Nghiên ứu ảnh hưởng ủa tố độ và tải trọng tới độ hính xá lặp ủa robot staubli 6 bậ tự do

Tuy nhiên các nghiên cứu cha thực hiện trên một robot công nghiệp cụ thể đang hoạt động và đánh giá ảnh hởng của điều kiện làm việc tới độ chính xác lặp của chúng.. - Tìm hiểu cấu trúc

Lịch sử phát triển và ứng dụng Rôbôt công nghiệp (IR)

Các khái niệm và định nghĩa Rôbôt công nghiệp (IR)

Hệ toạ độ của rôbôt

Trong robot, chữ O và chỉ số n thường được sử dụng để chỉ hệ tọa độ gắn trên khâu thứ n Hệ tọa độ cơ bản, hay còn gọi là hệ tọa độ gắn với khâu cố định, sẽ được ký hiệu là O_n.

O0; hệ toạ độ gắn trên các khâu trung gian tơng ứng sẽ là O1, O2, , On-1, Hệ toạ độ gắn trên khâu chấp hành cuối ký hiệu là On.

Trờng công tác của robot

Trường công tác của robot là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi thực hiện các chuyển động Trường công tác này bị giới hạn bởi các thông số hình học và ràng buộc cơ học của các khớp, chẳng hạn như khớp quay có chuyển động nhỏ hơn 360 độ Để mô tả trường công tác của robot, người ta thường sử dụng hai hình chiếu.

Hình 1.3: Biểu diễn trờng công tác của Robot

Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

Các thành phần chính của robot công nghiệp

Một robot công nghiệp thường bao gồm các thành phần chính như cánh tay robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, cảm biến, bộ điều khiển, thiết bị dạy học (Teach Pendant) và máy tính Ngoài ra, phần mềm lập trình cũng đóng vai trò quan trọng trong việc vận hành và điều khiển robot.

19 coi là một thành phần của hệ thống robot Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot nh H×nh 1.4

Hình 1.4: Các thành phần chính của hệ thống Robot

Cánh tay robot, hay còn gọi là tay máy, là một cấu trúc cơ khí bao gồm các khâu được kết nối bằng các khớp động, cho phép thực hiện những chuyển động cơ bản của robot.

Nguồn động lực cho tay máy bao gồm các động cơ điện, như động cơ một chiều hoặc động cơ bước, cùng với các hệ thống xy lanh khí nén và thủy lực, nhằm cung cấp năng lượng cần thiết để hoạt động hiệu quả.

Dụng cụ thao tác của robot, được gắn ở khâu cuối, có nhiều kiểu khác nhau như bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ như mỏ hàn, đá mài, và đầu phun sơn.

Thiết bị dạy học (Teach Pendant) là công cụ quan trọng giúp lập trình robot thực hiện các thao tác cần thiết theo yêu cầu của quy trình làm việc Sau khi được dạy, robot có khả năng tự động lặp lại các động tác đã học, áp dụng phương pháp lập trình kiểu dạy học hiệu quả.

Các phần mềm lập trình và chương trình điều khiển robot được cài đặt trên máy tính, cho phép người dùng điều khiển robot thông qua bộ điều khiển (Controller).

Bộ điều khiển, hay còn gọi là Mođun điều khiển (Unit, Driver), thường được kết nối với máy tính và có thể tích hợp các cổng vào - ra (I/O port) để tương tác với nhiều thiết bị khác nhau, bao gồm cả cảm biến.

Robot có khả năng nhận biết trạng thái của bản thân và xác định vị trí của đối tượng làm việc, cũng như thực hiện các dò tìm khác Chúng có thể điều khiển các băng tải hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt động một cách phối hợp với robot, nâng cao hiệu quả trong quá trình sản xuất và tự động hóa.

Kết cấu của tay máy

Tay máy là thành phần quan trọng quyết định khả năng làm việc của robot, với nhiều thiết kế đa dạng, không chỉ phỏng theo cấu trúc tay người Khi thiết kế và sử dụng tay máy, cần chú ý đến các thông số hình động học như tầm với, số bậc tự do, độ cứng vững, tải trọng vật nâng và lực kẹp, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất làm việc của robot.

Các khâu của robot thờng thực hiện hai chuyển động cơ bản :

Chuyển động tịnh tiến trong không gian Descartes theo các hướng x, y, z thường tạo ra các hình khối Những chuyển động này thường được ký hiệu là T (Translation) hoặc P (Prismatic).

+ Chuyển động quay quanh các trục x,y,z ký hiệu là R (Roatation)

Tùy thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T), tay máy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc đa dạng Các kết cấu phổ biến của robot bao gồm robot kiểu tọa độ Đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, robot kiểu SCARA, và hệ tọa độ gốc (phẳng sinh).

Robot kiểu tọa độ Đề các là một loại tay máy với ba chuyển động cơ bản theo các trục tọa độ gốc, cho phép tịnh tiến trong không gian hình khối chữ nhật Với kết cấu đơn giản, loại robot này có độ cứng vững cao và dễ dàng đảm bảo độ chính xác cơ khí, nên thường được sử dụng trong các ứng dụng như vận chuyển phôi liệu, lắp ráp và hàn trong mặt phẳng.

Hình 1.5: Robot kiểu tọa độ Đề các

Robot kiểu tọa độ trụ có vùng làm việc hình trụ rỗng, với khớp thứ nhất thực hiện chuyển động quay Một ví dụ điển hình là robot 3 bậc tự do với cấu hình R.T.T, như hình 1.6 Nhiều loại robot kiểu tọa độ trụ khác cũng tồn tại, chẳng hạn như robot Versatran từ hãng AMF (Hoa Kỳ).

Hình 1.6: Robot kiểu tọa độ trụ

Robot kiểu tọa độ cầu có vùng làm việc hình cầu và thường có độ cứng vững thấp hơn so với các loại robot khác Một ví dụ điển hình là robot 3 bậc tự do với cấu hình R.R.R hoặc R.R.T, hoạt động theo nguyên lý tọa độ cầu.

Hình 1.7: Robot kiểu tọa độ cầu

Robot kiểu tọa độ góc, hay còn gọi là hệ tọa độ phỏng sinh, là loại robot phổ biến nhất hiện nay Nó có ba chuyển động chính là các chuyển động quay, với trục quay đầu tiên vuông góc với hai trục còn lại Các chuyển động khác cũng thuộc dạng quay, tạo ra vùng làm việc gần giống như một phần khối cầu Tất cả các khâu của robot đều nằm trong mặt phẳng thẳng đứng, do đó các tính toán cơ bản trở thành bài toán phẳng Ưu điểm nổi bật của robot hoạt động theo hệ tọa độ góc là sự gọn nhẹ, cho phép có vùng làm việc tương đối lớn so với kích thước của robot, cùng với độ linh hoạt cao.

Các robot hoạt động theo hệ tọa độ góc nhị phân bao gồm các dòng robot RX, TX của Staubli (Pháp), robot PUMA của Unimation Nokia (Hoa Kỳ - Phần Lan), và các mẫu IRb 6, IRb 60 từ Thụy Điển, cùng với các thương hiệu Toshiba, Mitsubishi, và Mazak từ Nhật Bản.

Ví dụ một robot hoạt động theo hệ toạ độ góc (Hệ toạ độ phỏng sinh), có cấu hình RRR.RRR :

Hình 1.8: Robot TX40 hãng Staubli hoạt động theo hệ tọa độ góc-

Robot SCARA, được phát triển vào năm 1979 tại đại học Yamanashi (Nhật Bản), là một loại robot tiên tiến nhằm phục vụ cho sự đa dạng trong quy trình sản xuất Tên gọi SCARA là viết tắt của "Selective Compliant Articulated Robot Arm", tức là tay máy mềm dẻo tuỳ ý, nhưng cũng có thể được hiểu là "Selective Compliance Assembly Robot Arm" do ứng dụng chính của nó trong lắp ráp Robot SCARA có ba khớp đầu tiên được cấu hình theo kiểu R.R.T, với các trục khớp đều theo phương thẳng đứng.

Phân loại Robot công nghiệp

Phân loại theo kết cấu

Theo cấu trúc của tay máy, robot được phân thành các loại như robot kiểu tọa độ Đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, tọa độ góc và robot kiểu SCARA.

Phân loại theo hệ thống truyền động

Có các dạng truyền động phổ biến là :

Hệ truyền động điện thường sử dụng động cơ điện một chiều (DC) hoặc động cơ bước (step motor), mang lại khả năng điều khiển dễ dàng và kết cấu gọn nhẹ.

Hệ truyền động thủy lực có khả năng đạt công suất cao, phù hợp với những điều kiện làm việc nặng Tuy nhiên, hệ thống này thường có kết cấu cồng kềnh và gặp khó khăn trong việc điều khiển do độ phi tuyến lớn.

Hệ truyền động khí nén có kết cấu gọn nhẹ, không cần dẫn động nhờ vào việc kết nối với trung tâm tập trung khí nén Hệ thống này hoạt động hiệu quả với công suất trung bình và nhỏ, tuy nhiên độ chính xác không cao, thường chỉ phù hợp với các robot thực hiện các thao tác đơn giản theo chương trình định sẵn, như "nhấc lên đặt xuống" (Pick and Place hoặc PTP: Point To Point).

Phân loại theo ứng dụng

Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có Robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp, robot chuyển phôi v.v

Phân loại theo cách thức và đặc trng của phơng pháp điều khiển …

Robot điều khiển hở không có mạch phản hồi, trong khi robot điều khiển kín, hay còn gọi là điều khiển servo, sử dụng cảm biến và mạch phản hồi để nâng cao độ chính xác và tính linh hoạt trong quá trình điều khiển.

Ngòai ra còn có thể có các cách phân loại khác tuỳ theo quan điểm và mục đích nghiên cứu

1.5 Hệ thống chia liều thuốc tiêm Theodorico và robot Staubli-TX40

Giới thiệu về hệ thống chia liều tự động Theodorico

Vào năm 2009, Trung Tâm Máy gia tốc Cyclotron 30Mev Bệnh viện TWQĐ 108 đã chính thức hoạt động, nhằm sản xuất các đồng vị và dược chất phóng xạ phục vụ cho việc chẩn đoán sớm và điều trị các bệnh lý ung thư, tim mạch và thần kinh Hệ thống Cyclotron 30Mev đi kèm với hệ thống chia liều tự động Theodorico, hoàn toàn tự động do tính chất công việc bức xạ Quá trình chia liều, di chuyển và đóng mở các lọ thuốc tiêm được thực hiện bởi robot công nghiệp TX40 6 bậc tự do, đây cũng là đối tượng nghiên cứu độ chính xác lặp trong luận văn.

Staubli là một trong những hãng sản xuất robot công nghiệp hàng đầu thế giới, nổi bật với các sản phẩm robot tọa độ góc (tọa độ phỏng sinh) thường có từ 4 đến 6 trục.

Robot Staubli sở hữu 6 bậc tự do và có nhiều phiên bản khác nhau, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, y tế và các phòng nghiên cứu Chúng có khả năng xử lý tải trọng đa dạng, bao gồm tải nhỏ (0.5 đến 10kg), tải trung bình (10 đến 80kg) và tải nặng (trên 80kg) Với tốc độ và khả năng thích ứng cao, robot Staubli đạt độ chính xác lặp lại lên tới 0.02mm.

Hình 1.10: Hệ thống chia liều tự động Theodorico của Comecer

Hình 1.11: Robot TX40 trong buồng chia liều

1.5.2 Cấu trúc cơ bản của Robot Staubli -TX40

Cũng nh các robot công nghiệp khác, cấu trúc của robot TX40 bao gồm các bộ phận nh: phần thân, khuỷu tay, cánh tay, cổ tay và bàn kẹp

Kết cấu và kích thớc một số bộ phận cơ bản:

H×nh 1.12 KÝch thíc th©n robot TX40

Hình 1.13 Cấu trúc và kích thớc cổ tay của robot TX40

* Các thông số kỹ thuật chính và không gian làm việc của Robot TX40:

TÇm víi 515mm Độ chính xác lặp ISO 9283- 0.02mm

Phơng pháp lắp đặt Trên sàn/tờng/trần

Bé ®iÒu khiÓn Staubli- CS8C

Sơ đồ các khớp và không gian làm việc của Robot TX40:

Hình 1.14 Sơ đồ khớp và không gian làm việc của robot Staubli TX40- 1.5.3 Bộ điều khiển, phần mềm và thiết bị dạy robot TX40

* Bé ®iÒu khiÓn Staubli-CS8C:

H×nh 1.15 Bé ®iÒu khiÓn CS8C

Bộ điều khiển CS8C của Staubli hỗ trợ nhiều cấu hình robot và tích hợp máy tính công nghiệp cùng 6 bộ khuếch đại, cho phép điều khiển động cơ của 6 khớp quay Người vận hành thực hiện thao tác qua giao diện HMI từ máy tính ngoài, gửi lệnh đến PLC để điều khiển toàn bộ hệ thống phụ trợ và robot Robot nhận lệnh từ PLC, thực hiện tính toán và xuất tín hiệu điều khiển.

6 động cơ đến vị trí đích

* PhÇn mÒm ®iÒu khiÓn Staubli Robotic Studio

Hình 1.16 Sơ đồ giao tiếp giữa phần mềm điều khiển và hệ thống

*Thiết bị dạy robot (manual control panel): Dùng khi thao tác bằng tay, dạy robot theo một chơng trình nào đó

Hình 1.17 Thiết bị dạy robot SP1 của Staubli

1.5.4 Các ma trận biến đổi thuần nhát của robot TX40

Dựa vào cấu hình của robot TX40 ta xây dựng sơ đồ động học của robot nh H×nh 1.18

Hình 1.18 Sơ đồ động học của robot Staubli TX40-

*Bảng tham số Denavit Hartenberg:-

*Các ma trận biến đổi thuần nhất:

Trong đó Cθ i và Sθ i là viết tắt của Cos Sinθ i , θ Các ma trận i i j T là các ma trận biến đổi thuần nhất từ hệ tọa độ i về hệ tọa độ j.

Bộ điều khiển, phần mềm và thiết bị dạy robot TX40

* Bé ®iÒu khiÓn Staubli-CS8C:

H×nh 1.15 Bé ®iÒu khiÓn CS8C

Bộ điều khiển CS8C của Staubli được thiết kế cho nhiều cấu hình robot, tích hợp máy tính công nghiệp và 6 bộ khuếch đại để điều khiển động cơ của 6 khớp quay Người vận hành tương tác qua giao diện người máy HMI từ máy tính ngoài, gửi lệnh đến PLC điều khiển toàn bộ hệ thống phụ trợ và robot Robot nhận lệnh từ PLC, thực hiện tính toán và xuất tín hiệu điều khiển.

6 động cơ đến vị trí đích

* PhÇn mÒm ®iÒu khiÓn Staubli Robotic Studio

Hình 1.16 Sơ đồ giao tiếp giữa phần mềm điều khiển và hệ thống

*Thiết bị dạy robot (manual control panel): Dùng khi thao tác bằng tay, dạy robot theo một chơng trình nào đó

Hình 1.17 Thiết bị dạy robot SP1 của Staubli

1.5.4 Các ma trận biến đổi thuần nhát của robot TX40

Dựa vào cấu hình của robot TX40 ta xây dựng sơ đồ động học của robot nh H×nh 1.18

Hình 1.18 Sơ đồ động học của robot Staubli TX40-

*Bảng tham số Denavit Hartenberg:-

*Các ma trận biến đổi thuần nhất:

Trong đó Cθ i và Sθ i là viết tắt của Cos Sinθ i , θ Các ma trận i i j T là các ma trận biến đổi thuần nhất từ hệ tọa độ i về hệ tọa độ j.

Giới thiệu

Để đánh giá chất lượng của một rôbốt công nghiệp, cần dựa vào tiêu chuẩn kỹ thuật do nhà sản xuất cung cấp khi rôbốt được xuất xưởng Mỗi loại rôbốt có nhiều thông số kỹ thuật khác nhau.

- Sè bËc tù do (DOF)

- Tốc độ chuyển động tịnh tiến

- Tốc độ chuyển động quay

Độ chính xác lặp là một trong những chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng nhất của rôbốt Độ chính xác lặp càng cao, khả năng ứng dụng của rôbốt càng mở rộng, đặc biệt trong các lĩnh vực yêu cầu độ chính xác cao như lắp ráp, kiểm tra chất lượng sản phẩm, gia công chính xác và hàn các linh kiện vi mạch.

Rôbốt thường gặp hai loại sai số: sai số định vị và sai số định hướng Sai số định vị liên quan đến vị trí của rôbốt trong không gian ba chiều (X, Y, Z), trong khi sai số định hướng liên quan đến góc quay của rôbốt quanh ba trục OX, OY và OZ Các sai số này phụ thuộc nhiều vào cấu trúc của rôbốt, với rôbốt có ba khớp quay thường có độ chính xác thấp nhất Việc lắp đặt cảm biến để xác định sai số của rôbốt gặp khó khăn do không có cảm biến đo góc định hướng, và hiện tại, các sai số chỉ được xác định qua cảm biến vị trí Phương pháp hiện tại sử dụng khối hộp lập phương làm mẫu đo, so sánh với một âm bản trong hệ tọa độ cố định Sai số xuất hiện khi rôbốt định vị mẫu đến vị trí xác định trước, do sự thay đổi trong không gian làm việc Để xác định 6 thông số tương ứng với 6 bậc tự do (DOF), cần ít nhất 6 cảm biến vị trí.

Giá trị khoảng cách từ một điểm cố định trên hệ tọa độ đến điểm cuối của robot là 36 Mục tiêu của chúng ta là xác định các sai số về vị trí và định hướng của robot dựa trên thông tin thu nhận từ các cảm biến.

Rôbôt trong quá trình dịch chuyển từ vị trí này đến vị trí khác trong không gian làm việc của nó thờng có hai loại sai số (Hình 2.1):

- Sai số về vị trí : ε ε ε x , , y z

Hình 2.1 Sai số định vị và định hớng của robot công nghiệp 2.2 Khái niệm về độ chính xác, độ chính xác lặp và độ phân giải

Trong lĩnh vực đo lường vật lý, độ chính xác là một khái niệm quen thuộc Độ chính xác được định nghĩa là giá trị nhỏ nhất trên thang đo mà thiết bị đo có khả năng nhận biết.

*Độ chính xác của rôbôt: là khả năng rôbôt có thể chuyển động chính xác đến vị trí yêu cầu

Độ chính xác là một khái niệm quan trọng trong đo lường, thường được áp dụng cho các thiết bị thông thường Tuy nhiên, đối với robot, khái niệm này được mở rộng thành độ chính xác định vị, phản ánh khả năng của robot trong việc xác định vị trí chính xác trong không gian.

Độ chính xác định vị (positioning accuracy) thể hiện khả năng của đối tượng trong việc đạt đến điểm đích với độ chính xác cao, ảnh hưởng lớn đến sự thao tác chính xác của phần công tác và khả năng bám quỹ đạo Đối với các thiết bị điều khiển số, độ chính xác này liên quan đến hai thông số chính: độ phân giải điều khiển (control resolution) và độ lặp lại (repeatability) Tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ, các rôbốt thường có độ chính xác định vị trong khoảng +/- (0,02 đến 5) mm.

Hình 2.2 Phân bố robot theo độ chính xác định vị

Hình 2.2 cho thấy 70% số rôbốt có sai số định vị không quá +/-1 mm Với công nghệ máy tính và thiết bị điều khiển hiện đại, việc giảm sai số định vị xuống dưới +/-0,05 mm không còn là thách thức lớn về kinh tế và kỹ thuật Hiện nay, rôbốt có loại điều khiển thích nghi, phù hợp cho các công việc yêu cầu độ chính xác cao như tìm kiếm, nhận biết đối tượng, thay đổi lực kẹp, và định vị Rôbốt điều khiển thích nghi có khả năng tự phản ứng trước biến động môi trường, nhờ vào hệ thống cảm biến thu thập thông tin và bộ xử lý phân tích dữ liệu trong quá trình hoạt động.

38 điều khiển rôbôt sẽ phân tích thông tin thu đợc và ra quyết định chiến lợc nhất định

Hình 2.3 Cơ cấu thích nghi của robot lắp ráp HI-T-Hand Expert-2

Hình 2.3 trên mô tả hoạt động của cơ cấu thích nghi trên rôbôt kiểu HI-T-

Hand Expert 2 của Hitachi (Nhật Bản) là thiết bị lý tưởng để lắp ráp hai chi tiết tròn xoay với nhau Sản phẩm này cho phép lắp đặt với khoảng khe hở lên đến 20mm, mang lại hiệu quả và độ chính xác cao trong quá trình lắp ráp.

Độ chính xác nhắc đến thường được áp dụng cho các thiết bị đo thông thường, trong khi đó, đối với các thiết bị đo hiện đại sử dụng cảm biến, khái niệm độ chính xác lặp lại trở nên phổ biến hơn.

*Độ chính xác lặp:là khả năng robot có thể trở về vị trí trớc đó trong không gian làm việc của robot

Độ phân giải là giá trị nhỏ nhất có thể thay đổi đáp ứng của hệ thống đo Đối với rôbốt, độ chính xác lặp là hành trình nhỏ nhất mà rôbốt có thể thực hiện Cụ thể, độ chính xác lặp đo khả năng di chuyển lặp lại đến cùng một vị trí của rôbốt Hình 2.4 sẽ giúp làm rõ sự khác biệt giữa hai khái niệm này.

Hình 2.4 Tơng quan giữa độ chính xác và độ chính xác lặp

2.3 Các chỉ tiêu đánh giá chất lợng robot theo ISO 9238

Đánh giá chất lượng của rôbốt đã được nghiên cứu từ lâu và hiện có nhiều phương pháp khác nhau trên thế giới Theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 9238, các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của rôbốt bao gồm các thông số cơ bản như độ chính xác, độ tin cậy và khả năng hoạt động.

+ Độ chính xác định vị đơn hớng và độ chính xác lặp

+ Phơng sai độ chính xác đa hớng

+ Thời gian định vị và ổn định

+ Độ chính xác khoảng cách và độ chính xác lặp của khoảng cách

+ Đặc tính quá độ trong định vị

+ Độ chính xác quỹ đạo và độ chính xác lặp của quỹ đạo

+ Thời gian định vị tối thiểu

+ Khả năng tự lựa tĩnh

+ Các đặc tính của đờng tốc độ

Tiêu chuẩn này không yêu cầu các nhà sản xuất phải đánh giá chất lượng theo nó, nhưng họ cần khẳng định tính chính xác của các chỉ tiêu khi xuất xưởng robot Dựa vào tiêu chí của tiêu chuẩn quốc tế ISO 9238, có thể xác định các chỉ tiêu cần thiết để đánh giá cho các ứng dụng công việc khác nhau.

2.4 Các phơng pháp đánh giá độ chính xác lặp

Trên thế giới hiện nay, có nhiều phương pháp đánh giá độ chính xác lặp của robot, chủ yếu sử dụng một khối hộp chuẩn gắn trên đầu robot và định vị nó với một khối âm bản cố định trong không gian làm việc Sai lệch về vị trí và hướng của khối hộp so với khối âm bản sẽ phản ánh sai lệch về định vị và định hướng của robot, có thể được xác định qua các cảm biến vị trí hoặc camera độ phân giải cao Các cảm biến thường được sử dụng bao gồm cảm biến quang điện, laser, cảm biến điện từ, cảm biến điện dung, cảm biến tiếp xúc dạng biến trở, và các đầu đo có bộ chuyển đổi tín hiệu Thông thường, từ 3 đến 6 cảm biến được sử dụng trong các phương pháp này Độ chính xác lặp của robot phụ thuộc vào nhiều yếu tố như vị trí của các điểm đánh giá trong không gian làm việc, tải trọng, tốc độ di chuyển và vị trí của các cảm biến.

Có nhiều phương pháp đo độ chính xác lặp khác nhau, mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng và có khả năng đánh giá độ chính xác lặp Dưới đây là một số phương pháp phổ biến được sử dụng trên toàn thế giới để đánh giá độ chính xác lặp.

Các chỉ tiêu đánh giá chất lợng robot theo ISO 9238

Đánh giá chất lượng của rôbôt đã được nghiên cứu từ lâu và hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau trên thế giới Theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 9238, các chỉ tiêu đánh giá chất lượng của rôbôt bao gồm các thông số cơ bản như độ chính xác, độ tin cậy và khả năng hoạt động.

+ Độ chính xác định vị đơn hớng và độ chính xác lặp

+ Phơng sai độ chính xác đa hớng

+ Thời gian định vị và ổn định

+ Độ chính xác khoảng cách và độ chính xác lặp của khoảng cách

+ Đặc tính quá độ trong định vị

+ Độ chính xác quỹ đạo và độ chính xác lặp của quỹ đạo

+ Thời gian định vị tối thiểu

+ Khả năng tự lựa tĩnh

+ Các đặc tính của đờng tốc độ

Tiêu chuẩn không yêu cầu các nhà sản xuất phải đánh giá chất lượng theo nó, nhưng họ cần khẳng định tính chính xác của các chỉ tiêu công bố khi xuất xưởng robot Dựa vào tiêu chí của tiêu chuẩn quốc tế ISO 9238, có thể xác định các chỉ tiêu cần thiết để đánh giá cho các ứng dụng công việc khác nhau.

Các phơng pháp đánh giá độ chính xác lặp

Trên thế giới hiện nay, có nhiều phương pháp đánh giá độ chính xác lặp của robot, chủ yếu sử dụng một khối hộp chuẩn gắn trên đầu cuối của robot trong không gian làm việc Khối hộp này được định vị so với một khối âm bản cố định, và sai lệch về vị trí cùng hướng của khối hộp trong quá trình đo sẽ cho biết sai lệch về định vị và định hướng của robot Để xác định các sai lệch này, có thể sử dụng cảm biến vị trí hoặc camera có độ phân giải cao, với các loại cảm biến phổ biến như cảm biến quang điện, laser, điện từ, điện dung, và cảm biến tiếp xúc Các phương pháp này thường sử dụng từ 3 đến 6 cảm biến, và độ chính xác lặp của robot phụ thuộc vào nhiều yếu tố như vị trí của các điểm đánh giá, tải trọng, tốc độ dịch chuyển, và vị trí của các cảm biến.

Có nhiều phương pháp khác nhau để đo độ chính xác lặp, mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng và có khả năng đánh giá độ chính xác lặp Dưới đây là một số phương pháp phổ biến đã được áp dụng trên toàn cầu để đánh giá độ chính xác lặp.

Phương pháp đo độ chính xác lặp của Brethe được áp dụng để đánh giá độ chính xác lặp của robot Kuka IR364, sử dụng chỉ 3 cảm biến (hình 2.5).

Hình 2.5 Hệ thống đo của Brethe

Trong hệ thống của Brethe, ba đồng hồ so Mitoyo với độ chính xác nhỏ hơn 3µm và độ phân giải đạt 1µm được sử dụng, kết nối trực tiếp với máy tính qua cổng RS232 Chương trình lập trình bằng Visual Basic cho phép lưu trữ dữ liệu đo và ghi dưới dạng bảng tính Excel Ba cảm biến được lắp đặt trùng vào ba trục đo tương ứng với ba trục tọa độ, cho phép đánh giá độ chính xác lặp về vị trí nhưng chưa thể đánh giá độ chính xác lặp về góc Để xác định sai lệch góc, Brethe áp dụng cơ cấu chuyển động tịnh tiến để di chuyển giá cố định đến vị trí mới khi robot đứng yên, từ đó xác định sai số góc so với phương thẳng đứng của khối hộp.

Hệ thống xác định sai số góc của Brethe gặp khó khăn trong việc đảm bảo độ chính xác, vì môđun tịnh tiến phải hoàn toàn vuông góc với trục thẳng đứng OZ trong hệ tọa độ gốc của robot.

Hệ thống đo lường của Koseki sử dụng camera CCD laser micrometer để xác định sai số vị trí của mẫu đo thông qua hình ảnh vật thể, như thể hiện trong hình 2.7 Công nghệ này cho phép đo chính xác và hiệu quả, cải thiện độ tin cậy trong quá trình phân tích.

Micrometer 43 được sử dụng là loại VG 035/300 từ hãng KEYENCE, Osaka, Nhật Bản Phương pháp này cho phép xác định chính xác cả sai số vị trí và sai số góc, tuy nhiên, chi phí thiết bị rất cao.

Phương pháp Shiakolas sử dụng mẫu chi tiết chuẩn hình trụ với các lỗ khoan có đường kính khác nhau Cảm biến đo lực được gắn trên cơ cấu kẹp của robot, cho phép robot định vị chính xác vào vị trí cần đo Thiết bị đo 3D với đầu đo tiếp xúc sẽ thực hiện việc đo vị trí các lỗ, cung cấp số liệu về vị trí và góc lệch theo ba phương.

Hình 2.8 Phơng pháp đo của Shiakolas dùng cảm biến lực, đầu đo tiếp xúc

Kết luận: Các phương pháp đo hiện nay sử dụng cảm biến lực, đầu đo tiếp xúc và camera độ phân giải cao mang lại độ chính xác cao, nhưng lại phức tạp và tốn kém, không phù hợp với điều kiện nước ta Do đó, hệ thống đo được áp dụng ở đây là phương pháp đo kinh điển, xác định vị trí của khối lập phương mẫu so với âm bản tại vị trí cố định Chúng tôi sử dụng cảm biến không tiếp xúc giá rẻ (240 USD/chiếc), giúp loại bỏ ảnh hưởng của mài mòn và rung động, từ đó giảm thiểu sai số trong quá trình đo.

Chọn phơng pháp đo

Hệ thống đo mà chúng tôi chọn áp dụng là phương pháp đo vị trí của khối lập phương mẫu so với âm bản tại một vị trí cố định Chúng tôi xem xét các yếu tố liên quan để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong quá trình đo lường.

Hệ tọa độ điểm cuối của robot được xác định với tâm của khối hộp, nhằm mục đích xác định vị trí của khối hộp mẫu và tướng tráng cho hệ tọa độ Việc này tương đương với việc xác định vị trí của ba mặt phẳng trong hệ tọa độ điểm cuối của robot so với hệ tọa độ cố định.

Khi rô bốt di chuyển, việc xác định vị trí mới của hệ tọa độ điểm cuối có thể được thực hiện thông qua các ma trận chuyển vị.

X = T, với X0 là véctơ vị trí trong hệ tọa độ gốc và Xn là véctơ vị trí trong hệ tọa độ của bậc tự do thứ 6 Ma trận chuyển vị được sử dụng để thể hiện mối quan hệ giữa các véctơ vị trí này.

Ma trận A 06 là ma trận chuyển vị góc, trong khi L 06 là ma trận chuyển vị của tọa độ điểm gốc O 0 trong không gian hệ tọa độ điểm cuối R 6 Để xác định sai số về vị trí và định hướng của robot, cần so sánh tọa độ của 6 điểm trên khối hộp với hệ tọa độ cố định Khối hộp mẫu có 6 bậc tự do, do đó, cần tối thiểu 6 cảm biến vị trí để xác định sai số Việc xác định vị trí của khối hộp mẫu trong mỗi lần định vị của robot có thể thực hiện qua nhiều phương án bố trí cảm biến khác nhau, mỗi cách bố trí đều ảnh hưởng đến kết quả đo và độ chính xác lặp lại sau này.

Trong các ứng dụng của robot, điều quan trọng không phải là vị trí cuối cùng của robot trong hệ tọa độ gốc, mà là vị trí của điểm cuối so với một hệ tọa độ cố định trong không gian làm việc Hệ tọa độ này thường được thể hiện bằng âm bản của một khối hộp mẫu Khi robot đạt được vị trí yêu cầu, khối hộp mẫu sẽ được di chuyển đến một vị trí trong không gian làm việc, từ đó cho phép so sánh với khối âm bản Theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 9238, khung của khối hộp mẫu phải nằm trong không gian làm việc của robot và đáp ứng các yêu cầu nhất định.

+ Khối lập phơng phải đợc đặt trong khoảng không gian nơi mà rôbôt thờng xuyên làm việc trong trờng công tác của nó

+ Khối lập phơng có kích thớc đủ lớn và nó có những cạnh phải song song với những khung cơ sở của rôbôt

2.6 Chọn phơng án bố trí cảm biến trong hệ thống đo.

* Phơng án sử dụng 3 cảm biến

Phương án này áp dụng ba cảm biến được bố trí theo ba trục tọa độ cố định trong không gian làm việc của robot, nhằm tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Các loại cảm biến có thể được sử dụng bao gồm cảm biến quang, cảm biến siêu âm và cảm biến hồng ngoại.

- Các cảm biến dạng tiếp xúc: biến trở con chạy, phần tử áp điện.

- Các cảm biến không tiếp xúc: cảm biến điện từ, điện dung, siêu âm, quang điện hay cảm biến laser

Nhóm cảm biến đầu tiên có độ chính xác thấp và độ tin cậy không cao do tiếp xúc trực tiếp với bề mặt đo, dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu, đặc biệt là nhiễu cơ học Trong khi đó, các cảm biến có độ chính xác cao thường có giá từ 300 trở lên.

Nhóm cảm biến thứ hai có khả năng loại trừ nhiễu cơ học và đạt độ chính xác cao, nhưng thường có giá thành khá đắt Các loại cảm biến như điện từ, điện dung và laze thường cần đi kèm với bộ xử lý tín hiệu, với giá mỗi bộ cảm biến dao động từ 2000 đến 6000 USD.

Phương án bố trí ba cảm biến cho phép xác định sai lệch vị trí theo ba phương khác nhau, với giả thiết rằng sai lệch góc là rất nhỏ và không ảnh hưởng đáng kể đến kết quả đo.

Trong đó X Y Z 0 , , 0 0 là các giá trị ban đầu (OFFSET) và X, Y, Z là các giá trị đợc đo bởi 3 cảm biến

Sau khi tiến hành đo với một số lần nhất định, số liệu đợc xử lý bằng phơng pháp thống kê và kết quả sẽ có dạng:

Với σ σ σ là phơng sai của kết quả đo và x , , y z X Y Z a , , a a là các giá trị cơ sở Các giá trị này có thể bằng hoặc khác với X Y Z 0 , , 0 0

* Phơng án sử dụng 6 cảm biến ( bố trí dạng 3-2-1 )

Theo phương án này, các cảm biến được gắn trên ba mặt phẳng của hệ tọa độ cố định XYZ, với tọa độ điểm cuối của robot X1Y1Z1 trùng khớp với các cạnh của khối lập phương.

Giả sử toạ độ ban đầu của các cảm biến lần lợt là:

S1(Xs1 , Ys1 , Zs1); S2(Xs2 , Ys2 , Zs2); S3(Xs3 , Ys3 , Zs3); S4(Xs4 , Ys4 , Zs4); S5(Xs5 , Ys5 , Zs5); S6(Xs6 , Ys6 , Zs6);

Giả sử các cảm biến S1, S2, S3 được bố trí trên mặt phẳng XOZ; S4, S5 trên mặt phẳng XOY và S6 trên mặt phẳng YOZ Các cảm biến này đo được các giá trị lần lượt là a, b, c, d, e, f Tọa độ của các điểm đo được trong hệ tọa độ OXYZ lần lượt là:

1(Xs1 , Ys1+a , Zs1); 2(Xs2 , Ys2 +b , Zs2); 3(Xs3 , Ys3 +c , Zs3); 4(Xs4 , Ys4 , Zs4+d); 5(Xs5 , Ys5 , Zs5+e); 6(Xs6 +f , Ys6 , Zs6);

Các điểm 1,2,3 xác định vị trí của mặt phẳng X1O1Z1 Ta có thể dễ dàng tìm ra phơng trình pháp tuyến n1 của mặt phẳng dới dạng:

Trong đó u u  12 ,  23 là các véc tơ chỉ phơng đi qua các điểm (1,2) và (1,3)

Phơng trình pháp tuyến của mặt phẳng X1O1Z1 sẽ có dạng:

Phơng trình mặt phẳng này có dạng:

Hình 2.9 Phơng án sử dụng 6 cảm biến (3-2- 1)

Mặt phẳng X1O1Y1 được xác định bởi hai cảm biến 4 và 5, với véc tơ chỉ phương u  2 = n  1 do hai mặt phẳng này vuông góc với nhau Véc tơ pháp tuyến của mặt phẳng X1O1Y1 có dạng n  2 = u u  45  2.

Véc tơ pháp tuyến đợc đa về dạng:

Phơng trình mặt phẳng X1O1Y1 sẽ là:

Mặt phẳng X1O1Y1 được xác định bởi hai véc tơ pháp tuyến từ hai mặt phẳng có phương trình (2 1) và (2 2), cùng với vị trí của cảm biến 6 Phương trình pháp tuyến của mặt phẳng này có dạng: n  3 = n n   1 2 = ( , A B C 3 3 , 3 ).

Phơng trình mặt phẳng này sẽ là:

( x X − s − f A ) + ( y Y − s ) B ( + z Z − s ) C = 0 - (2 3) Nh vậy vị trí của hệ tọa độ điểm cuối đã đợc xác định so với vị trí của hệ tọa độ cố định

2.7 Xác định các vị trí tơng quan

2.7.1 Xác định sai lệch vị trí theo 3 phơng XYZ của khối hộp:

Từ 3 phơng trình mặt phẳng (2 1), (2 2) và (2 3) ta có hệ phơng trình:- - -

Giải hệ phơng trình này bằng MATLAB ta có ngay:

Trờng hợp giải thông thờng ta có thể đặt:

Sai lệch vị trí trên 3 trục sẽ đợc xác định lần lợt là:

  Với x y z 0 , , 0 0 là tọa độ ban đầu của điểm cuối của robot trong hệ tọa độ so sánh

2.7.2 Xác định sai lệch góc:

* Trờng hợp chỉ quay quanh trục O1 X1 một góc θ x :

( ) cos( ) ( )sin( ) ( ) cos( ) ( )sin( ) x x x x x x const y y y z z z z z y y θ θ θ θ

* Trờng hợp chỉ quay quanh trục O1 Y1 một góc θ y :

( ) cos( ) ( )sin( ) ( ) cos( ) ( )sin( ) y y y y x x x z z y y const z z z x x θ θ θ θ

* Trờng hợp chỉ quay quanh trục O1 Z1 một góc θ z :

( ) cos( ) ( )sin( ) ( ) cos( ) ( ) sin( ) z z z z x x x y y z y y x x z z const θ θ θ θ

= * Trờng hợp quay quanh cả 3 trục với 3 góc lần lợt là θ θ θ x ; ; y z :

0 1 0 sin( ) 0 cos( ) cos( ) sin( ) 0 sin( ) cos( ) 0

Vì các góc θ θ θ rất nhỏ nên ta có: x ; ; y z sin( ) 0 1 sin( ) 1 sin( ) sin( ) sin( ) 1 y x y z z x y x

Nh vậy ta sẽ có:

Chơng 3 thiết kế hệ thống đo-

3.1 Nguyên lý của hệ thống đo

Hệ thống đo đạc được thiết kế độc lập với robot, bao gồm card ADC 12bits kết hợp giữa bộ vi xử lý dspic 4012 và chip ADC MCP3208 Cảm biến khoảng cách sử dụng loại điện từ không tiếp xúc LD701/5 Card ADC có nhiệm vụ đọc, xử lý tín hiệu và truyền về máy tính 2 giá trị điện áp từ 6 cảm biến qua cáp COM-US khi có yêu cầu Phần mềm điều khiển và thu thập dữ liệu được lập trình bằng C# trên Visual Studio 2008, cho phép cài đặt thông số truyền thông, đọc và xử lý tín hiệu với độ phân giải 1mmV Kết quả đo hiển thị dạng số trên textbox và được lưu vào file Excel.

Xác định các vị trí tơng quan

2.7.1 Xác định sai lệch vị trí theo 3 phơng XYZ của khối hộp:

Từ 3 phơng trình mặt phẳng (2 1), (2 2) và (2 3) ta có hệ phơng trình:- - -

Giải hệ phơng trình này bằng MATLAB ta có ngay:

Trờng hợp giải thông thờng ta có thể đặt:

Sai lệch vị trí trên 3 trục sẽ đợc xác định lần lợt là:

  Với x y z 0 , , 0 0 là tọa độ ban đầu của điểm cuối của robot trong hệ tọa độ so sánh

2.7.2 Xác định sai lệch góc:

* Trờng hợp chỉ quay quanh trục O1 X1 một góc θ x :

( ) cos( ) ( )sin( ) ( ) cos( ) ( )sin( ) x x x x x x const y y y z z z z z y y θ θ θ θ

* Trờng hợp chỉ quay quanh trục O1 Y1 một góc θ y :

( ) cos( ) ( )sin( ) ( ) cos( ) ( )sin( ) y y y y x x x z z y y const z z z x x θ θ θ θ

* Trờng hợp chỉ quay quanh trục O1 Z1 một góc θ z :

( ) cos( ) ( )sin( ) ( ) cos( ) ( ) sin( ) z z z z x x x y y z y y x x z z const θ θ θ θ

= * Trờng hợp quay quanh cả 3 trục với 3 góc lần lợt là θ θ θ x ; ; y z :

0 1 0 sin( ) 0 cos( ) cos( ) sin( ) 0 sin( ) cos( ) 0

Vì các góc θ θ θ rất nhỏ nên ta có: x ; ; y z sin( ) 0 1 sin( ) 1 sin( ) sin( ) sin( ) 1 y x y z z x y x

Nh vậy ta sẽ có:

Chơng 3 thiết kế hệ thống đo-

Nguyên lý của hệ thống đo

Hệ thống đo đạc được thiết kế độc lập với hệ thống robot, bao gồm phần cứng là card ADC 12 bits kết hợp giữa bộ vi xử lý dspic 4012 và chip ADC MCP3208 Các cảm biến khoảng cách sử dụng loại cảm biến điện từ không tiếp xúc LD701/5 Card ADC có chức năng đọc, xử lý tín hiệu và truyền về máy tính hai giá trị điện áp từ sáu cảm biến qua cáp COM-US khi có yêu cầu Phần mềm điều khiển và thu thập dữ liệu được phát triển bằng ngôn ngữ C# trên nền Visual Studio 2008, cho phép cài đặt thông số truyền thông, đọc và xử lý tín hiệu điện áp với độ phân giải 1mmV Kết quả đo được hiển thị dưới dạng số trên các textbox và toàn bộ giá trị đo được lưu vào file Excel.

Phương pháp đo bắt đầu bằng việc đưa robot đến một vị trí xác định trong không gian Sau đó, tiến hành gá và điều chỉnh giá đỡ của hệ thống cảm biến, tức là hệ tọa độ so sánh Khởi động phần mềm đo để thực hiện lần đo đầu tiên, từ đó lấy giá trị ban đầu gọi là giá trị offset Để thực hiện đo, robot được gọi đến vị trí đo và nhấn nút Measure trên phần mềm để gửi tín hiệu và thực hiện đo Giá trị đo trên mỗi kênh sẽ được hiển thị dưới dạng số trên phần mềm Sau khi hoàn tất, robot sẽ trở về vị trí ban đầu và tiếp tục thực hiện các lần đo tiếp theo Cuối cùng, dữ liệu đo được sẽ được lưu lại vào file Excel để đánh giá độ chính xác lặp.

Thiết kế hệ thống đo

Card ADC được thiết kế chuyên dụng cho hệ thống đo với 6 cảm biến khoảng cách đầu vào Sản phẩm này sử dụng bộ vi xử lý tốc độ cao dsPic 4012 và chip ADC 12 bits MCP3208, cho phép đạt độ phân giải 1mmV Kết quả đo được truyền về máy tính qua cổng RS232.

Sơ đồ khối Card ADC: gồm 4 phần chính là môđun ADC, Khối xử lý trung tâm, khối giao tiếp UART và khối nguồn

Hình 3.1 Sơ đồ khối của Card ADC

Môđun ADC sử dụng chip MCP3208, cho phép chuyển đổi tín hiệu analog thành digital với 8 kênh vào và giao tiếp với CPU qua giao thức SPI Các đầu vào analog được tối ưu hóa nhờ sử dụng bộ khuếch đại thuật toán LM358, giúp điều chỉnh trở kháng hiệu quả.

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý khối ADC

Khối xử lý trung tâm sử dụng chip dsPic 4012 với tốc độ cao, có khả năng điều khiển và đọc giá trị biến đổi ADC dạng nối tiếp từ MCP3208, sau đó gửi dữ liệu về máy tính qua giao tiếp UART.

Hình 3.3 Khối vi xử lý trung tâm dsPic 4012

*Mô đun giao tiếp UART: sử dụng IC Max232 là cầu nối giữa vi xử lý và máy tính trong quá trình truyền nhận dữ liệu

Hình 3.4 Khối giao tiếp máy tính RS232

* Khối nguồn: Bao gồm nguồn 24V cung cấp cho các cảm biến và nguồn 5V cho mạch ADC

Hình 3.6 Sơ đồ mạch in card ADC

Thuật toán đọc và gửi tín hiệu của vi xử lý dsPic 4012

Sơ đồ thuật toán đọc và gửi dữ liệu từ Card ADC được trình bày trong Hình 3.8 Mã nhúng cho dsPic 4012 cho phép đọc và truyền dữ liệu lên máy tính, chi tiết có thể tham khảo trong phần phô lôc.

3.2.2 Phần mềm điều khiển và thu thập dữ liệu

Phần mềm điều khiển đợc thiết kế bằng ngôn ngữ C# trên nền Visual Studio

Phần mềm điều khiển phát triển vào năm 2008 có khả năng thu nhận dữ liệu điện áp từ 6 cảm biến thông qua card ADC, sau đó chuyển đổi và hiển thị dữ liệu dưới dạng số, đồng thời đánh dấu sai số trên đồ thị cho mỗi lần đo Card ADC chỉ thực hiện việc đo và gửi tín hiệu về máy tính khi nhận được lệnh cho phép từ phần mềm Dữ liệu từ mỗi lần đo sẽ được lưu trữ trong một file Excel để phục vụ cho việc đánh giá độ chính xác lặp lại của robot.

Thuật toán điều khiển từ phần mềm:

Hình 3.9 Thuật toán thu thập và xử lý dữ liệu C#

Hình 3.10: Giao diện hệ thống đo độ chính xác lặp

Cảm biến

Phân loại cảm biến

Có thể phân loại cảm biến dựa vào hai chỉ tiêu là theo công dụng và theo quan hệ giữa cảm biến với đại lợng cần đo

3.3.1.1 Phân loại theo công dụng :

- Cảm biến thành phần hoá học.

3.3.1.2 Phân loại theo quan hệ giữa cảm biến với đại lợng cần đo

Cảm biến tiếp xúc là thiết bị được lắp đặt trực tiếp lên đại lượng cần đo, phát ra tín hiệu tương ứng với đại lượng vật lý có liên quan Các loại cảm biến này có thể bao gồm nhiều dạng khác nhau, tùy thuộc vào ứng dụng và yêu cầu đo lường cụ thể.

• Tensiometer: dùng để đo lực, áp lực thông qua biến dạng

• Biến trở con chạy: dùng để đo vị trí góc hay độ dịch chuyển thẳng.-

• Biến áp vô cấp: dùng để đo dịch chuyển

• Nhiệt điện trở: dùng để đo nhiệt độ

• Các công tắc cực nhỏ: dùng để xác định trạng thái của máy, thiết bị

• Cảm biến đo lu lợng dùng điều khiển chất lỏng hay chất khí

• Cảm biến đo lực, áp lực dùng trong các hệ thống điều khiển lực, áp lực

• Cảm biến đo t nh phần hoá học: dùng pha chế các hợp chất hoá học.hà

Cảm biến không tiếp xúc là thiết bị có khả năng đo đạc các đại lượng mà không cần tiếp xúc trực tiếp Các loại cảm biến này bao gồm nhiều dạng khác nhau, giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong quá trình đo lường.

• Cảm biến điện từ đo khoảng cách nhỏ, phát hiện sự hiện diện

• Các cảm biến điện dung

• Các cảm biến quang học đo khoảng cách, phát hiện sự hiện diện

• Các cảm biến siêu âm đo khoảng cách, phát hiện sự hiện diện

• Các cảm biến laze đo khoảng cách

• Các cảm biến tốc độ, gia tốc

• Cảm biến encoder đo vị trí góc

• Cảm biến resolver đo vị trí góc.

• Cảm biến synchro đo vị trí góc

• Các máy phát tacho mét đo tốc độ.-

• Các cảm biến sử dụng hiệu ứng Doppler đo tốc độ (ứng dụng đo các phơng tiện giao thông)

• Các cảm biến sử dụng hiệu ứng Hall đo vị trí

• Các camera nhận dạng các chi tiết, vật thể

• Thiết bị đọc mã vạch để nhận dạng các thông chứa trên mã vạch

• Thiết bị xác định toạ độ máy để xác định biên dạng chi tiết.

Các thông số đặc trng của cảm biến

Miền đo là khoảng giá trị được xác định bởi giá trị cực đại và cực tiểu của đại lượng cần đo, trong đó cảm biến có khả năng phân biệt các giá trị này đồng thời vẫn đảm bảo độ tuyến tính cần thiết.

- Độ phân giải: là sự thay đổi lớn nhất của giá trị đo mà không làm thay đổi giá trị đầu ra của cảm biến

- Độ chính xác: là sự thay đổi nhỏ nhất của đại lợng cần đo thể hiện đợc trên đầu ra của cảm biến

Độ chính xác lặp là giá trị phản ánh khả năng lặp lại của cảm biến, cho biết miền giá trị đầu ra mà người sử dụng có thể nhận được khi cảm biến đo cùng

- Độ tuyến tính: là giá trị nói lên độ chính xác về quan hệ tuyến tính của đầu ra so với đầu vào

- Tốc độ đáp ứng của cảm biến: cho biết tín hiệu ra có theo kịp sự thay đổi của đại lợng đợc đo hay không.

Cảm biến sử dụng trong hệ thống đo

Cảm biến vị trí sử dụng là cảm biến điện từ không tiếp xúc LD701

(hình 3.5) với các thông số kỹ thuật nh sau:

- Độ chính xác lặp 0,001 mm

Hình 3.11: Cảm biến điện từ không tiếp xúc LD701 2/5 mm

Cảm biến này tích hợp mạch khuyếch đại bên trong, cho phép hoạt động như một cảm biến vị trí thông thường mà không cần thiết bị điều khiển kèm theo Tuy nhiên, độ chính xác của nó không cao bằng đầu cảm biến EX416 của Keyence hay đầu cảm biến của Micro Epsilon, và nếu thay thế các đầu cảm biến này, độ chính xác lặp lại của hệ thống sẽ được cải thiện đáng kể Cảm biến từ hai thương hiệu này có thể đạt độ chính xác dưới 1 micromet, nhưng giá thành rất cao, với chi phí trên 3000 USD cho một đầu cảm biến và một bộ điều khiển.

Nguồn điện cấp cho cảm biến là nguồn điện áp một chiều 24 đợc thiết kế trên card ADC.

Hiệu chuẩn cảm biến (Calibration)

Để xác định đường đặc tính của cảm biến, cần tiến hành hiệu chuẩn các cảm biến này bằng đầu Digimax Head của Mitoyo có độ phân giải 1 m Nguồn cấp điện áp sử dụng là 24 VDC, và khoảng cách đo được điều chỉnh là 1 mm Điện áp ra được đo từng bước dịch chuyển tương ứng với 50 μm Cảm biến điện từ không tiếp xúc LD701 có khoảng đo cực đại là 5 mm, và đường đặc tính của cảm biến được thể hiện trong hình 3.7.

Hình 3.12: Thiết bị đo dịch chuyển Micro Digimax Head của Mitoyo

Hình 3.13: Đờng đặc tính của cảm biến LD701

62 Độ phân giải của cảm biến hoàn toàn đáp ứng nhu cầu đo đối với các rôbôt có độ chính xác lặp ≥ 0.1 mm

Các cảm biến được lắp đặt trên giá đỡ, đóng vai trò là hệ tọa độ cố định để so sánh trong hệ thống đo nhấn Giá đỡ này mang một âm bản của khối hộp và được bố trí 6 cảm biến LD701 theo phương án 3-2-1.

Hình 3.14: Giá đỡ hệ thống cảm biến

Dữ liệu đo đợc trên cả sáu kênh đợc ghi vào một tệp lu trữ dữ liệu dới dạng bảng Microsoft Access nh hình 3.10 sau:

Hình 3.15: Bảng dữ liệu hệ thống đo thu đợc trên 6 kênh

Với bảng số liệu này ta sẽ tiến hành xử lý để đánh giá độ chính xác lặp của rôbôt Staubli-TX40

Tiêu chuẩn đánh giá và xử lý kết quả

Tiêu chuẩn đánh giá

Để đo độ chính xác lặp của robot theo tiêu chuẩn ISO 9238, cần thực hiện các phép đo tại tốc độ và tải trọng lớn nhất Dưới đây là một số bước cơ bản để tiến hành đo lường.

1 Chạy rà robot để làm nóng các bộ phận nh động cơ, bánh răng đạt tới nhiệt độ dới nhiệt độ thông thờng là 71F

2 Gửi các lệnh nh nhau để đa robot tới vị trí xác định trong không gian làm việc

3 Đo vị trí đến của robot bằng phơng pháp đo đã chọn.

Dới đây là tính toán sử dụng dữ liệu thu đợc:

Với N là số lần đo, Vị trí yêu cầu là ( X Y Z c , , c c )Vị trí đạt đợc là ( X Y Z r , , r r )

Và độ lặp vị trí sẽ là: RP l = + l 3* S l

Theo lý thuyết sắc xuất thống kê, để sử dụng công thức này thì vị trí của robot có khoảng 99,8 % nằm trong vùng lặp.

Các bớc đo và xử lý kết quả đo

Để thực hiện đánh giá độ chính xác lặp của robot dựa vào kết quả đo từ 6 cảm biến trớc hết ta có nhận xét sau:

Đánh giá độ chính xác lặp của robot TX40 được thực hiện theo tiêu chuẩn ISO 9238-1998, trong đó độ chính xác lặp được xem xét chung cho cả ba phương Sai số định vị cho từng phương sẽ được tính toán và trình bày dưới dạng đồ thị để dễ dàng theo dõi và phân tích.

- Do sử dụng 6 cảm và bố trí theo dạng 3-2-1 nên ta coi sai số theo 3 phơng là trung bình của các cảm biến bố trí cùng phơng

* Các bớc tiến hành đo thu thập dữ liệu:

- Gá khối âm bản và định vị, gắn khối lập phơng lên vị trí tay kẹp của robot

- Kết nối máy tính với card và hệ thống cảm biến Khởi động phần mềm thu thập dữ liệu

- Khởi động hệ thống và định vị lại khối âm bản nằm trong không gian làm việc của robot

- Chạy rà robot sau một vài lần tới vị trí định vị.

Thực hiện đo lấy dữ liệu với các tốc độ lần lượt là 5%, 20%, 40%, 60% và 80% cho ba trường hợp tải trọng 0g, 500g và 1000g Mỗi cặp tốc độ và tải trọng được thực hiện 20 lần đo Kết quả đo từ 6 cảm biến sau mỗi quá trình được lưu vào một file Excel, phản ánh giá trị điện áp gửi về từ cảm biến Để xác định vị trí của khối hộp, chúng tôi sử dụng đường đặc tính của cảm biến để lấy các hệ số nhân tương ứng.

Hình 4.1 Lắp đặt và định vị hệ thống đo

Hình 4.2 Vị trí định vị đo độ chính xác lặp

Hình 4.3 Giao diện phần mềm điều khiển robot TX40

Hình 4.4 Bảng xử lý kết quả đo

Do sử dụng 6 cảm biến và bố trí dạng 3-2-1 nên vị trí của khối lập phơng ở mỗi lần đo theo 3 phơng Z, X,Y lần lợt là:

Các giá trị còn lại trong bảng đợc tính dựa vào các công thức của tiêu chuẩn ISO 9238-1998.

Kết quả đo và nhận xét

ảnh hởng của tốc độ tới độ chính xác lặp của robot

Chúng tôi tiến hành đo lường với các tốc độ 5%, 20%, 40%, 60% và 80% cho phép của robot Sau khi thu thập kết quả từ 6 cảm biến, chúng tôi đã đưa dữ liệu vào bảng tính để tính toán giá trị độ chính xác lặp.

Bảng kết quả đo và độ chính xác lặp khitả với vận tốc 5% được trình bày chi tiết trong phần phụ lục Từ kết quả đo, chúng ta có thể xác định sai số định vị theo các phương và giá trị độ chính xác lặp.

Hình 4.6 Sai số định vị theo phơng X,Y,Z khi robot không mang tải

Hình 4.7 Độ chính xác lặp khi robot không mang tải

Khi robot không tải, độ chính xác lặp của robot là khá ổn định ở giá trị khoảng 0.015mm, phù hợp với giá trị độ chính xác lặp của nhà sản xuất đưa ra Tốc độ không ảnh hưởng nhiều tới giá trị độ chính xác lặp khi robot không mang tải Hơn nữa, sai số định vị theo các phương cơ bản nhỏ hơn 0.02mm, cho thấy khả năng định vị chính xác của robot.

ảnh hởng của tốc độ và tải trọng tới độ chính xác lặp của robot

Thực hiện các phép đo với tải trọng lần lượt là 0g, 500g và 1000g, cùng với vận tốc thay đổi từ 5%, 20%, 40%, 60% đến 80% Kết quả tính toán cho thấy bảng giá trị độ chính xác lặp nhấn mạnh sự biến đổi theo từng mức tải trọng và vận tốc.

Hình 4.8 Bảng giá trị độ chính xác lặp theo tốc độ và tải trọng

Hình 4.9 Đồ thị độ chính xác lặp theo vận tốc và tải trọng NhËn xÐt : 2

* Đánh giá ảnh hởng của tốc độ và tải trọng tới độ chính xác lặp của robot TX40:

Dựa vào đồ thị trong Hình 4.9, độ chính xác lặp của robot cơ bản được ghi nhận là nhỏ hơn 0,02mm, phù hợp với thông số độ chính xác lặp mà nhà sản xuất đã công bố.

Các số liệu thực nghiệm cho thấy rằng khi tăng tốc độ từ 5% đến 80%, giá trị RPl tăng lên, điều này có nghĩa là độ chính xác lặp lại của robot giảm Nói cách khác, có sự biến động giữa tốc độ và độ chính xác lặp.

Khi robot không mang tải trọng (tải trọng trả về 0g), dù tốc độ tăng lên đến 80% thì giá trị RPl vẫn không tăng đáng kể so với trường hợp robot mang tải trọng (tải trọng 500g và 1000g) Điều này cho thấy rằng robot mang tải trọng càng lớn, tốc độ càng cao thì độ chính xác càng giảm Tuy nhiên, tốc độ và tải trọng ảnh hưởng đến độ chính xác ở mức độ khác nhau, cụ thể là tốc độ ít có tác động hơn.

71 ảnh hưởng t i ớ độ chính xác ặp khi robot không mang t i, khi mang t l ả ải và tốc độ trong khoảng 70-80% thìđộ chính xác p gi lặ ảm đáng kể

Kết quả thực nghiệm cho thấy độ chính xác lặp lại của robot đạt RPl = 0.0117mm khi không mang tải và tốc độ 20%, trong khi độ chính xác kém nhất là RPl = 0.0205mm khi robot mang tải 500g với tốc độ 80% Trong dải tốc độ từ 20% đến 60%, độ chính xác lặp lại ổn định và hầu như không bị ảnh hưởng bởi tải trọng.

* Lựa chọn điều kiện làm việc tối u cho robot TX40

Robot TX40 đã được đánh giá với độ chính xác cao, cho thấy nó hoàn toàn phù hợp cho các ứng dụng lắp ráp đòi hỏi yêu cầu chính xác tương đối cao.

Trong quá trình sử dụng robot, tải trọng có thể thay đổi thường xuyên, vì vậy nên vận hành robot ở tốc độ từ 40% đến 60% tốc độ tối đa Cách này giúp đạt được sự kết hợp tối ưu giữa tốc độ làm việc và độ chính xác lặp lại cao nhất.

Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu này nhằm phân tích ảnh hưởng của tốc độ và tải trọng đến độ chính xác lặp của robot công nghiệp Staubli-TX40, so sánh với kết quả từ nhà sản xuất và đề xuất các giải pháp nâng cao độ chính xác lặp.

Tìm hiểu tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng robot trên thế giới và tại Việt Nam, đặc biệt là hệ thống chia liều thuốc tiêm Theodorico sử dụng robot TX40 tại Trung tâm Máy gia tốc và PET/CT Bệnh viện TƯQĐ 108 Bài viết cũng khám phá động lực học và các phương pháp điều khiển của robot TX40.

- Tìm hiểu p ơng pháp đánh giá độ chính xác lặp và chọn đợc phơng án bố trí h các cảm biến trong hệ thống đo

- Thiết kế và lắp đặt hệ thống cảm biến đo, card thu thập dữ liệu chuyên dụng và phần mềm đo vị trí

- Xây dựng đợc công thức tính toán xác định sai số định vị và sai số định hớng của rôbôt TX40

Đo độ chính xác lặp của robot TX40 dưới các điều kiện tốc độ và tải khác nhau là rất quan trọng Nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố này đến độ chính xác lặp của robot Từ kết quả thu được, chúng tôi sẽ lựa chọn chế độ làm việc tối ưu để đảm bảo robot TX40 đạt được độ chính xác lặp cao nhất.

Khả năng ứng dụng và phát triển của đề tài:

Nghiên cứu này hỗ trợ các nhà thiết kế trong việc triển khai ứng dụng và dây chuyền tự động hóa sử dụng robot TX40, với độ chính xác lặp đã được kiểm chứng Việc lựa chọn các điều kiện vận hành robot, bao gồm tốc độ và tải trọng, là yếu tố quan trọng để đạt được độ chính xác lặp cao nhất.

Các cảm biến đã được hiệu chuẩn và card thu thập dữ liệu thiết kế cho phép đo đạc với độ chính xác lặp lên tới 0.02mm cho các rôbốt Đối với các rôbốt có độ chính xác cao hơn, vẫn có thể sử dụng card thu thập dữ liệu này, nhưng cần trang bị thêm các cảm biến có độ phân giải cao hơn.

Kết quả nghiên cứu cho thấy có thể phát triển phần mềm tự động đánh giá độ chính xác lặp của các rôbốt khác nhau Để nâng cao độ chính xác của các robot, cần sử dụng card ADC đã được thiết kế, cùng với các cảm biến có độ chính xác cao hơn.

Kết quả nghiên cứu khảo sát không phải là tiêu chí duy nhất để chọn robot có tốc độ hoặc tải trọng vượt trội nhằm đạt độ chính xác lặp cao nhất Tuy nhiên, nó đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thông tin tham khảo cho các kỹ sư trong quá trình phát triển hệ thống robot.