chiếu nằm ở toạ độ Z = 0. có thể biểu diễn điểm này trong không gian toạ độ thuần nhất ~ T rc = (kx0 , ky0 ,0, k) (5.36) Thay vào (5.34) ta có: ~ T rc = (kx0 , ky0 ,o, k) (5.37) Và trong hệ tọa độ X, Y, Z ta có: ⎡X ⎤ ⎡x 0 ⎤ ⎢ ⎥ r = ⎢Y ⎥ = y (5.38) ⎢ ⎥ ⎢ 0 ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣Z ⎦ ⎣z0 ⎦ Đây là trường hợp không chỉ là hình chiếu của một điểm mà là của tất cả các điểm trong không gian X, Y, Z nằm trên cùng một đường thẳng- đường thẳng đi qua các điểm (x0, y0, 0) và (0,0,λ). Như vậy từ (5.24) và (5.25) ta có phương trình của đường thẳng này trong hệ toạ độ X, Y, Z như sau : x X = 0 (λ − Z) (5.39) λ 78
80. Y Y = 0 (λ − Z) (5.40) λ Rõ ràng là nếu chỉ biết toạ độ hình chiếu của một điểm (x0, y0) trên mặt phẳng chiếu thì chưa đủ để xác định vị trí của điểm đó trong không gian 3 chiều, mà cần phải bổ sung thêm thông tin khác, ví dụ, toạ độ Z. Bởi thế thành phần thứ 3 của vectơ rc phải là biến số tự do thay vì số 0 tức là : ⎡kx0 ⎤ ⎢ky ⎥ ~r = ⎢ 0 ⎥ (5.41) c ⎢ kz ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ k ⎦ Vậy thay vào (5.35) ta có : ⎡ kx0 ⎤ ⎢ ky ⎥ ⎢ 0 ⎥ ~r = c ⎢ kz ⎥ (5.42) ⎢kz ⎥ ⎢ k⎥ ⎣ λ ⎦ Sau khi chia thành 3 thành phần đầu của vectơ mở rộng r cho thành phần thứ 4 để biến đổi về toạ độ X, Y, Z ta có : λx X = 0 (5.43) λ + z λy Y = 0 (5.44) λ + z λz Z = 0 (5.45) λ + z Từ (5.45) rút ra Z vàthay vào (5.43) và (5.44) ta có: x X = 0 (λ − Z) (5.46) λ Y Y = 0 (λ − Z) (5.47) λ 79
81. 3.2. Các phương trình cơ bản của hệ thống camera. Các phương trình (5.32) và (5.33) là các phương trình cơ bản của hệ Hình 5 -16 : Sơ đồ bố trí hệ thống camera. 80
82. Hệ thống camera. Tuy nhiên khi thành lập các phương trình trên ta đã xem trường hợp đặc biệt là hệ toạ độ camera x, y, z trùng với hệ toạ độ cơ bản X, Y, Z dưới đây xem xét trường hợp chung khi x, y, z không trùng X, Y,Z. Trên hình 5-16 ký hiệu M là một điểm không gian được xác định trong hệ toạ độ cơ bản X, Y, X và điểm gốc hệ toa độ x, y, z đặt ở tam mặt phẳng chiếu, cách tâm khớp quay một khoảng các biểu thị bằng rp (r1, r2,r3). Vậy điểm gốc của hệ tọa độ x,y,z xỏc định trong hệ tọa độ X,Y,Z bằng vộc tơ r0 r0 = rk + rp (5.48) Khớp quay ở điểm đặt camera đảm bảo gúc quay α giữa cỏc trục x và X, gúc nghiờng θ giữa cỏc trục z và Z. Từ đú ma trận biến đổi hệ tọa độ giữa x,y,z và X,Y,Z như đó trỡnh bày ở chương III, cú thể xỏc định như sau: Trong đú: R(x,a) . R(z,θ) - ( Xk + r1 ) A0 = - ( Yk + r2 ) (5.49) - ( Zk + r3 ) 0 0 0 1 1 0 0 0 0 Cosa sina 0 R(x,a) = (5.50) 0 - sinacosa 0 0 0 0 1 81
83. cosθ sinθ 0 0 - sinθ cosθ 0 0 R(z,θ) = (5.51) 0 0 1 0 0 0 0 1 Sau phộp biến đổi (4.49) cú thể ỏp dụng trường hợp (4.31), (4.32) ta cú: ~ ~ r c =Ac.A0. r (5.52) 3.3. Phộp chiếu hỡnh lập thể (stereo). Như ở phần trờn đõy đó đề cập tới, một điểm trờn mặt phẳng chiếu cú thể là hỡnh chiếu của nhiều điểm trong khụng gian, vỡ thế chưa thể xỏc định được vị trớ thực của nú trong khụng gian ba chiều. Để hỡnh dung được chiều sõu của hỡnh ảnh cần đến phộp chiếu lập thể (stereo). Phộp chiếu lập thể cần đến 2 chiếu x1, y1 và x2, y2 của cựng một điểm M trong khụng gian (hỡnh 4.17). Khoảng cỏch giữa hai tiờu cự của 2 thấu kớnh gọi là khoảng chuẩn B. Hỡnh 5 - 17. Sơ đồ phộp chiếu lập thể 82
84. Nhiệm vụ đặt ra là phải xỏc định được tọa độ X,Y,Z của điểm M thụng qua cỏc tọa độ hỡnh chiếu x1, y1 và x2, y2 của nú. Giả sử rằng cỏc camera như nhau và cả hai hệ tọa độ gắn liền với camera hoàn toàn trựng khớp nhau, chỉ khỏc vị trớ gốc ban đầu. Cũng như ở phần trờn, khi cho cỏc hệ tọa độ gắn liền với cỏc camera trựng với hệ tọa độ cơ bản thỡ mặt phẳng chiếu xy trựng với mặt phẳng ZY. Khi làm như vậy tọa độ Z của điểm M được giữ như nhau đối với cả hai hệ tọa độ camera. Khi cho hệ tọa độ camera thứ nhất trựng với hệ tọa độ cơ bản X, Y, Z như hỡnh 5-18 ta cú: X 1 X1 = (λ -Z1) (5.53) λ Tương tự làm như vậy đối với camera thứ hai ta cú: X 2 X2 = (λ -Z2) λ (5.54) Hỡnh 5-18: hỡnh5-17 nhỡn từ trờn xuống khi cho trựng hệ tọa độ camera 83
85. Nhờ cú cỏc điều kiện, như đó nờu ở trờn X2 =X1 + B (5.55) Z2 =Z1 = Z Từ (5.53) - (5.54) ta cú: X 1 X2 = X1 + B = ( λ - Z1) λ (5.56) Từ (5.55) - (5.56) ta cú: Z = λ - λB (5.57) x2 − x1 Như vậy cỏc tọa độ X, Y, Z của điểm M trong khụng gian 3 chiều hoàn toàn được xỏc định bằng (5.39), (5.40), (5.57) 3.4. Mụ tả quan hệ robot và camera. Phương trỡnh (5.34) cho biết tọa độ điểm của vật thể trong khụng gian 3 ~ chiều X, Y, Z (vộctơ r ) thụng qua thụng tin về hỡnh chiếu của điểm đú ~ (vộctơ r c ) trờn mặt phẳng chiếu của camera. Ma trận (5.35) mụ tả sự chuyển đổi từ hệ tọa độ gắn liền với camera sang hệ tọa độ cơ bản và cú thể biểu thị tổng quỏt hơn cho cả vật thể là ma trận CAM. Theo cỏc ký hiệu đó trỡnh bày ở phần vớ dụ trong phần 5.22 thỡ P mụ tả vị trớ trạng thỏi (vị trớ và định hướng) của chiếu chốt vật thể trong hệ tọa độ gốc (hệ tọa độ cơ bản X, Y, Z). Vậy ở đõy cú thể biểu thị: P = CAM PC (5.58) 84
86. với PC mụ tả vật thể đang trong vị trớ trạng thỏi của vật thể được xỏc định theo mối quan hệ bố trớ khụng gian của robot, vớ dụ (4.19) thỡ từ (4.60) cú thể xỏc định ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ gắn liền với camera sang hệ tọa độ cơ bản: CAM = PPC1 (5.59) 4. Thể hiện chương trỡnh thao tỏc của robot. Chương trỡnh thao tỏc của robot thực hiện cỏc nhiệm vụ được giao. Nhiệm vụ đú được mụ tả bằng một dóy liờn tiếp cỏc vị trớ thao tỏc. Trong vớ dụ là thao tỏc từ p1 đến p8 (hỡnh 5.8). Cỏc thao tỏc này được thể hiện bằn một chương trỡnh, trong đú từ cỏc phương trỡnh từ (5.5) đến (5.12) tương ứng với cỏc thao tỏc từ p1 đến p8, cần xỏc định ra T, ứng với mỗi vị trớ trạng thỏi của điểm cuối của tay robot trong hệ tọa độ cơ bản (hệ tọa độ cố định). Vớ dụ, ứng với thao tỏc p1, từ (5.5) ta viết: ZT6E= PPA (5.60) -1 Tacú: T6E = Z PPA (5.61) Và cứ thế tiếp đến p2 cho đến p8 Nhưng trước khi thể hiện chương trỡnh cỏc thao tỏc đú, cần sử dụng thờm 2 biến: COORD – Mụ tả hệ tọa độ ứng với vị trớ đang xột TOOL – Mụ tả dụng cụ đang được sử dụng. Như vậy tất cả cỏc phương trỡnh (tương tự 5.61) ứng với cỏc vị trớ thao tỏc đều cú thể viết dưới dạng sau: T6TOOL = COORD POS (5.62) 85