LỜI MỞ ĐẦU

LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1 Giới thiệu Robot 1.1.1 Robot Vào năm 1921, từ “Robot” xuất kịch “Rossum‟s Universal Robots” nhà viết kịch viễn tưởng người Sec, Keral Capek Trong kịch này, ông dùng từ “Robot”, biến thể từ gốc “Rabota”, để gọi thiết bị - lao công người (nhân vật Rossum) tạo Vào năm 40 nhà văn viễn tưởng Nga, Issac Asimov, mô tả robot máy tự động, mang diện mạo người, đươc điều khiển hệ thống thần kinh Positron, người lập trình Và đặt nguyên tắc cho robot: - Robot không xúc phạm người không gây tổn hại cho người - Hoạt động robot phải tuân theo quy tắc ngườii đặt Các quy tắc không vi phạm nguyên tắc thứ - Một robot cần phải bảo vệ sống mình, khơng vi phạm hai nguyên tắc trước Các nguyên tắc dần trở thành tảng cho việc thiết kế robot Từ hư cấu khoa học viễn tưởng, robot giới kỹ thuật hình dung máy đặc biệt, người phóng tác theo cấu tạo hoạt động mình, dùng để thay người làm số công việc xác định Bằng sáng chế robot đệ trình vào năm 1954 George C Devol (Mỹ) cấp vào năm 1961 Thiết bị bao gồm cánh tay khí với gắp gắn đường đua chuỗi chuyển động mã hóa dạng mẫu từ tính lưu trữ trống quay Công ty robot đầu tiên, Unimation, thành lập Devol Joseph Engelberger vào năm 1956 robot công nghiệp họ lắp đặt vào năm 1961 Hình 1.1 Cánh tay robot 1.1.2 Robotic Robotics khoa học liên ngành, gồm khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển công nghệ thông tin Được hiểu ngành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot ứng dụng chúng lĩnh vực khoa học, kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng dân sinh Theo thuật ngữ nay, robot sản phẩm ngành - điện tử (Mechatronics) Việc sản sinh robot thống điểm: thực hoài bão người, tạo thiết bị thay người công việc như: - Các công việc lặp lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc: vận chuyển nguyên vật liệu, lắp ráp, lau cọ nhà, - Trong môi trường khắc nghiệt nguy hiểm: ngồi khoảng khơng vũ trụ, chiến trường, nước sâu, lòng đất, nơi có phóng xạ, nhiệt độ cao, - Những việc địi hỏi độ xác cao, thơng tắc mạch máu ống dẫn thể, lắp ráp cấu tử vi mạch, Hình 1.2 Robot chiến đấu Việt Nam chế tạo 1.1.3 IR - Industrial Robot Thuật ngữ Industrial Robot (Robot công nghiệp) lần đầu xuất Mỹ công ty AMF (American Machine and Foundary company) quảng cáo mô tả thiết bị mang dáng dấp có số chức tay người Như định nghĩa chung robot nêu, khơng có giới hạn phạm vi ứng dụng robot, hầu hết robot có dùng cơng nghiệp Chúng có đặc điểm riêng kết cấu, chức năng, thống hóa, thương mại hóa rộng rãi Hình 1.3 Industrial Robot 1.1.4 Adroid Android loại robot thực thể nhân tạo khác thiết kế giống người, thường tạo hình vật liệu trơng da thịt người Trong lịch sử android hoàn toàn nằm lĩnh vực khoa học viễn tưởng thường thấy phim truyền hình, tiến gần công nghệ robot cho phép thiết kế robot dạng người có chức thực tế Hình 1.4 Adroid 1.2 Phân loại robot Trong cơng nghiệp có yếu tố để phân loại robot sau: - Theo không gian làm việc - Theo hệ robot - Theo điều khiển - Theo nguồn dẫn động - Theo tính 1.2.1 Phân loại theo không gian làm việc  Robot tọa độ vng góc (cartesian robot): Robot loại có ba bậc chuyển động gồm ba chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vng góc Khơng gian làm việc có dạng hình hộp chữ nhật Cấu hình sử dụng khơng gian làm việc lớn cần xác quán mong đợi từ robot Hình 1.5 Robot tọa độ vng góc  Robot toạ độ trụ (cylindrical robot): Robot có ba bậc chuyển động gồm hai trục chuyển động tịnh tiến trục quay Hình 1.6 Robot tọa độ trụ  Robot toạ độ cầu (spherical robot): Robot hình cầu robot có hai khớp quay khớp lăng trụ Nói cách khác, gồm có hai trục quay trục tuyến tính Robot hình cầu có cánh tay có khơng gian hoạt động theo tọa độ hình cầu Hình 1.7 Robot tọa độ trụ  Robot khớp lề (Articular robot): Một robot khớp nối ( khớp lề) robot với khớp quay Các robot khớp nối bao gồm từ cấu trúc hai khớp đơn giản đến hệ thống có 10 khớp nhiều khớp tương tác với Ba bậc chuyển động gồm ba trục quay, kiểu robot SCARA SCARA viết tắt Selective Compliance Assembly Robot Arm Selective Compliance Articulated Robot Arm Hầu hết robot SCARA dựa cấu trúc nối tiếp, có nghĩa động phải mang tất động khác Kiến trúc robot SCARA đôi cánh tay, hai động cố định đáy Hình 1.8 Hình dạng ngun lí robot SCARA 1.2.2 Phân loại theo hệ Theo trình phát triển robot, ta chia theo mức độ sau đây:  Robot hệ thứ nhất: - Sử dụng tổ hợp cấu cam với công tác giới hạn hành trình - Điều khiển vịng hở o Có thể sử dụng băng từ băng đục lỗ để đưa chương trình vào điều khiển, nhiên loại khơng thay đổi chương trình - Sử dụng phổ biến công việc gắp - đặt (pick and place)  Robot hệ thứ hai: - Điều khiển vịng kín chuyển động tay máy - Có thể tự định lựa chọn chương trình đáp ứng dựa tín hiệu phản hồi từ cảm biến nhờ chương trình cài đặt từ trước - Hoạt động robot lập trình nhờ cơng cụ bàn phím, panel điều khiển  Robot hệ thứ ba: - Có đặc điểm loại điều khiển hoạt động sở xử lý thông tin thu nhận từ hệ thống thu nhận hình ảnh (Vision systems - Camera) - Có khả nhận dạng mức độ thấp phân biệt đối tượng có hình dạng kích thước khác biệt  Robot hệ thứ tư: - Có đặc điểm tương tự hệ thứ hai thứ ba, có khả tự động lựa chọn chương trình hoạt động lập trình lại cho hoạt động dựa tín hiệu thu nhận từ cảm biến - Bộ điều khiển phải có nhớ tương đối lớn để giải toán tối ưu với điều kiện biên không xác định trước Kết tốn tập hợp tín hiệu điều khiển đáp ứng robot  Robot hệ thứ năm: - Robot trang bị kỹ thuật trí tuệ nhân tạo nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tượng qua tiếp xúc, v.v để định giải vấn đề nhiệm vụ đặt cho - Robot trang bị mạng Neuron có khả tự học - Robot trang bị thuật toán dạng Neuron Fuzzy/Fuzzy Logic để tự suy nghĩ định cho ứng xử tương thích với tín hiệu nhận từ mơi trường theo thuật toán tối ưu hay nhiều mục tiêu đồng thời 1.2.3 Phân loại theo điều khiển  Robot gắp – đặt: Robot thường nhỏ sử dụng nguồn dẫn động khí nén Bộ điều khiển phổ biến điều khiển lập trình (PLC) để thực điều khiển vòng hở Robot hoạt động vào tín hiệu phản hồi từ tiếp điểm giới hạn hành trình khí đặt trục tay máy  Robot dẫn đường liên tục: Robot loại sử dụng điều khiển servo thực điều khiển vịng kín Hệ thống điều khiển liên tục hệ thống robot lập trình theo đường xác Trong hệ thống điều khiển này, đường dẫn biểu điễn loạt điểm rời rạc gần lưu vào nhớ robot, sau robot thực lại xác đường dẫn 1.2.4 Phân loại theo nguồn dẫn động  Robot dùng nguồn cấp điện  Robot dùng nguồn khí nén  Robot dùng nguồn thủy lực 1.2.5 Phân loại theo tính Robot  Robot di động (Mobile Robot): Là robot mà nhiệm vụ chủ yếu di chuyển định vị, tìm đường tối ưu vẽ lại đồ Hình 1.9 Mobile Robot  Manipulator (Tay máy): Là robot hoạt động cánh tay người Động từ manipulate tiếng Anh nghĩa điều khiển cánh tay Do đó,  Ưu điểm: - Độ cứng vững học tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng  Nhược điểm: - Độ xác định vị góc mặt phẳng nằm ngang giảm tầm với tăng 3.1.3 Phương án thứ ba  Robot Delta Hình 3.3 Robot Delta  Ưu điểm: - Cơ cấu hoạt động linh hoạt  Nhược điểm: - Cấu trúc phức tạp, khó thiết kế - Khơng gian hoạt động nhỏ 3.1.4 Phương án thứ tư  Robot SCARA Hình 3.4 Các thiết kế Robot SCARA  Ưu điểm: - Nhỏ gọn, hoạt động linh hoạt - Đơn giản việc  Nhược điểm: - Kém cứng vững theo phương ngang 3.1.5 Chọn phương án thiết kết Với mục tiêu thiết kế robot tối thiểu bậc tự Vừa nhỏ gọn, dễ thiết kế điều khiển, vừa phải đáp ứng không gian hoạt động yêu cầu bàn cờ đưa Đặc biệt, chi phí thấp Dựa vào ưu điểm, nhược điểm cấu robot nêu Chúng em định chọn cấu tay máy theo kiểu SCARA bậc tự do, 3.2 với hai khớp quay hai khớp nối đứng, khớp tịnh tiến theo trục z Phân tích phương án chọn 3.2.1 Cơ cấu tác động Cơ cấu tác động nhằm tạo lực để tăng tốc/giảm tốc khâu chúng phải nhẹ, chi phí thấp, độ tin cậy cao dễ bảo trì Có nhiều loại cấu tác động như: - Động điện: động DC, động servo, động bước - Cơ cấu tác động thủy lực: động thủy lực, bơm thủy lực, xy lanh, - Cơ cấu tác động khí nén: bơm khí nén, xy lanh, Để dễ dàng việc tìm mua điều khiển, tiết kiệm chi phí, chúng em chọn cấu tác động cho khớp robot SCARA động bước tương ứng với ba bậc tự 3.2.2 Cơ cấu truyền động Là hệ gồm chi tiết cấu trúc liên kết bánh răng, cam, trục khuỷu… để truyền chuyển động truyền lực Có chức tăng tốc, giảm tốc thay đổi hướng chuyển động Một số cấu truyền động phổ biến như: cấu bánh răng, bánh đai, visme - đai ốc, trục truyền song song, Trong trường hợp này, robot SCARA bậc tự do, cần hai chuyển động quay chuyển động tịnh tiến Vì cần có cấu truyền động để giúp biến đổi chuyển động quay sang tịnh tiến Ngoài ra, để đảm bảo trọng tâm nằm đế, robot phải cứng vững, nên ta đặt động khớp riêng biệt khối lượng động nặng Để khắc phục, ta cần phải sử dụng cấu truyền động Do đó, chúng em chọn cấu visme – đai ốc truyền đai 3.2.3 Chọn vật liệu thiết kế Vì mơ hình Robot, u cầu chủ yếu mặt điều khiển Không yêu cầu độ bền, sử dụng liên tục thời gian dài Tuy nhiên vật liệu làm robot phải đáp ứng yêu cầu cứng vững, chịu lực tốt, đảm bảo độ thẩm mỹ giá thành rẻ Do vậy, chúng em chọn vật liệu nhựa in 3D để dễ dàng tạo hình sử dụng mica để làm đễ đỡ 3.3 Thiết kế mơ Hình 3.5 Cơ cấu tay thứ Hình 3.6 Cơ cấu tay thứ hai Hình 3.7 Đế xoay Hình 3.8 Tịnh tiến visme – đai ốc Hình 3.9 Mơ hình thiết kế hồn chỉnh CHƯƠNG 4: BÀI TỐN ĐỘNG HỌC 4.1 Bài tốn động học thuận 4.1.1 Phương pháp Denavit – Hartenberg Đây phương pháp tiêu biểu để biểu diễn robot mơ hình hóa chuyển động Mơ hình hóa Denavit – Hartenberg (D-H) cách biểu diễn đơn giản mô hình khâu khớp robot sử dụng cho cấu hình robot nào, kể toán phức tạp hay đơn giản Và chúng dùng phương pháp để biểu diễn cho hệ trục tọa độ như: Descartes, trụ, cầu, Euler, RPY, Thêm vào đó, sử dụng để biểu diễn cho tất robot mà gặp cơng nghiệp robot dịch vụ, robot biến hình Mặc dù giải toán đơn giản phương pháp ma trận hay hình học với việc biểu diễn D-H ... khiển từ xa): Có thể hiểu ngƣời tƣơng tác với vật thông qua hệ thống trung gian Một đầu bên robot, thiết bị đó, đầu lại, ngƣời cằm nắm điều khiển Thì thiết bị mà ngƣời cắm nắm trực tiếp đƣợc gọi... Việt Nam chế tạo 1.1.3 IR - Industrial Robot Thuật ngữ Industrial Robot (Robot công nghiệp) lần đầu xuất Mỹ công ty AMF (American Machine and Foundary company) quảng cáo mô tả thiết bị mang dáng... với gắp gắn đường đua chuỗi chuyển động mã hóa dạng mẫu từ tính lưu trữ trống quay Công ty robot đầu tiên, Unimation, thành lập Devol Joseph Engelberger vào năm 1956 robot công nghiệp họ lắp đặt