Đánh giá độ hính xá lặp ủa rôbốt pegasus

Mỗi loại rôbôt có rất nhiều các thông số kỹ thuật nh−: - Số bậc tự do DOF - Độ chính xác lặp - Sai số định h−ớng - Tốc độ chuyển động tịnh tiến - Tốc độ chuyển động quay - Không gian làm

Mở đầu

Ngày nay rôbôt công nghiệp đã và đang được sử dụng rộng rãi trong sản xuất, nghiên cứu khoa học và trong đời sống hàng ngày Đó là một mắt xích không thể thiếu được trên các hệ thống sản xuất tự động, đặc biệt là các hệ thống sản xuất linh hoạt và hệ thống sản xuất tích hợp Sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật cùng với việc áp dụng những thành tựu của khoa học kỹ thuật vào sản xuất làm cho rôbôt ngày càng khéo léo và thông minh Rôbôt được coi là sản phẩm điển hình của một ngành kỹ thuật mới: cơ - điện tử ( Mechatronics )

Rôbôt công nghiệp đã và đang được nhập vào nước ta ngày càng nhiều với mục đích thay thế dần người lao động trong những môi trường độc hại Việc

đánh giá chất lượng của rôbôt khi nhập khẩu cũng như trong quá trình sử dụng là rất cần thiết, tuy nhiên n ớc ta hiện nay còn thiếu hoặc chư ưa có các thiết bị để

đánh giá chất lượng của các rôbôt công nghiệp

Để đánh giá được chất l ợng của một rôbôt công nghiệp, trước hết ta phải dựa ưvào tiêu chuẩn kỹ thuật của nhà sản xuất cung cấp khi rôbôt được xuất xưởng Mỗi loại rôbôt có rất nhiều các thông số kỹ thuật như:

biệt là trong các công việc đòi hỏi độ chính xác cao như lắp ráp, kiểm tra chất lượng sản phẩm, gia công chính xác, hàn các linh kiện vi mạch …

Rôbôt thường có hai loại sai số đó là sai số định vị và sai số định hướng Sai

số định vị là sai số vị trí của rôbôt theo ba phương X, Y, Z Sai số định hướng là sai số góc quay của rôbôt theo ba trục OX, OY, OZ Các sai số này thông thường phụ thuộc rất nhiều vào kết cấu của rôbôt Việc bố trí cảm biến để xác định được sai số của rôbôt là một vấn đề rất khó khăn do không thể có cảm biến đo sai số góc định hướng của rôbôt, toàn bộ các sai số cho đến nay chỉ có thể được xác

định thông qua các cảm biến vị trí Phương pháp sử dụng hiện nay vẫn là phương pháp dùng khối hộp lập phương làm mẫu đo so sánh với một âm bản là hệ toạ độ

cố định gắn trong không gian làm việc của rôbôt Sai số xuất hiện do trong quá trình rôbôt định vị mẫu đến vị trí xác định trước hệ toạ độ điểm cuối của rôbôt trong không gian làm việc bị thay đổi Vị trí của khối hộp tương ứng với 6 bậc tự

do (DOF), và như vậy để xác định được 6 thông số này thì chúng ta cần ít nhất 6 cảm biến vị trí Mỗi một cảm biến vị trí cho ta một giá trị khoảng cách từ một

điểm cố định trên hệ toạ độ so sánh đến hệ toạ độ điểm cuối của rôbôt Mục đích của chúng ta là từ các sai số về vị trí do các cảm biến thu nhận được ta xác định

được các sai số về định vị và sai số về định hướng của rôbôt

Mục đích nghiên cứu là đánh giá độ chính xác lặp của rôbôt Pegasus, so sánh với kết quả của nhà sản xuất và đưa ra các giải pháp nâng cao độ chính xác lặp Tạo khả năng nghiên cứu, triển khai các ứng dụng, dây chuyền tự động hoá ứng dụng rôbôt Pegasus

Nội dung chủ yếu của đề tài cần giải quyết:

- Tìm hiểu động lực học và điều khiển của rôbôt Pegasus

- Tìm hiểu phương pháp đánh giá độ chính xác lặp và hệ thống đo

- Đánh giá độ chính xác lặp của rôbôt Pegasus bằng thực nghiệm

“thiết kế chế tạo và ứng dụng rôbôt công nghiệp”Chicago năm 1972 Sau đó lại lắng dần xuống, nhất là sau khủng hoảng dầu mỏ năm 1975 và để rút kinh nghiệm áp dụng vào chỗ nào là phát huy hiệu quả cao hơn Đến năm 80 thì xuất hiện nhu cầu hình thành các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System) mà rôbôt như là bộ phận cấu thành FMS Nhu cầu đó kích thích bước phát triển của rôbôt công nghiệp Trong những năm 90 rôbôt công nghiệp cũng có bước phát triển mới theo hướng đồng bộ hệ thống trên cơ sở vận dụng những thành tựu của thông tin ứng dụng

1.1.2 Lịch sử phát triển Rôbôt công nghiệp tại Việt Nam

Tình hình tiếp cận rôbôt công nghiệp ở Việt Nam tương đối muộn Trước những năm 1990 hầu như trong nước hoàn toàn chưa du nhập về kỹ thuật rôbôt, thậm chí chưa nhận được nhiều thông tin kỹ thuật về lĩnh vực này Tuy vậy, với mục tiêu chủ yếu là tiếp cận kỹ thuật mới mẻ này, trong nước đã triển khai đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước: Đề tài 58.01.03 trong giai đoạn 81 – 85 và đề tài 52B.03.01 trong giai đoạn 86-89 Kết quả nghiên cứu của các đề tài này không những đáp ứng được yêu cầu tiếp cận mà còn có những ứng dụng ban đầu trong kỹ thuật bảo hộ lao động và phục vụ công tác đào tạo cán bộ kỹ thuật ở nước ta Sau năm 1990 thì ngành công nghiệp của ta bắt đầu đổi mới, nhiều cơ sở

đã đã nhập ngoại những thiết bị mới, đặc biệt là một số cơ sở liên doanh đã nhập

ngoại nhiều rôbôt phục vụ cho nhiều công việc như: tháo lắp dụng cụ cho các trung tâm gia công, lắp ráp các linh kiện điện tử, tháo sản phẩm ở các máy ép nhựa tự động, hàn vỏ xe, phun phủ bề mặt v v Tuy nhiên còn có một số cơ sở trong nước lúc mua dây truyền đã không nhập các rôbôt có trong danh mục các thiết bị của dây truyền chào hàng, trong đó có một số cơ sở đã nhận ra nhu cầu là phải có rôbôt mới đảm bảo được chất l ợng sản phẩm của dây truyền như thiết ư

kế Vì vậy đã xuất hiện các nhu cầu bổ sung các rôbôt đó

Một bước ngặt trọng đại của ngành rôbôt Việt Nam là từ tháng 4 năm 1998 Nhà máy Rorze Rôbôtech đã bước vào hoạt động ở khu công nghiệp Nomura Hải Phòng Đây là nhà máy đầu tiên ở Việt Nam chế tạo và lắp ráp rôbôt Đó là loại rôbôt có cấu trúc đơn giản nhưng rất chính xác dùng trong sản xuất chất bán dẫn Nhà máy Rorze Rôbôtech có vốn đầu tư là 46 triệu đô la Mỹ do Nhật Bản đầu tư

Cho đến nay, trường Đại học Bách khoa – Hà Nội đã nghiên cứu tính toán thiết kế một kiểu rôbôt mới, ký hiệu là rôbôt RP Rôbôt RP thuộc loại rôbôt phỏng sinh, rôbôt này dùng cơ cấu Pantograph với hai con trượt dẫn động làm môđun chủ yếu của cơ cấu tay máy Ngoài ra trường còn chế tạo ra hai mẫu: Rôbôt RPS –406 dùng để phun men, có hệ truyền dẫn thuỷ lực với 5 bậc tự do và rôbôt RPS –4102 dùng trong công nghệ bề mặt, có 6 bậc tự do, 3 động cơ điện 1 chiều và 3 động cơ bước

Không những thiết kế chế tạo các rôbôt nói trên mà trường Đại học Bách khoa –Hà Nội còn nghiên cứu, xây dựng thành công các thuật toán mới để xây dựng chương trình tính toán điều khiển rôbôt, xây dựng phương pháp tự động thiết lập và giải các bài toán động học trên cơ sở dùng MATLAB

Trong quá trình thiết kế, chế tạo rôbôt, trường Đại học Bách khoa –Hà Nội

đã tiến hành xây dựng thư viện các mô hình động của rôbôt trong máy tính Các rôbôt này không những được thiết kế theo thông số kỹ thuật của cơ sở sản xuất,

mà còn được mô phỏng hoạt hình và chương trình điều khiển chúng Với các chương trình này có thể tìm hiểu, học tập, khảo sát các loại rôbôt nổi tiếng trên thế giới và có thể trình diễn, giới thiệu với khách hàng về hoạt động của rôbôt mới được thiết kế Qua đó cũng có thể trao đổi, hiệu chỉnh thiết kế theo yêu cầu của khách hàng

Như vậy ta thấy tầm quan trọng to lớn của rôbôt công nghiệp trong nền sản xuất hiện đại cũng như trong học tập nghiên cứu theo kịp thời đại

Sự phát triển ngày càng cao của khoa học kỹ thuật và việc áp dụng những thành tựu của khoa học kỹ thuật vào sản xuất trở nên cấp thiết cho mỗi quốc gia

Để đánh giá trình độ khoa học và việc áp dụng thành tựu khoa học vào sản xuất, người ta nhìn vào mức độ ứng dụng Rôbôt công nghiệp trong sản xuất Như vậy, Rôbôt đóng vai trò rất quan trọng trong nền sản xuất hiện đại

Rôbôt công nghiệp là những thiết bị tự động đa chức năng được lập trình cho một hay nhiều công việc và được điều khiển bằng máy tính Chúng có thể sử dụng như một thiết bị độc lập, có khả năng thay đổi nhanh, dễ hiệu chỉnh Một trong những bộ phận chức năng chính của Rôbôt đó là hệ thống điều khiển Nó

có nhiệm vụ xử lý các thông tin nhận được để tạo ra các chuỗi lệnh cần thiết Hệ thống điều khiển cũng coi như một kho chứa và trung chuyển dữ liệu khi sử dụng cho các công việc khác nhau Các Rôbôt thường được trang bị các hệ thống điều khiển thích nghi, các hệ thống theo chương trình điều khiển logic –PLC (Programable Logic Control), các hệ thống cảm biến thực hiện theo các chức năng như: nghe, nói, đọc, viết, sờ, ngửi v v Vì vậy chúng có thể sử dụng hầu hết trong các lĩnh vực như: y tế, thể thao, văn hoá, gia công, lắp ráp và các lĩnh vực khác mà máy tự động thường không thể thực hiện được Trong những trường hợp khi yêu cầu vận tốc sử lý tình huống nhanh, chính xác, khi lựa chọn tìm kiếm các giải pháp nhiều phương án, khi yêu cầu khả năng suy nghĩ logic và phán đoán

tình huống theo bối cảnh, sử dụng Rôbôt sẽ cho hiệu quả rất cao Rôbôt là thiết

bị duy nhất có thể đáp ứng được đặc tính thay đổi của nền sản xuất hiện đại, mở rộng đáng kể khả năng của các thiết bị và quá trình sản xuất với hiệu quả cao nhất

1.2 Định nghĩa Rôbôt công nghiệp (IR)

Rôbôt công nghiệp là những thiết bị vạn năng để tự động hoá quá trình sản xuất nhiều chủng loại chi tiết và thường xuyên thay đổi đối tượng gia công Rôbôt công nghiệp có thể thực hiện các nguyên công chính cũng như các nguyên công phụ, do đó chúng rất cần thiết trong hệ thống sản xuất tích hợp

Rôbôt công nghiệp là một máy tự động được lập trình nhắc lại, có khả năng thay thế con người để thực hiện chức năng di chuyển đối tượng sản xuất hoặc thiết bị công nghệ Rôbôt công nghiệp khác các thiết bị tự động hoá truyền thống ở tính vạn năng di chuyển và điều chỉnh nhanh để thực hiện nguyên công mới Rôbôt công nghiệp có khả năng thay thế nhiều thiết bị khác nhau trong hệ thống sản xuất tích hợp, ví dụ như: thiết bị cấp phôi và tháo chi tiết đã gia công, thiết bị kiểm tra, thiết bị thay dao và dọn sạch phoi, đồng thời rôbôt công nghiệp cũng đảm bảo gá đặt và thay đổi thiết bị kiểm tra một cách tự động

Như vậy thì rôbôt là gì ?

Trên thực tế , có nhiều định nghĩa về rôbôtcông nghiệp cùng tồn tại Sau đây là một số định nghĩa trên thế giới:

• Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR Pháp:

Rôbôtcông nghiệp là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương trình hoá, lập lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị, di chuyển các đối tượng vật chất: chi tiết, dao, gá

lắp… theo những hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau

• Định nghĩa theo tiêu chuẩn VDI 2860/BRD

Rôbôtcông nghiệp là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển động

có thể chương trình hoá và ghép nối các chuyển động của chúng trong những khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến của động trình Chúng được điều khiển bởi các bộ phận hợp nhất ghép nối với nhau, có khả năng học và ghi nhớ các chương trình; chúng được trang bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác để thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp và gián tiếp

• Định nghĩa theo ΓΓΓΓOCT-1980

Rôbôtcông nghiệp là máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm

điều khiển chương trình hoá, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ

động với sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự như con người

Như vậy có 3 nét đặc trưng cần thiết để định rõ một kết cấu máy như là một rôbôt Chúng là:

nghiệp thực hiện các chức năng chủ yếu nh− cấp phôi cho các trung tâm gia công, gắp các chi tiết ra sau khi đã gia công, thực hiện quá trình lắp ráp tự động

1.3 Những khái niệm cơ bản về rôbôt công nghiệp

Cảm biến nội tín hiệu

Hệ thống

điều khiển

Hệ thống truyền dẫn động

Dụng cụ thao tác

Hình 1.1: Các bộ phận cấu thành rôbôt

Để tiờu chuẩn hoỏ cụng vi c thi t k , Rôbôt được chia làm ba ph n chớnh: ệ ế ế ầnguồn cung cấp năng lượng, bộ đ ề i u khiển và phần tay mỏy M i phỗ ần trong ba

phần chớnh trờn bao gồm nhiều bộ phận và cỏc bộ phận cú thể biế đổi để đỏp n

ứng tiờu chu n và cỏc thụng s thi t k c a m i Rôbôt nh t định ẩ ố ế ế ủ ỗ ấ

Phần tay mỏy

Tay mỏy bao gồm một tập cỏc thành phần liờn kế ơ họt c c được n i v i ố ớnhau bằng cỏc khớp Cỏc khớp thường là cỏc khớp quay hoặc cỏc khớp trượt

Thành phần cuối được gọi là thành phần thực hiện cuối vì đó là thành phần gắn dụng cụ hoặc vật tác động Các cơ cấu ch p hành được s dụấ ử ng để i u khi n đ ề ểchuyển động của các khớp của tay máy, một số khớp là khớp chủ động (các khớp có gắn các cơ cấu chấp hành) và một số khác là kh p bị động ớ

Nguồn cung cấp năng lượng

Nguyên nhân để các cơ cấu ch p hành khí nén còn được sử dụng trong ấcông nghiệp vì trong hầu hết các nhà máy đều đã có sẵn các trạm khí nén tập trung

- Đầu ra của cơ cấu ch p hành có ch độ động h c khác chuy n động c a ấ ế ọ ể ủ

khớp (động cơ chuyể động quay so với khớp trượt chuyể động tịn n nh tiến hoặc động cơ tuyến tính với chuyển động khớp là quay)

- Các cơ cấu ch p hành có kh i lượng l n không phù h p v i vi c l p đặt ấ ố ớ ợ ớ ệ ắtrực tiếp trên khớp liên kết

B i ộ đ ều khiển

* Cảm biến

Để iđ ều khiển một R«b«t ta cần biết vị trí của các khớp liên kết nên cần có các thiết bị xác định vị trí (bộ mã hoá, đ đ ệo i n áp ) xác định vận tốc, gia tốc đặt tại các khớp hoặc các bộ cảm bi n xác định l c/moment tác d ng lên các kh p ế ự ụ ớNgoài ra, R«b«t còn có thể trang bị các bộ cảm bi n để cung c p thêm thông tin ế ấ

về tầm nhìn (camera, cảm biến laser ) , rung động

* Bộ đ ề i u khiển

B iộ đ ều khiển cung cấp tính thông minh cần thiết để đ ều khiển hệ thố i ng R«b«t Nó nhận thông tin từ các bộ ả c m biến và xử lý đưa ra các lệnh i u khiển đ ề

để tay máy thực hi n Nhìn chung nó bao g m: ệ ồ

- Bộ nhớ để lưu tr chương trình i u khi n và tr ng thái c a R«b«t nhận ữ đ ề ể ạ ủđược từ các c m bi n ả ế

- Một bộ ử x lý trung tâm để tính toán các lệnh i u khiển đ ề

- Phần cứng tương ng ứ để giao diện với phần chấp hành cũng như ớ v i bên ngoài và người sử ụ d ng

* Bộ chuyể n đổi ngu n năng lượng ồ

Bộ chuyển đổi năng lượng biến đổi và thực hiện các lệnh của bộ đ ều ikhiển (có thể là đ ệi n áp thấp hoặc tín hiệu số) sang tín hiệu tương tự có đ ệi n áp

cao cú thể dẫn động c cấơ u ch p hành Vớ d : động c i n cú th gồấ ụ ơ đ ệ ể m m t b ộ ộchuyển đổi số ương tự và một bộ khuyếch đại nối vớ đ ệ/t i i n nguồn; với cơ cấu khớ nộn, nú gồm nguồn khớ nộn (tập trung hoặc mỏy nộn khớ), cỏc van servo

tương ứng để đ ều khiển luồng khớ nộn, một bộ khuyếch đại cho van và một bộ ichuyển đổi số ương tự /t

1.3.2 Bậc tự do của rôbôt

Các loại rôbôt công nghiệp nói chung là các loại thiết bị tự động có thể thực hiện nhiều công dụng Cơ cấu tay máy phải được cấu tạo sao cho bàn kẹp có thể giữ vật kẹp theo một hướng nhất định nào đó và di chuyển dễ dàng trong vùng làm việc Muốn vậy cơ cấu tay máy phải đạt được một số bậc tự do chuyển

động nhất định Số bậc tự do ở đây là số khả năng chuyển động độc lập của rôbôt Khi số bậc tự do tăng lên sẽ kéo theo nhiều vấn đề kĩ thuật và kinh tế cần giải quyết Do đó việc chọn số bậc tự do và phương án tổ hợp để thiết lập nên không gian làm việc của rôbôt nhất thiết phải đảm tính hợp lí đối với tính năng kĩ thuật xác định của rôbôt Tuy nhiên lĩnh vực hoạt động của rôbôt ngày càng mở rộng và trong trường công tác của nó rôbôt cần phải thao tác ngày càng linh hoạt, tinh vi và khéo léo Như vậy số bậc tự do ngày càng phải tăng theo những yêu cầu đó của rôbôt

Trong trường hợp chung có thể tính toán số bậc tự do theo công thức sau:

5

1

6

i i

1.3.3 Hệ toạ độ và vùng làm việc của rôbôt

Bốn loại chính của mô hình học rôbôt được mô tả như sau :

• Toạ độ Đềcác

• Hệ toạ độ trụ

• Hệ toạ độ độc cực

• Toạ độ phỏng sinh ( hay được nối bằng khớp )

Sự mô tả của 4 loại chính của mô hình hình học rôbôt và lợi ích của mỗi loại dưới đây:

Hệ toạ độ Đềcác : 3 trục của rôbôt trong toạ độ đềcác có thể chỉ là những đường

thẳng vận động Hình bao của kết quả làm việc là một hình hộp rất sắc nét như biểu diễn trong hình 1.2 sau Các điểm bên trong hình bao dùng một hệ thống các giá trị hoặc các toạ độ (X Y Z) mà tương đương với vị trí của mỗi trục rôbôt Ví

dụ, một góc của hình bao có toạ độ 0,0,0 sẽ biểu diễn vị trí co vào hoàn toàn của các trục rôbôt Một điểm khác, có toạ độ 6,6,6 sẽ biểu diễn một điểm mà tại đó các trục rôbôt kéo dài 6 inch như biểu diễn trong hình 1.2 sau:

Hình 1.2: Rôbôt có hệ toạ độ đềcác

Thỉnh thoảng hệ toạ độ đềcác rôbôt không phải đặt trên sàn nhà hoặc mặt bàn nhưng ở cao hơn mặt đất trong yêu cầu phải lưu giữ khoảng trống Trong trường hợp này, nó thường được gọi là một Rôbôt giàn

Hệ toạ độ trụ:

Rôbôt dùng hệ toạ độ này là sự kết hợp của chuyển động thẳng với chuyển

động quay Rôbôt này thường có chuyển động quay và 2 chuyển động thẳng Chuyển động của 3 trục này tạo thành ô làm việc hình trụ sắc nét cho rôbôt Ví

dụ như hình 1.3 sau:

Hình 1.3: Rôbôt có hệ toạ độ trụ

Những rôbôt này thường được dùng để thực hiện nhiệm vụ nhặt và di chuyển chi tiết Thiết kế hình học của rôbôt này rất hiệu quả và rôbôt khá dễ dàng thực hiện chương trình Các dạng của rôbôt dùng hệ toạ độ này thường được

sử dụng để tháo hoặc nạp chi tiết vào băng chuyền …

Toạ độ độc cực :

Hệ toạ độ này của rôbôt như biểu diễn trong hình 1.4 dưới đây, có 2 chuyển động quay và chuyển động thứ 3 là chuyển động thẳng Các chuyển động này của 3 trục tạo thành một hình bao làm việc hình cầu

Hình 1.4: Rôbôtcó hệ toạ độ cực

Những tiện ích về dạng hình học này của rôbôt là dễ dàng thiết kế và có khả năng nâng tốt Một rôbôt với dạng hình dáng này có thể được sử dụng nơi phải thực hiện những chuyển động ngang nhỏ

Hệ toạ phỏng sinh (toạ độ độ góc):

Hình dáng mô tả một rôbôt với các chỗ nối các phần chỗ 2 đốt và các chuyển động mà nó trông giống như chuyển động của khớp con người

Rôbôt Pegasus sử dụng một kiểu toạ độ này của mô hình học cánh tay.

Hình 1.5: Rôbôt có hệ toạ độ góc

Kiểu của mô hình học này cho phép rôbôt linh hoạt hơn, làm cho nó thích hợp cho các ứng dụng nh− sơn và hàn Mô hình học của hình này cho phép rôbôt thực hiện các chuyển động phức tạp trong khu vực làm việc của nó

Thèng kª c¸c lo¹i h×nh r«b«tc«ng nghiÖp chñ yÕu

H×nh 1.6: C¸c lo¹i h×nh r«b«tc«ng nghiÖp

1.3.4.Phân loại rôbôt

Tuỳ theo chỉ tiêu phân loại có thể có rất nhiều kiểu phân loại rôbôt

- Phân loại theo số bậc tự do: Rôbôt 1, 2, 3, bậc tự do

- Phân loại theo hệ năng lượng:

+ Rôbôt hoạt động theo năng lượng điện + Rôbôt hoạt động theo năng lượng thuỷ lực + Rôbôt hoạt động theo năng lượng khí nén

+ Rôbôt hoạt động theo năng lượng mặt trời

- Phân loại theo phương pháp điều khiển:

+ Rôbôt có điều khiển số (CNC) + Rôbôt có điều khiển logic khả trình (PLC) + Rôbôt có điều khiển trí tuệ nhân tạo

+ Rôbôt có điều khiển thích nghi

- Phân loại theo hệ truyền động: Phục thuộc vào nguồn động lực ta có thể phân ra:

+ Rôbôt với truyền động gián tiếp + Rôbôt với truyền động trực tiếp

- Phân loại theo cấp chính xác:

+ Cấp chính xác tuyệt đối + Cấp chính xác lặp lại

1.3.5 Các phép biến đổi ( Transformation )

Cho U là véctơ điểm cần biến đổi ; H là véctơ dẫn biểu diễn bằng một ma trận gọi là ma trận chuyển đổi, ta có: V=H.U là véctơ điểm đã biến đổi

Gọi P là mặt phẳng chứa điểm cần biến đổi biểu diễn bởi U; Gọi Q là mặt phẳng chứa điểm đã biến đổi biểu diễn bởi V; ta có:

P.U = Q.V = 0 ( theo định nghĩa )

Đây là điều kiện luôn tồn tại trong các phép biến đổi Gọi 1

Hư

là ma trận đảo của ma trận chuyển đổi H, ta có thể suy ra các hệ quả như sau:

Các phép biến đổi thường bao gồm:

- Phép tịnh tiến: Translation ( viết tắt là Trans )

- Phép quay: Rotation ( viết tắt là Rot )

Đây là hai phép cơ bản khi phân tích thiết kế hay xác định các vị trí làm việc của rôbôt

1.3.5.1 Phép biến đổi tịnh tiến (Translation )

Giả sử cần tịnh tiến một điểm hoặc một vật thể theo véctơ dẫn:

c (1_1)

Ta lại có U là véctơ biểu diễn điểm cần tịnh tiến, với: U =[x y z w , , , ]T

Lúc đó V là véctơ biểu diễn điểm đã biến đổi tịnh tiến được xác định bởi:

+

Bản chất của phép biến đổi tịnh tiến là phép cộng véctơ giữa véctơ biểu diễn

điểm cần biến đổi và véctơ dẫn, đ−ợc viết là: V= Trans(a,b,c)U

Hình 1.7: Phép biến đổi tịnh tiến trong không gian

Hình 1.8: Phép biến đổi tịnh tiến hệ toạ độ

Kết quả của phép biến đổi là:

Nếu chỉ dừng ở phép biến đổi tịnh tiến hệ toạ độ theo véctơ dẫn H, ta đ−ợc

Hình 1.9: Phép biến đổi tịnh tiến và quay hệ toạ độ

Để mô tả hệ toạ độ mới này có thể nhận xét ma trận OT:

− mô tả gốc T trong hệ toạ độ O(x,y,z)

O

So sánh các véctơ đơn vị của O và T ta thấy:

O

(1, 0, 0,1) (0,1, 0,1) (0, 0,1,1)

i

O j k

1.3.6.2 Mô tả một vật thể

Tồn tại của một vật thể tuy đa dạng, phong phú nhưng ta có thể dựa vào những giá trị đặc trưng của các phần tử để miêu tả chúng Ta thường chia hình dáng của vật thể thành ba nhóm chính:

- Nhóm vật thể tròn xoay ( Rotation ) – R

- Nhóm vật thể có góc cạnh ( Prismatic ) – P

- Nhóm vật thể có cấu trúc hỗn hợp ( Combination ) – K

Nhóm R có giá trị đặc trưng là toạ độ tâm và bán kính mặt cong

Nhóm P có giá trị đặc trưng là toạ độ của các điểm giới hạn

1.3.7 Kết cấu cơ bản của một số loại rôbôtcông nghiệp

* Rôbôt để bàn có cánh tay quay

Đây là loại Rôbôt đ−ợc sử dụng phổ biến, các loại này có hệ toạ độ làm việc

là cầu hoặc trụ

Hình 1.11: Rôbôt A - 3000

a, Sơ đồ cánh tay ; b, hệ thống chuyển động : 1 - Bàn lắp, 2 - Cơ cấu công tác, 3 - máy tính ; c, d, Sơ đồ vị trí nằm ngang và thẳng đứng của bàn tay

* Rôbôt dạng cổng

Đây là loại Rôbôt đảm bảo đ−ợc độ cứng vững khi lắp ráp nh−ng có không gian làm việc cồng kềnh

Hình 1.12:

* Rôbôt module tổ hợp

Rôbôt loại này được chế tạo dưới dạng các module lắp ghép để có thể tạo ra nhiều Rôbôt có công dụng khác nhau

Hình 1.13: Sơ đồ tổng hợp Rôbôt Robitus RC (Nhật)

a, Rôbôt cố định có trục quay và hai tay máy dịch chuyển thẳng lên xuống theo hai trục

b, Rôbôt di động có trục quay và cánh tay có khả năng dịch chuyển lên xuống và quay nghiêng

c, Rôbôt di động có trục quay và cánh tay dịch chuyển lên xuống

d, Rôbôt treo di động một cánh tay

e, Rôbôt cố định không có trụ quay, cánh tay dịch chuyển lên xuống

f, Rôbôt cố định có trụ quay cánh tay, có thể nghiêng và dịch chuyển lên xuống

1 - Cánh tay kiểu ống lồng (để đưa cánh tay ra hoặc co lại) ; 2 - Trụ để quay nghiêng ;

3 - Trụ nâng (thực hiện dịch chuyển lên xuống) ; 4 - cụm quay nghiêng theo chiều thẳng

đứng ; 5 - cụm quay cổ tay và cánh tay ; 6 - cụm quay cổ tay ; 7 - cụm quay trụ đỡ ;

8 - Thân cố định ; 9 - Thân cố định để gá cụm quay trụ đỡ ; 10 - Cụm dịch chuyển ngang của cụm quay trụ đỡ ; 11 - Cụm bàn trượt dịch chuyển thẳng

H×nh 1.14:

1.4 Cấu trúc cơ bản và thông số kỹ thuật của rôbốt Pegasus

1.4.1 Cấu trúc cơ bản của rôbốt Pegasus

Cũng giống nh− cấu trúc của các rôbốt công nghiệp khác, rôbốt Pegasus gồm có các bộ phận nh−: phần thân, khuỷu tay, cánh tay, cổ tay và bàn kẹp Để tìm hiểu về cấu trúc động học ta đi nghiên cứu từng bộ phận cấu thành của rôbốt này

Hình 1.15: Cấu trúc của rôbôtPegasus Phần thân:

Có hình dáng bên ngoài nh− một hình hộp chữ nhật bên trong có chứa các

động cơ truyền dẫn của các bộ phận (các khâu) khác của rôbốt Chân có thể gắn

cố định với bàn làm việc (đối với rôbốt phục vụ cho máy phay CNC) hoặc cũng

có thể có chuyển động tịnh tiến dọc theo bàn làm việc (đối với rôbốt phục vụ cho máy tiện CNC) nhờ bộ truyền vítme-đaiốc Kết cấu của bộ truyền này là có một

động cơ đặt cố định nằm ngoài rôbốt truyền chuyển động tới trục vít, dưới chân của rôbốt có gắn một đai ốc, như vậy khi động cơ làm việc sẽ làm cho trục vít quay, đai ốc gắn ở chân rôbốt sẽ chuyển động tịnh tiến Phía trên của thân được nối với khuỷu tay bằng một trục (ta gọi là trục 1)

Khi thiết kế phần thân cũng cần phải chú ý tới độ cứng vững của toàn bộ kết cấu vì phần thân là một bộ phận phải chống đỡ với toàn bộ trọng lượng cùng chi tiết, các lực cơ học trong quá trình chuyển động v v Tuy nhiên đối với rôbốt Pegasus thì yêu cầu đó không đòi hỏi quá khắt khe vì vật liệu chế tạo các bộ phận rất bền và nhẹ, loại rôbốt nhỏ, khả năng làm việc với chi tiết có khối lượng lớn nhất là 1kg

Phần thân có thể tự quay quanh mình nhờ động cơ số 1 truyền động qua hộp giảm tốc đảm bảo tốc độ quay và góc quay hợp lý Tác dụng phép quay này nhằm tạo ra khả năng đưa bàn kẹp tới được vị trí yêu cầu, nói cách khác nó tạo ra một bậc tự do trong không gian của rôbốt nhằm mở rộng vùng làm việc

1 2 3 5

10 11 12

8

9

ộng cơ số 2 2: Trục số 2 3: Bánh răng 4: Bánh răng trụ z=20 5: Bạc lót

6: Thanh đỡ 7: Xích truyền8: ổ bi

9: Bánh r 10: Bạc lót

11: Bánh răng trụ 12: Trục số 3

Hìn g hình chữ nhật cấu tạo bởi các thanh thép, trên

M

ả năng đ−a bàn kẹp tới vị trí mong muốn, nói cách khác nó tạo ra một bậc

tự do trong không gian của rôbốt nhằm mở rộng vùng làm việc Để thực hiện phép quay này là nhờ động cơ điện số 2 gắn trên thân và có trục động cơ nối thẳng với trục số 1 Giữa trục động cơ số 2 và trục số 1 có bộ truyền nhằm

đảm bảo tốc độ quay và góc quay hợp lý

12: Trục số 3 18: ổ bi 13: Xích truyền 19: Động cơ số 6 20: Trục số 4 Cánh tay có kết cấu gần giống nh− khuỷu tay, hình dạng cũng giống nh− thanh hình nhữ nhật và trên đó có các bộ truyền từ động cơ tới cổ tay Cổ tay

được nối với khuỷu tay bằng một trục số 2, đầu còn lại có hai trục gắn vào một hộp hình khối, trên hai trục này có hai bánh răng côn như hình vẽ 1.17

Nguyên lý hoạt động:

Khi động cơ số 3 hoạt động sẽ chuyền chuyển động tới bánh răng 3 qua bộ truyền xích, từ bánh răng 3 truyền chuyển động tới bánh răng 11 bằng bộ truyền xích làm bánh răng 11 quay Do bánh răng 11 và thanh cứng là một khối đồng thời bánh răng này lắp chặt với trục số 3 nên khi bánh răng 11 quay làm cả khâu cánh tay quay quanh tâm trục số 3

Yêu cầu kỹ thuật:

Cũng giống như khuỷu tay, do việc chuyển động quay của một kích thước dài nên cần phải có độ cứng vững cần thiết Chính các bộ truyền cũng một phần làm tăng độ cứng vững cộng với vật liệu nhẹ và bền cao càng làm tăng độ cứng vững cho bộ phận này, đồng thời yêu cầu làm việc với chi tiết là 1kg nên không cần phải làm các bộ phận tăng cứng

24: Phiến dẫn 33: Đai ốc

25: Phiến đỡ cố định 26: Thanh dẫn

27: Bàn kẹp 28: Miếng đệm tăng ma sát

Nguyên lý hoạt động:

Khi động cơ số 4 và số 5 quay cùng chiều sẽ làm cho hai bánh răng côn quay cùng chiều Tuy bánh răng côn 20 ăn khớp với hai bánh răng 15 nh−ng

hai bánh răng 15 lại quay cùng chiều do đó nó làm toàn bộ khối cổ tay quay quanh tâm trục số 4

Khi hai động cơ 4 và 5 quay ngược chiều nhau cùng tốc độ sẽ hai bánh răng 15 quay ngược chiều nhau và do ăn khớp với bánh răng côn 20 nên bánh răng 20 quay quanh trục 5 Bánh răng côn 20 nối cứng với khối bàn kẹp bằng phiến đỡ 22, do đó khi bánh răng côn 20 quay làm cho cả khối bàn kẹp cũng quay theo

Khi động cơ 6 hoạt động sẽ làm quay trục vít, do đai ốc 33 ăn khớp với trục vít, mặt khác đai ốc lại bị chặn bởi ống dẫn 23 và phiến dẫn 24 cùng miếng chặn 30 nên đai ốc 33 không quay theo trục vít mà nó chuyển động tịnh tiến dọc trục số 5, chuyển động này làm cho phiến dẫn cũng chuyển động tịnh tiến theo Việc phiến dẫn 24 chuyển động tịnh tiến làm cho thanh truyền

31 chuyển động song phẳng kéo theo thanh dẫn 29 chuyển động quay quanh chốt của nó Và như vậy thì do thanh dẫn nối với bàn kẹp 27 nên hai bàn kẹp

27 sẽ chuyển động tiến vào nhau hoặc lùi xa nhau để thực hiện công việc kẹp chặt và nhả chi tiết

Do thanh dẫn 26 và thanh dẫn 29 luôn song song nhau và đều quay quanh hai chốt nằm trên phiến đỡ cố định 25 nên chuyển động của cả khối này vẫn đảm bảo hai thanh dẫn 26 và 29 tạo thành hình bình hành Mặt khác

do hai chốt nối thanh dẫn 26 và 29 nằm trên một đường thẳng vuông góc trục

số 5 do đó hai chốt nối thanh dẫn 26 và 29 với má kẹp cũng nằm trên một

đường thẳng vuông góc với trục số 5 kể cả khi chuyển động, do đó mặt phẳng của má kẹp luôn song song với trục số 5 và luôn hướng vào nhau Nói cách khác mặt phẳng hai má kẹp luôn song song với nhau trong quá trình kẹp

Yêu cầu kỹ thuật:

Bộ phận này có kết cấu rất phức tạp vì vậy đòi hỏi các chi tiết phải được chế tạo hết sức chính xác, đồng thời đảm bảo độ cứng vững cần thiết cho các khâu truyền động như: chốt đảm bảo cứng vững khi các thanh truyền hoạt

động, đai ốc đủ lớn để có thể kéo cả một khối chuyển động theo v v

1.4.2 Thông số kỹ thuật của rôbốt Pegasus

Độ cơ động của cơ cấu:

Để các cơ cấu của rôbốt có thể hoạt động một cách linh hoạt hay rôbốt

có thể thực hiện đ ợc các công việc một cách dễ dàng, đơn giản thì chúng cần ưphải một số bậc tự do cần thiết Với rôbốt có càng nhiều bậc tự do thì tính cơ

động càng tăng, độ linh hoạt càng được thể hiện nhưng khi chế tạo lại rất phức tạp, độ chính xác chuyển động giảm xuống, giá thành chế tạo cũng tăng Vấn

đề ta phải chọn số bậc tự do cho rôbốt để nó phù hợp với yêu cầu sản xuất

Rôbốt Pegasus được xác định bằng 5 bậc tự do (là 6 bậc tự do đối với rôbốt phục vụ máy tiện CNC) Với số bậc tự do như vậy thì độ cơ động của rôbốt là không cao, tuy nhiên trong phạm vi sản xuất cùng độ chính xác dịch chuyển thì ta chỉ cần số bậc tự do như vậy là đủ

Hệ số phục vụ:

Trong vùng làm việc hay trong khoảng không gian mà bàn kẹp của tay máy có thể thao tác được, không phải ở bất cứ điểm nào trong vùng này bàn kẹp cũng thao tác dễ dàng như nhau Để đánh giá mức độ dễ dàng đó thì người ta đưa vào khái niệm về hệ số phục vụ η

Hệ số phục vụ η là tỷ số giữa góc phục vụ λ so với 4π Góc phục vụ là góc nón quét một vùng không gian mà chỉ trong vùng này bàn kẹp mới có thể thực hiện được công việc theo các toạ độ cần thiết

π

λ η

4

= Giá trị của η và λ không những phụ thuộc vào vị trí điểm thao tác trong vùng làm việc mà nó còn phụ thuộc vào kết cấu của rôbốt

Độ dễ điều khiển của cơ cấu:

Trong thực tế điều khiển tay máy, từ khi nhận tín hiệu về định vị và

định hướng của điểm tác động cuối (end-effector) tại một điểm của quỹ đạo, cho đến khi điều khiển để đạt được mục tiêu đó, rôbốt phải thực hiện hoạt

động trong một khoảng thời gian nhất định Thời gian đó bao gồm cả thời gian tính toán để đạt được các thông số điều khiển và thời gian thực hiện công việc di chuyển

Thông qua thời gian điều khiển nói trên, ta có thể xác định được mức

độ điều khiển là khó hay dễ

Các thông số kỹ thuật của rôbốt Pegasus:

Các thông số kỹ thuật sẽ được biểu trị bằng bảng đặc trưng sau: