Thiết kế và xây dựng chương trình mô phỏng robot gắp phân loại sản phẩm trong sản xuất thực phẩm nước uống

Trang 1

LUAN VAN TOT NGHIEP DAI HOC

CHUYEN NGANH CO TIN KY THUAT

LUAN VAN TOT NGHIEP

| DE TAL

THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MO PHONG ROBOT GAP PHAN LOAISAN

Trang 2

BO GIAO DUC VA DAO TAO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Trường ĐHDL Kỹ Thuật Công Nghệ Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Khoa Cơ Khí Tự Động — Robot OR So oe 2 2K 2 28 2k ic ok 2 oe OK

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỌ VÀ TÊN :NGUYỄN PHỤ NHẤT HIẾN MSSV : 10106048 NGANH : Cơ-tin kỹ thuật LỚP :0IÐCTI

1-Đầu đề đỗ án :

Thiết Kế Và Xây Dựng Chương Trình Mô Phỏng Robot Gắp Phân

Loại Sản Phẩm Chai Bị Nhiễm Khuẩn Trong Sản Xuất Thực

Phẩm Nước Uống

2-Nhiệm vụ:

-Thi công mô hình -Thi công mạch điện

3-Ngày giao nhiệm vụ Đồ án : 31-03-2006

4-Ngày hoàn thành nhiệm vụ :

5-Họ tên người hướng dẫn : Phần hướng dẫn 1) TS Nguyễn Tường Long

2) Th.S Lê Văn Tiến Dũng

3)

Ngày tháng năm 2006 _

CHỦ NHIỆM KHOA NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

Trang 3

BO GIAO DUC VA DAO TAO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Trường ĐHDL Kỹ Thuật Công Nghệ Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Khoa Cơ Khí Tự Động — Robot OAC oe 2k ok 2k 2 oie ic ie ok

HO VA TEN : NGUYEN QUOC LUAN MSSV : 10106083

NGÀNH : Cơ- tin kỹ thuật LỚP :01ÐCTI

1-Đầu để đồ án :

Thiết Kế Và Xây Dựng Chương Trình Mô Phỏng Robot Gắp Phân

Loại Sản Phẩm Chai Bị Nhiễm Khuẩn Trong Sản Xuất Thực

2-Nhiệm vụ:

~Tìm hiểu chương trình Adams

- Mô phỏng Robot gắp sản phẩm 3-Ngay giao nhiệm vụ Đồ án : 31-03-2006

4-Ngày hoàn thành nhiệm vụ :

3)

Ngày .tháng năm 2006 -

CHỦ NHIỆM KHOA NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH

A 2> — Lo

Trang 4

BỘ GIÁO DUC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Trường ĐHDL Kỹ Thuật Công Nghệ Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc Khoa Cơ Khí Tự Động - Robot Je IOI OR AAS IIR

HỌ VÀ TÊN : HỒ VĂN PHƯỚC MSSV : 10106098

NGÀNH : Cơ- tin kỹ thuật LỚP :01ÐCT3

1-Đầu để đồ án :

Thiết Kế Và Xây Dựng Chương Trình Mô Phỏng Robot Gắp Phân Loại Sản Phẩm Chai Bị Nhiễm Khuẩn Trong Sản Xuất Thực

2-Nhiệm vụ:

-Tính toán thiết kế

-Thi công mô hình

3-Ngày giao nhiệm vụ Đồ án : 31-03-2006 4-Ngày hoàn thành nhiệm vụ :

3)

Ngày thá ng năm 2006 -

CHU NHIEM KHOA NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH

Trang 5

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Trường ĐHDL Kỹ Thuật Công Nghệ Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc Khoa Cơ Khí Tự Động - Robot +*k#XVKt tk Tp.HCM, Ngày Tháng Năm 2006 PHIẾU NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP (Dành cho cán bộ hướng dẫn) 1- Ho va Ten SV: NGUYEN QUOC LUAN MSSV: 10106083 HỒ VĂN PHƯỚC MSSV: 10106098 NGUYỄN PHỤ NHẤT HIỂN MSSV: 10106048 Ngành: CƠ TIN KỸ THUẬT 2- Đề tài:

THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG

ROBOT GẮP PHÂN LOẠI SẢN PHẨM CHAI BỊ NHIỄM KHUẨN

TRONG SẲN XUẤT THỰC PHẨM NƯỚC UỐNG

3 - Tổng quát về bản thuyết minh:

Số trang ANG Số chương _.Ồ

Số bảng số liệu _ Số hình vẽ —

Số tài liệu tham khảo Phan mém tinh ton ADAMS

Hiện vật (sản phẩm) Rabat Thuyết minh bằng máy tính

4— Tổng quát về các bản vẽ:

- Tổng số bản vẽ: ÁÂ, Bản A0: Bản A1: Bản A2: Khổ khác 44.Ãš

- Số bản vẽ tay: Số bản vẽ trên máy tính: s2Õ

5 ~ Nội dung và những ưu điểm chính của Luận Văn Tốt Nghiệp:

a Mã phẩna Var CÀ xe RebøV 222

— M912“ đua bạc Robst bhag Chudny link ADAMS

6 — Những thiếu sót chính cả Luận Văn Tốt Nghiệp:

Coin thị 414w Cháu Ue nahin Chúa e4, Quá, ——

" KH HN ga GÀ nahin ng Hh Pha

7— Đề nghị: Được bảo vệ V Bổ sung thêm để bảo vệ L Không được bảo vệ LÌ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHÍNH

Trang 6

NHAN XET CUA GIAO VIEN HUGNG DAN

Cc

Ae Nis dlumg Uke Luda Vai pe " ,Ô

= là giản, đâu es tly Ese Te es

ipl

— Conk weed Babe, vay Ay \Gue {Clay ia vt av,

TE Nn AE gla as iy iv adn va” ch

Trang 7

NHAN XET CUA GIAO VIEN PHAN BIEN

Trang 8

LOI CAM ON

Chúng em xin chân thành cầm ơn Thầy Nguyễn Tường Long và Thấy Lê Văn Tiến Dũng giáo viên trực tiếp hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp Sự tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên của hai Thầy đã giúp

chúng em rất nhiều trong việc hoàn thành luận văn này

Chúng em xin chân thành cắm ơn quý thầy cô đã giảng dạy chúng em trong suốt thời gian qua

Cuối cùng là lời cảm ơn chân thành đến gia đình, người thân cùng toàn thể bạn bè, những người luôn động viên tinh thần giúp chúng em hoàn thành nhiệm vụ được giao

TP.HỒ CHÍ MINH

Ngày 20 tháng 7 năm 2006

Nhóm sinh viên thực hiện

Trang 9

LGI NOI DAU

Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật đã làm thay đổi lớn lao bộ mặt đời sống xã

hội đặc biệt là trong sắn xuất Ngày nay càng có nhiều thiết bị, các đây chuyển tự động được ứng dụng tại các nhà máy xí nghiệp nhằm thay thế sức lao động của con người Quá trình đó góp phần không nhỏ vào việc tăng năng suất, chất lượng sản phẩm, giảm giá thành và độ đồng đêu về chất lượng đồng thời cải thiện môi trường

làm việc của con người đặc biệt trong một số công việc có độ an toàn thấp hoặc có

tính độc hại cao

Tuy nhiên để thiết kế và chế tạo các thiết bị này là công việc khó khăn và phức tạp,

đòi hỏi phải có một đội ngũ cán bộ kĩ thuật lành nghề, được đào tạo từ các trường đại

học, cao đẳng và trung học chuyên nghiệp

Đồ án tốt nghiệp là lúc chúng em tổng hợp những kiến thức đã học và cũng là dịp để

chúng em làm quen với việc thiết kế chế tạo một sản phẩm trước khí bước vào thực tế

sản xuất

Trong đổ án này chúng em xin trình bày công việc thiết kế và chế tạo Robot bốn bậc

tự do thực hiện nhiệm vụ gắp và phân loại sản phẩm bị nhiễm khuẩn trong sản xuất

thực phẩm nước uống

Dù rất nhiều cố gắn nhưng do lần đầu thiết kế nên không tránh khỏi những sai sót

Chúng em rất mong nhận được sự chỉ dẫn quí báu của quí thầy cô để đổ án được hoàn

thiện hơn

Chúng em xin chân thanh cdm ơn

Nhóm sinh viên thực hiện

Trang 10

TOM TAT DE TAI

Sau 15 tuần thực hiện để tài, kết quả thu được là một mô hình Robot gắp sản phẩm, file film mô phỏng Robot gắp sản phẩm được thực hiện trên phần mềm Adams Robot được thiết

kế trên các phần mễm: AutoCad 2006, Pro/Engineer 2001, và các phần mềm thiết kế 3D

khác

Chương 1: Giới thiệu sơ lược về Robot Trong chương này đã đề cập đến quá trình phát triển,

vai trò và ứng dụng của Robot trong nền công nghiệp hiện đại

Chương 2: Phân tích và lựa chọn kết cấu robot Trong chương này trình bày một số kết cấu robot, từ đó phân tích những ưu - khuyết điểm của các cơ cấu để lựa chọn cơ cấu

thích hợp nhất để chế tạo

Chương 3: Thiết kế các bộ truyền Sau khi lựa chọn kết cấu phù hợp, tiến hành tính toán các

bộ truyền được sử dụng trong việc truyễn động cho Robot

Chương 4: Động học của Robot Thực hiện những bài toán động học, phương trình chuyển

động cho cơ cấu Robot

Chương 5: Giới thiệu chương trình Adamas Chương này giới về chương trình mô phỏng ADAMS/VIEW, trình bày phạm vi ứng dụng và các bước cơ bản sử dụng ADAMS

Chương 6: Mô phỏng Robot bằng ADAMS Sau khi tim hiểu chương trình ở chương 5 Chương

này thực hiện việc mô phỏng Robot Trước khi mô phỏng đòi hỏi phải có mô hình 3D Do đó, trong chương này sẽ hướng dẫn tạo mô hình 3D trong phần mềm

Pro/Engineer 2001 và sau đó thực hiện mô phỏng trên chương trình Adams

Chương 7: Lựa chọn phương án và tìm hiểu linh kiện Trong chương nầy trình bày quá trình lựa

chọn phương pháp điều khiển cho Robot Đồng thời âm hiểu tính năng của một số

linh kiện điện tử để thực hiện thiết mạch điều khiển

Chương 8: Thiết kế mạch điều khiển Dựa vào những linh kiện đã lựa chọn ở chương 7, tiến

hành thiết kế mạch điều khiển Robot

Trang 11

MUC LUC

Chương 1: Giới thiệu sơ lược về robot 1.1 Khái niệm về robot

1.2 Sơ lược về lịch sử phát triển của robot

1.3 Những ứng dụng điển hình của robot

1.4 Cấu tạo và phân loại tay máy

Chương 2: Phân tích và lựa chọn kết cấu robot 2.1 Lựa chọn kết cấu cho robot 2.2 _ Chọn bộ truyền 2.3 Nguồn dẫn động 2.3.1 Truyền động thuỷ lực 2.3.2 Truyền động khí nén 2.3.3 Truyền động điện 2.4 _ Lựa chọn cơ cấu kẹp 2.4.1 Cơ cấu kẹp khí nén

2.4.2 Cơ cấu kẹp cơ điện

2.5 Nguyên tắc hoạt động của robot Chương 3: Thiết kế các bộ truyền 3.1 _ Truyền động vít - đai ốc 3.2 _ Thiết kế bộ truyền bánh răng 3.3 _ Thiết kế bộ truyền đai răng

3.4 _ Tính toán ổ lấn

Chương 4: Động học ROBOT'

4.1 Cơ sở toán học ứng dụng trong công nghệ robot

4.2 Các phép biến đổi hình học trong hệ tọa descartes

4.2.1 Phép biến đổi trong không gian 2d

Trang 12

443 4.3.1 4.3.2 4.3.3 Thiết lập hệ phương trình động học Xác định các hệ tọa độ

Lập bảng thông số Denavit j & Hurtenberg r.s (DH) Xác định ma trận ai theo các thông số của bảng DH Chương 5: Giới thiệu chương trình Adams 5.1 5.2 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5 5.3.6 5.3.7 5.3.8 3.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 5.5.5 5.6 5.6.1 5.6.2 5.6.3 5.7 5.7.1

Khởi động chương trinh ADAMS/VIEW

Thao tác khai báo khi sử dụng ADAMS/VIEW 120

Tạo vật thể trong ADAMS/VIEW

Tạo điểm trong ADAMS/VIEW Tạo khối Tạo hình hộp khối Tạo khối dạng tấm Tao curves/splines Thay đổi vị trí của vật thể MARKERS là gì?

Tạo và chỉnh sửa MARKER

Tạo rằng buộc cho các thành phần Revolute/rotational joint Translational joint Fixed joint Tạo ràng buộc điểm theo đường Tiếp xúc cam Thể hiện chuyển dộng và lực tác động Tác động của ngoại lực lên đối tượng

Tạo chuyển động cho ràng buộc

Chuyển động xoay tròn

Chuyển động tính tiến

Lò xo và tác dụng lực của lồ xo Mô phỏng chuyển động

Khai báo thời gian mô phỏng

Khai báo thời gian cuối cùng

Trang 13

5.7.1.1 Do chiéu dai

5.7.1.2 Đo góc

5.7.2 Xem xét đặc điểm của vật thể

5.73 Xây dựng biểu để từ quá trình đo đạt

Chương 6: Mô phông robot bằng chương trình ADAMS

6.1 Thiết kế mô hình

6.1.1 Tao phan dé duéi 6.1.2 Tao phan dé tru

6.1.3 Tạo khâu chuyển động xoay thứ nhất 6.1.4 Tạo khâu chuyển động thứ hai

6.1.5 Tạo phần che phía trên cho robot

6.1.6 Tiến hanh cắt lỗ để tạo trục

6.1.7 Tạo trục trượt lên xuống gắp sản phẩm

6.1.8 Tạo hai tay kẹp sản phẩm

6.1.9 Tạo giá để mẫu gắp 6.1.10 Tạo mô hình sản phẩm 6.1.11 Tạo khung hình tấm lót

6.1.12 Tạo mô hình thùng chứa mẫu thải

6.2 Mô phỏng ADAMS

6.2.1 Vào file > select đirectory Chọn thư mục làm việc 6.2.2 Xác lập đơn vị cho mô hình

6.2.3 Nhập mô hình vào adams

6.2.4 Xác lập vật liệu cho từng thành phần trong mô hình

6.2.5 Tiến hành đặt quan hệ giữa đế và mặt đất

6.2.6 Thiết lặp quan hệ fix cho mô hình băng tải với đế

6.2.7 Thiết lặp quan hệ fix cho mô hình thùng chứa cho đế

6.2.8 Thiết lặp quan hệ fix cho tấm đế và đế 6.2.9 Thiết lặp quan hệ fix cho tấm đế và đế trụ

6.2.10 Thiết lập rằng buộc xoay tròn giữa tay đòn g thứ nhất và đế trụ 6.2.11 Tạo chuyển động xoay tròn cho đế trụ và tay đòn thứ nhất thông

qua rằng buộc vừa đặt

6.2.12 Xác lập hầm thời gian chuyển động cho tay đòn thứ nhất và đế trụ

Trang 14

6.2.15 Thiết lập ràng buộc chuyển động tịnh tiến cho thanh trượt và phan

chụp trên

6.2.16 Tạo chuyển động tịnh tiến giữa thanh trượt và chụp trên

6.2.17 Xác lập hàm thời gian cho dịch chuyển tịnh tiến giữa phần chụp

trên và thanh trượt

6.2.18 Thiết lặp ràng buộc chuyển động tịnh tiến cho hai tay kẹp và thanh

trượt

6.2.19 Thiết lập chuyển động tịnh tiến cho hai tay kẹp và thanh trượt

6.2.20 Xác lập hầm thời gian chuyển động cho hai tay kẹp so với thanh

trượt

6.2.21 Thiết lập quan hệ tiếp xúc giữa hai tay kẹp và mô hình chai nhiễm

khuẩn

6.2.22 Thiết lập quan hệ tiếp xúc cho tay kẹp còn lại và mô hình chai

nhiễm khuẩn cũng thực hiện tương tự

6.2.23 Thiết lập quan hệ tiếp xúc cho mô hình chai nhiễm khuẩn và mô

hình giá

6.2/24 Thiết lập quan hệ tiếp xúc cho mô hình chai nhiễm khuẩn và mô

hình thùng chứa

6.2.25_ Mô phỏng chuyển động của robot

6.2.25.1 Khai báo thời gian mô phỏng 6.2.25.2 Khai báo thời gian cuối cùng 6.2.25.3 Khai báo bước thời gian

Chương 7: Lựa chọn phương án và tìm hiểu linh kiện

7.1 Lựa chọn phương án điều khiển 7.1,1 Điều khiển dùng plc

7.1.2 Điều khiển dùng vi điều khiển 89C51

7.2 — Giới thiệu về ic logic loại CMOS 7.2.1 Đại cương

7.2.2 Điện áp

7.2.3 Thời gian trễ 7.2.4 Tính miễn nhiễu 7.2.5 Giao tiếp với TTL

7.2.6 Điện dung ngõ ra-vào

Trang 15

7.3 — Giới thiệu sơ lược về transistor

7.3.1 Cấu tạo transistor

7.3.2 Nguyên lý hoạt động

Chương 8: Thiết kế mạch điều khiển

8.1 Thiétk€ board mach chinh _

8.1.1 Nhiệm vụ của board mạch chính

8.1.2 Sơ đổ nguyên lý và tính toán các thông số của mạch

8.2 MachcauH

8.2.1 Giới thiệu về mặt cầu H

Trang 16

HINH SO 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 3.1 3.2 4.1 4.2 5.1 5.2 5.3; 5.4 5.5 5.6 5.7; 5.8; 5.9 5.10 5.11; 5.12 5.13; 5.14 6.1 MUC LUC HINH TEN Robot han

Robot trong phòng thí nghiệm

Robot có khả năng nâng tải lớn

ASIMO ROBOT

Robot Scara 4 bậc tự do

Tay máy toa độ cầu

Robot Fanuc

Tay máy SCARA của IANOME(Anh)

Robot toàn khớp tịnh tiến

Robot có 2 khớp tịnh tiến, một khớp quay

Robot toàn khớp quay

Robot có 3 khớp quay, một khớp tịnh tiến Bộ truyền Harmonic Đầu kẹp điều khiển bằng khí nén Kết cấu kẹp I Kết cấu kẹp 2 Đầu kẹp 3 chấu

Hình 3D của robot sau khi lựa chọn kết cấu

Trường hoạt động của tay máy

Lực tác đụng lên bộ truyền vít me -đai ốc Sơ đô động của bộ truyền bánh răng

Hệ toạ độ Descartes

Hệ toa độ trụ

Trang 18

DE TAI TOT NGHIEP

CHUONG 1

GIGI THIEU SO LUGC VE ROBOT

1.1 Khái niệm về Robot

Những robot xuất hiện đầu tiên vào ngày 09/10/1922 trong vở “Rossum's

Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek viết năm 1921, đó là nhân vật “Robotnik” mô tả một khối cơ khí rập khuôn hình dáng cong người, nhân vật này có một khả năng phi thường và không có những sai lầm

thông thường của con người ; còn từ robot là cách gọi tắt của từ robota —

theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch Tuy nhiên, trước đó người Hy

lạp đã chế tạo những tượng đá có thể chuyển động được, đó chính là sự bắt

đầu của những gì chúng ta gọi là robot Khái niệm “robot” theo nghĩa chung thường được hiểu đồng nhất với khái niệm “tự động hóa công nghiệp” Đa số

các robot ngày nay được sử dụng trong các nhà máy để chế tạo những sản

phẩm như xe hơi và điện tự, máy móc công nghiệp Những loại khác được dùng trong các công việc nghiên cứu, thám hiểm vũ trụ

Robot thật ra chỉ là một cái máy tự động, có thể thực hiện được các nhiệm

vụ đã định sẵn theo một chương trình nhất định, tuy nhiên không phải tất cả

các máy móc hay thiết bị có thể hoạt động tự động đều là Robot Trong các

ứng dụng thực tế có rất nhiều thiết bị tự động có một số chức năng giống

Robot nhưng chúng không được gọi là Robot, để có thể thống kê và báo cáo tình hình sử dụng Robot trong công nghiệp, người ta phải dựa vào một định nghĩa rõ ràng về Robot Viện Robot của Mỹ (Robot Institute of America) đưa

ra một định nghĩa về Robot như sau:

“Robot là một tay máy nhiều chức năng có thể thay đổi được chương trình hoạt động, được dùng để di chuyển các vật liệu chỉ tiết máy, các công cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác

nhau được lập trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng”

Định nghĩa Robot còn được Mikell P Groover, một nhà nghiên cứu hàng

đầu trong lĩnh vực robot, mở rộng hơn như sau:

“Robot công nghiệp là những máy, thiết bị tổng hợp hoạt động theo chương trình có những đặc điểm nhất định tương tự như con người”

Định nghĩa của M P Groover về Robot không dừng lại Ở tay máy mà mở rộng ra cho nhiều đối tượng khác có những đặc tính tương tự như con người

như là suy nghĩ, có khả năng đưa ra quyết định và có thể nhìn thấy hoặc cảm

nhận được đặc điểm của sự vật hay đối tượng mà nó phải thao tác hoặc xử lý

Theo Artobolevski I I., Vorobiov M V va các nhà nghiên cứu thuộc trường

phái khối SEV trước đây thì phát biểu rằng:

———————————————————— s-srs -r xr -r-cr-r-r-r-=s-rm

Trang 19

DE TAI TOT NGHIEP EE

E————————EE—E———E———————————————————————————_—_—_—_— _

“Robot công nghiệp là những máy hoạt động tự động được điểu khiển

theo chương trình để thực hiện việc thay đổi vị trí của những đối tượng thao

tác khác nhau với mục đích tự động hoá các quá trình sản xuất”

Theo giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học tổng hợp Tokyo) thì một robot

công nghiệp phải thỏa mãn 5 yếu tố sau:

©_ có khả năng thay đổi chuyển động;

se có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác;

e có số bậc chuyển động (bậc tự do) cao;

e_ có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động;

e _ có khả năng hoạt động tương hỗ với đối tượng bên ngoài

Theo Giáo sư Masahiro Mort (Viện Công nghệ Tokyo) thì robot công nghiệp phải có các đặc điểm sau:

e có khả năng thay đổi chuyển động;

e có khả năng xử lý thông tin (biết suy nghĩ);

e cé tinh van năng;

e©_ có những đặc điểm của người và máy

Từ những khác biệt trong định nghĩa về robot, căn cứ vào tính linh hoạt

của những hệ thống sắn xuất có áp dụng robot, P.J McKerrow, một nhà nghiên cứu về robot của Úc đã đưa ra một định nghĩa ở một góc độ khác

Theo ông, robot là một loại máy có thể lập trình để thực hiện những công

việc đa dạng tương tự như một máy tính, là một mạch điện tử có thể lập trình

để thực hiện những công việc đa dạng

Robot thường có 3 phần chính:

e_ Bộ não: thường là một máy tính, bộ vi xử lý hoặc vi điều khiển

e_ Các bộ phận cơ khí chấp hành: Động cơ, cơ cấu kẹp, hệ thống bánh

Tăng

e Cảm biến: Thị giác (camera), âm thanh, nhiệt độ, chuyển động,

ánh sáng

Thông qua 3 bộ phận cơ bản này, chúng ta có thể lập trình điều khiển,

biến những bộ phận cơ khí cứng chắc chuyển động, làm việc theo ý muốn

Vai trò của robot:

Các robot đóng góp vào sự phát triển công nghiệp dưới nhiều dạng khác

nhau: tiết kiệm sức người, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng sản

phẩm và an toàn lao động và giải phóng con người khỏi những công việc cực

nhọc và tổ nhạt Tất nhiên, trong tương lai còn nhiều vấn để nảy sinh khi

robot ngày càng thay thế các hoạt động của con người, như trong việc đem lại

Trang 20

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

lợi ích cho con người, khám phá vũ trụ, và khai thác các nguồn lợi đại dương,

robot đã thực sự làm cho cuộc sống của chúng ta tốt đẹp hơn

1.2_Sơ lược về lịch sử phát triển của robot

Sự ra đời của Robot gắn liền với sự phát triển của nền công nghiệp, khi

nên công nghiệp phát triển, đòi hỏi một đội ngũ công nhân lao động dồi dào

để đảm bảo cho việc sắn xuất hàng hóa Tuy nhiên, nền công nghiệp phát

triển rất mạnh trong khi đó lực lượng lao động không thể tăng lên mãi, nên

không thể đáp ứng đủ cho nhu cầu sản xuất, ngoài ra còn có một số ngành

nghề có môi trường làm việc nguy hiểm mà con người không thể thực hiện

được

Trước thực trạng này, người ta đã nghiên cứu và chế tạo ra các máy móc

để thay thế cho lực lượng lao động, tuy vậy cũng cần có lực lương lao động

có trình độ để điểu khiển máy móc Có những công việc lặp đi lặp lại rất

nhàm chán, nhưng lại đòi hói độ chính xác cao Để khắc phục tình trạng này,

các máy móc đã được cải tiến dân dần để có thể tự động thực hiện tốt và

chính xác hơn

Các thành tựu khoa học công nghệ đã dần dần làm cho chỉ phí lao động Robot được hạ thấp dẫn, trong khi đó chi phí lao động cho con người không

ngừng tăng lên, điều này đã dẫn đến việc Robot được áp dụng rộng rãi trong sản xuất và các ứng dụng khác

Sự phát triển của các loại máy móc tự động đã dẫn đến sự ra đời và phát

triển của các Robot công nghiệp:

Năm 1801 Joseph Jacquard phát minh ra một máy đệt được điều khiển

bằng card đục lổ

Năm 1830 Christopher Spencer (người Mỹ) đã thiết kế máy tiện dựa vào kỹ thuật cam

Năm 1892 Seward Babbitt (người Mỹ) thiết kế một cần trục cơ giới hóa

có kẹp để chuyển các thỏi kim loại ra khỏi lò luyện

Năm 1938 Willard Pollard Harold Roselund (người Mỹ) thiết kế một cơ cấu sơn phun có thể lập trình được cho công ty De Vibiss

Năm 1948 tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, nhà nghiên cứu Goertz

đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi (master-slave manipulator) điều

khiển từ xa đâu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy

gân tương tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cử hành trình

Năm 1951 một cánh tay có khớp nối trang bị bộ hoạt động từ xa được thiết kế bởi Raymond Goertz cho Atomic Energy Commission

Năm 1953 Grey Walter chế tạo con rùa máy và Claude Shannon chế tạo

chuột máy tìm đường đi trong mê cung, đây là hai dạng robot đầu tiên có thể

Trang 21

DE TAI TOT NGHIEP

lập trình để đáp ứng theo những tín hiệu thu nhận được từ các cảm biến phan ánh các thông tin từ môi trường hoạt động mà không cần có sự can thiệp trực

tiếp của con người

Năm 1954 George Devol đã thiết kế robot lập trình với điểu khiển chương

trình số đầu tiên nhờ một thiết bị do ông phát mình được gọi là “thiết bị

chuyển khớp được lập trình” Joseph Engelberger, người đã thành lập hãng

Unimation sau khi mau bản quyển thiết bị của Devol và sau đó đã phát triển

những thế hệ robot điều khiển theo chương trình

Năm 1959 tập đoàn Planet đưa ra thị trừơng Robot thương mại đầu tiên

Năm 1960 Unimation được tập đoàn Condec mua lại và sự phát triển của

hệ thống Robot Unimate được bắt đầu Tập đoàn AMF (American Machien

and Foundry) đưa ra thị trường một Robot VersaTran, được thiết kế bởi Harry

Johnson va Veljko Milenkovic

Nam 1962 General Motors lắp đặt Robot công nghiệp đầu tiên vào dây

chuyển sản xuất Đó chính là Robot Unimate, dùng trong chế tạo xe hơi

Năm 1969 viện nghiên cứu thuộc Trường Đại Học Stanford đã thiết kế robot Shakey di động tinh vi để thực hiện những thí nghiệm về điều khiển sử dụng hệ thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tượng Robot này được

lập trình trước để nhận dạng đối tượng bằng camera, xác định đường đi đến

đối tượng và thực hiện một số tác động trên đối tượng

Năm 1970 Đại học Stanford phát triển một cánh tay Robot làm tiêu chuẩn

cho các công trình nghiên cứu, cánh tay hoạt động bằng điện và được gọi là cánh tay Stanford

Năm 1973 Robot thương mại đầu tiên được điều khiển bằng máy tính mini

do Richard Hohn thiết kế cho tập doan Cincinnati Milacron Robot được gọi 1A T3, The Tomorrow Tool

Năm 1974 giáo sư Scheiman, người phát triển cánh tay Stanford, thành lập liên hợp Vicarm để đưa ra thị trường một phiên bản cánh tay cho các ứng

dụng công nghiệp Cánh tay mới được điều khiển bằng một máy tính mini

Năm 1976 các cánh tay robot được sử dụng trên các tàu vũ trụ không ngudi l4i Viking | va Viking 2

Năm 1977 ASEA, một công ty Robot Châu Âu, đưa ra các Robot công

nghiệp dùng điện năng Chúng sử dụng một máy vi tính để điểu khiển lập

trình và hoạt động Cùng năm đó Unimation mua lại liên hợp Vicarm

Năm 1978 Robot Puma (Programmable Universal Machine for assembly) được Unimation phát triển từ kỹ thuật Vicarm

Năm 1980 công nghiệp robot bắt đầu phát triển nhanh với một robot mới hoặc một công ty robot mới ra đời vào mỗi tháng Vào năm này, Nhật Bản

EE

Trang 22

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP đứng đầu các nước về chế tạo người máy, có khoảng 8000 người máy hoạt động khắp các nhà máy ở Nhật

1.3 Những ứng dụng điển hình của robot

1.3.1 Ứng dụng trong công nghiệp

Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp Những ứng

dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm, phun sơn

Một trong những công việc kém năng suất nhất của con người là rèn kim loại ở nhiệt độ cao Các công việc này đòi hỏi công nhân di chuyển phôi có

khối luợng lớn với nhiệt độ cao khắp nơi trong xưởng Việc tuyển dụng công nhân làm việc trong môi trường nhiệt độ cao như vậy là một cấn đề khó khăn

đối với ngành công nghiệp này, và robot ban đầu đã được sử dụng để thay thế công nhân làm việc trong điều kiện môi trường ngặt nghèo như trong lò đúc, xưởng rèn, và xưởng hàn Đối với robot thì nhiệt độ cao lại không đáng

sợ

Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng

robot nhiễu nhất: khung xe được cố định vào một xe được điều khiển từ xa đi

chuyển khắp nhà máy Khi xe đến trạm hàn, kẹp sẽ cố định các chỉ tiết đúng

vào vị trí cần hàn, trong khi đó robot di chuyển đọc theo các điểm hàn được lập trình trước

Robot còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nữa như phục vụ cho máy công cụ, làm khuôn trong công nghiệp đổ nhựa, gắn kính xe hơi, gắp

hàng ra khỏi băng tải và đặt chúng vào các trạm chuyển trung gian, robot lắp ráp mạch In

Hình 1.1; Robot han

1.3.2 Ứng dụng robot trong phòng thí nghiệm

Robot ngày càng được sử dụng nhiễu trong các phòng thí nghiệm Chúng được dùng để thực hiện tự động các công việc thủ công Robot thực hiện rất

tốt các thao tác lập đi lập lại, như đặt các chỉ tiết thí nghiệm vào các thiết bị

đo, giải phóng các kỷ thuật viên khỏi các công việc nhàm chán đó Các ưu

điểm mà robot đem lại: tăng năng suất, tăng chất lượng thí nghiệm và giảm

sơ suất của con người làm hư hỏng hóa chất Các ứng dụng thực tế bao gồm

đo độ pH, độ nhớt, và độ cứng trong chất đa phân tử; chuẩn bị mẫu màu xét nghiệm; nung nóng, rót, cân, và hòa tan mẫu cho phân tích quang phổ Một

Trang 23

số phòng thí nghiệm nhận thấy rằng các mẫu thí nghiệm trong phòng thí nghiệm nghiên cứu dễ thích ứng hơn đối với các sản phẩm không thay đổi nếu robot được sử dụng để chuyển vật liệu giữa các giai đoạn xử lý Vì thế, việc sử dụng robot giúp nhanh chóng chuyển các nghiên cứu trong phòng thí

nghiệm vào sản xuất thực tế

Hình 1.2: Robot trong phòng thí nghiệm 1.3.3 Ứng dung robot trong các thao tác cần khuếch đại lực

Kỹ thuật robot được ứng dụng đầu tiên trong công nghiệp hạt nhân với sự phát triển của điều khiển qua màn hình để xử lý vật liệu phóng xạ Gần đây hơn robot được sử dụng để hàn từ xa và kiểm tra đường ống trong vùng nhiễm xạ nặng Tai nạn nhà máy điện hạt nhân Three mile island ở

Pennsylvania năm 1979 thúc đẩy sự phát triển và ứng dụng của robot vào công nghiệp hạt nhân Lò phản ứng số 2 (TMI-2) mất chất làm nguội, làm

cho lò phản ứng chính bị hư hại nặng, đặt một vùng rộng lớn trong tình trạng

con người không thể can thiệp được Do sự phát xạ năng, các công việc dọn

đẹp chỉ có thể được thực hiện qua điều khiển từ xa thông qua robot Một ứng

dụng phổ biến nữa là dùng robot để bốc dỡ hàng hóa, vật liệu, phôi có trong lượng lớn, cổng kểnh trong các ngành công nghiệp nặng Robot loại này có

Trang 24

DE TAI TOT NGHIEP ETE

1.3.4 Ứng dụng robot trong không gian

Thám hiểm không gian là một lĩnh vực chuyên dùng ứng dụng robot

Tháng 4 năm 2001 phi thuyền Endeavour được lắp ghép với trạm không gian quốc tế (ISS) Các phi hành gia trên phi thuyền này đã thực hiện cuộc đi bộ ngoài khơng gia để hồn tất công việc lắp đặt một tay máy robot do Canada chế tạo Tay máy được gắn vào trạm không gian Alpha nhằm tăng cường khả

năng bốc đỡ hàng hóa tiếp tế, lắp ghép với các trạm không giam khác; và

sau khi lắp đặt tay máy robot sẽ thực hiện việc ghép nối buồng áp lực vào trạm Alpha, cho phép các phi hành gia có đi bộ ngồi khơng gian thuận tiện hơn

Các ứng dụng trong tương lai của robot trong không gian gồm xe tự hành trang bị tay máy linh hoạt, các robot công dụng chung trong các trạm không gian, các robot bảo trì vệ tính, tay máy thao tác khi sản xuất trong không gian, các robot xây dựng trong các công trình xây dựng trạm không gian và

phi thuyển không gian

1.3.5 Ứng dụng robot trong tàu lặn

Hai sự kiện xảy ra ở Bắc Bán Cầu năm 1985 đã thu hút sự quan tâm của

các nhà nghiên cứu về các loại robot làm việc dưới biển Sự kiện thứ nhất là

tai nạn máy bay của hãng Hàng Không Ấn Độ rớt xuống Thái Bình Dương ngoài khơi Islan; một robot tàu lặn được điều khiển từ xa, loại thường dùng

để lắt đặt cáp dưới đáy biển, được dùng để tìm lại chiếc hộp đen của chiếc

máy bay bị nạn Sự kiện thứ hai là sự khám phá con tàu Titanic dưới đấy một

hẻm núi ngoài khơi, nơi nó bị chìm khi va phải một tắng băng vào năm 1912,

cách mặt biển 4km Một chiếc tàu lặn được điểu khiển từ xa để khám phá và

ghi lại những bí mật còn lại của con tàu này

Ngồi cơng việc dò tìm dưới đáy biển, tàu lặn không người lái đã và đang

được sử dụng để kiểm tra và bảo trì các dàn khoan dầu ngoài khơi, để lắp đặt

và kiểm tra cáp truyền xuyên đại dương, và để khảo sát địa chất và địa lý

của thểm đại dương Phần lớn robot tàu lặn đước trang bị tay máy và nhiều

camera Một số được trang bị máy cắt công suất lớn, càng, thiết bị đo thử mật

độ từ, thiết bị kiểm tra siêu âm, và một số các dụng cụ và cảm biến chuyên

dùng khác

1.3.6 Ứng dụng trong giáo dục

Robot được sử dụng trong phòng học dưới ba dạng riêng biệt: thứ nhất, các chương trình giáo dục sử dụng robot làm phương tiện giảng dạy Ngôn ngữ lập trình Karel the Robot, một dạng của ngôn ngữ Pascal, được dùng để

giới thiệu về ngôn ngữ lập trình Ngôn ngữ Krel có các cấu trúc điều khiển

và ngữ pháp của Pascal, nhưng các biến được thay thế bằng robot, các đối

tượng cho robot thao tác, và một môi trường dạng ô Sinh viên viết chương

Trang 25

ÖỠ` -r-r-.-.-.aYyYytỶyryơờơờợờớợơớợớợơzZ:`ïẳ»›annnunzsssasaơn ——————————————————————— “5xuuuaaawmn

trình định nghĩa môi trường (vị trí tường và vị trí của các beeper, và điều khiển robot đò tìm trong môi trường và nhặt lấy các beeper Robot Odyssey

là một trò chơi phiêu lưu để giảng dạy thiết kế logic Người chơi phải thoát

khỏi các Rootropolis, gọi là các robot thù địch, với sự hỗ trợ của ba robot thân thiện Bất cứ lúc nào, người chơi cũng có thể hiệu chỉnh hoạt động của

robot bằng cách thay đối thiết kế mạch logic Mức độ nguy hiểm cần tránh

ngày càng tăng theo diễn tiến của trò chơi, cần các thiết kế logic phức tạp

hơn

Thứ hai, robot của Tasman được sử dụng kết hợp với ngôn ngữ LOGO để

giảng dạy về sự nhận thức máy tính Robot rùa là một đối tượng biết suy

nghĩa và có thể vẽ mẫu hình học Ngôn ngữ này cũng được sử dụng để tạo một môi trường tự nhiên cho trẻ con bước đầu đi vào lĩnh vực lập trình

Công dụng thứ ba là tạo ra phòng học robot — chẳng hạn một phòng học

hệ thống sản xuất linh hoạt FMS sử dụng robot phối hợp với các mô hình sản xuất khác như băng tải, máy gia công CNC, kho hàng tự động

Ngoài ra, Robot còn được ứng dụng trong lĩnh vực dịch vụ, giải trí như: chó robot, người máy asimo, người máy tiếp tân và trong lĩnh vực y tế: robot

đồ tìm nạn nhân trong các trận động đất, robot phẩu thuật từ xa, các robot hỗ

trợ người tàn tật

Hình 14: ASIMO ROBOT Tóm lại:

Tuy robot có rất nhiều ứng dụng, đem đến những hiệu quả nhất

định trong công việc Nhưng Robot được chế tạo và lập trình theo công việc

chuyên biệt, không thể chuyển đổi công năng của Robot Nếu muốn thay đổi

công năng của robot phải thay đổi chương trình điều khiển hoặc cơ cấu chấp

hành

Các robot công nghiệp hiện đại ngày nay sẽ nhanh chống trở nên lạc hậu

Robot thế hệ mới trong tương lai sẽ trở nên đa năng hơn, mô phóng khả năng

con người linh hoạt hơn, và có thể dễ dàng chuyển đổi giữa các thao tác

Trang 26

„_——kỳanỶỶzỶszaờơs.z-.-.aờaờơzszs.-.-.nyờơờơẵssszsasazasaan a

Máy tính cá nhân hiện nay đã làm thay đổi xã hội và phong cách làm

việc, nhưng robot cá nhân vẫn chưa thật sự xuất hiện mà chỉ đa trong giai đoạn thử nghiệm Robot đòi hỏi sự kết hợp nhiều yếu tố một cách hiệu quả,

gồm trí tuệ nhân tạo, khả năng vận động, tính linh hoạt, khả năng tìm kiếm Robot công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất là tay máy Tay máy rất đa

năng, do ta có thể thay đổi bộ phận nắm bắt ở đầu tay máy cho phù hợp với

tác vụ hoặc ngành công nghiệp cụ thể Chẳng hạn bộ phận cẩm thiết bị hàn

được sử dụng trong robot hàn chấm, các vòi phun trong bộ phận sơn phun và lắp ráp, và các kểm dùng để lựa chọn và phân loại sản phẩm

1.4 Cấu tạo và phân loại tay máy 1.4.1 Cấu tạo tay máy

Về mặt truyền động và điều khiển, robot được cấu tạo từ những chỉ tiết

hay cụm chỉ tiết cơ khí; những phần này hoạt động được nhờ vào các cơ cấu

tác động Những cơ cấu tác động này có thể hoạt động phối hợp với nhau để

thực hiện những công việc phức tạp dưới sự điểu khiển của một bộ xử lý Bộ

xử lý này có thể là những vi mạch số, vi xử lý, máy tính, PLC

Các cơ cấu cấu tạo nên tay máy gồm nhiều khâu liên kết với nhau bằng

các khớp Số bậc tự do của cơ cấu phụ thuộc vào số khâu, khớp và kiểu khớp

được dùng để xây dựng cơ cấu (Khái niệm về khâu, khớp, bậc tự do tham khảo thêm phụ lụcA)

1.4.2 Phân loai tay máy

Robot có thể được phân loại theo nhiều tiêu chuẩn, số bậc tự do, cấu trúc

động học, hệ thống truyền động, dạng hình học của chỉ tiết gia công, đặc tính chuyển động

1.4.2.1 Phân loại theo số bậc tự do

Sơ đô phân loại robot thường dùng là theo số bậc tự do Một cách hợp lý,

cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để xử lý đối tượng một cách tự do trong

không gian ba chiêu Theo quan điểm này, robot da năng có 6 bậc tự do, robot

dư có hơn 6 bậc tự do và robot thiếu có ít hơn 6 bậc tự do Robot dư có thêm

một bậc tự do để di chuyển qua các chướng ngại vật hoặc vận hành trong các

không gian hẹp Mặt khác, đối với một số ứng dụng đặc biệt, chẳng hạn lắp

ráp các chỉ tiết trên mặt phẳng, robot bốn bậc tự do là đủ,

Trang 27

Hình 1.5: Robot Scara 4 bậc tự do 1.4.2.2 Phân loại theo cấu trúc đông học

Robot được gọi là robot nói tiếp với cơ cấu chấp hành vòng hở nếu cấu trúc

động học có dạng chuỗi vòng hở, robot song song nếu có chuỗi vòng kín, và

robot lai nếu có vòng hở và vòng kín Nhiễu robot công nghiệp sử dụng kiểu

cấu trúc này do có thể lắp động cơ thứ ba để giảm quán tính của cơ cấu chấp

hành Nói chung, robot song song có ưu điểm, độ cứng vững cao hơn, khả năng

tải lớn hơn, và quán tính thấp hơn so với cơ cấu nối tiếp, nhưng không gian

làm việc nhỏ hơn và cơ cấu phức tạp hơn

Hình 16: Tay máy toạ độ cầu

1.4.2.3 Phân loại theo hệ thống truyền đông

Có ba hệ truyền động phổ biến là điện, thủy lực và khí nén được dùng cho

robot Hầu hết các cơ cấu chấp hành đều sử dụng động cơ bước hoặc động cơ trợ động DC, do chúng sạch và tương đối dễ điều khiển Tuy nhiên, khi cần tốc độ cao và khả năng mang tải cao, thường dùng truyền động thủy lực hoặc

khí nén Nhược điểm chính của động cơ thủy lực là khả năng rò rỉ dầu Ngoài ra, truyền động khí nén có tính linh hoạt khá cao Mặc dù, truyền động khí nén sạch và nhanh nhưng khó điểu khiển do không khí là lưu chất có tính nén

được

Trong cơ cấu nối tiếp, nói chung một bộ tác động được dùng để điều khiển

chuyển động của từng khớp Nếu từng khâu chuyển động được truyền động bằng một tác động lắp trên khâu trước đó thông qua hộp giảm tốc, sự dịch

chuyển của khâu này về mặt động học là độc lập với khâu khác, đây là cơ cấu

chấp hành nối tiếp qui ước Mặt khác, nếu mỗi khớp được truyền động trực

tiếp bằng bộ tác động không có hộp giảm tốc, cơ cấu đó được gọi là cơ cấu

chấp hành truyền động trực tiếp

Việc dùng hộp giảm tốc cho phép sử dụng động cơ nhỏ hơn, do đó làm giảm quán tính của cơ cấu chấp hành Tuy nhiên, độ lệch hoặc lắc của các bánh răng trong hộp giảm tốc có thể gây ra sai số vị trí ở bộ phận tác động

Kỹ thuật truyền động trực tiếp khắc phục được vấn để về bánh răng và có thể

tăng tốc độ cho cơ cấu chấp hành Tuy nhiên, các động cơ truyền động trực

Trang 28

DE TAI TOT NGHIEP

TEE"

tiếp tương đối lớn và nặng Do đó, chúng thường được dùng để truyền động

khớp thứ nhất của cơ cấu chấp hành, động cơ được lắp ở đế Nói chung, động

cơ cũng có thể được lắp ở đế để truyền động cho khớp thứ hai hoặc thứ ba thông qua đai kim loại hoặc khâu thanh đẩy

Một số cơ cấu chấp hành sử dụng bộ các bánh răng, xích và đĩa xích để

truyền động các khớp Khi sử dụng hệ thống truyền động này cho cơ cấu chấp

hành qua nhiễu khớp, độ dịch chuyển của khớp sẽ phụ thuộc lẫn nhau Các cơ cấu chấp hành kiểu đó được gọi là vòng kín

1.4.2.4 Phân loại theo dạng hình học không gian làm việc

Không gian làm việc của cơ cấu chấp hành được xác định là thể tích không gian đầu tác động có thể với tới Nói chung, thường sử dụng hai định nghĩa về không gian làm việc Thứ nhất là không gian có thể với tới, thể tích không

gian trong đó cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm theo ít nhất là một

chiều Thứ hai là không gian linh hoạt, thể tích không gian trong đó cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm theo mọi chiều có thể Không gian linh hoạt là

một phần của không gian có thể với tới

Mặc dù đây không phải là điều kiện cân, nhưng nhiều cơ cấu chấp hành nối

tiếp được thiết kế với ba khâu đầu dài hơn các khâu còn lại Do đó ba khâu này được dùng chủ yếu để thao tác vị trí, các khâu còn lại đựơc dùng để điều

khiển hướng của đầu tác động Vì lý do đó, ba khâu đầu được gọi là cánh tay,

các khâu còn lại được gọi là cổ tay Trừ các cơ cấu chấp hành với số bậc tự do

lớn hơn 6, cánh tay thường có ba bậc tự do, cổ tay có 1-3 bậc tự do Hơn nữa,

bộ cổ tay thường được thiết kế với các trục khớp cắt nhau tại một điểm chung đựơoc gọi là tâm cổ tay Bộ cánh tay có thể có nhiều kiểu cấu trúc động học,

tạo ra các biên làm việc khác nhau, được gọi là vùng không gian làm việc

Không gian do nhà sản xuất robot cung cấp thường được xác định theo vùng không gian làm việc

Có lẽ cấu trúc động học đơn giản nhất của cánh tay robot (còn gọi là tay

máy) là ba khớp lăng trục vuông góc Kiểu robot này được gọi là robot

Decartes Vị trí tâm cổ tay của loại robot này có thể đựợc xác định theo ba tọa

độ vuông góc liên quan với ba khớp lăng trụ Vùng không gian làm việc của

robot này là khối hộp chữ nhật Khi robot Decartes được lắp trên các tay phía trên không gian làm việc, được gọi là robot cần trục

Cánh tay robot, được gọi là robot trụ nếu khớp thứ nhất hoặc khớp thứ hai

của robot Đecartes được thay bằng khớp quay Vị trí tâm cổ tay của robot trụ

có thể được xác định bằng tập hợp các tọa độ cầu liên hệ với ba biến khớp

Các khớp lăng trụ thường có các giới hạn cơ học ở cả hai đầu Do đó không

gian làm việc của robot trụ bị giới hạn bằng hai hình trụ đồng tâm có chiều

đài hữu hạn

Trang 29

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP TEE

ea ge EE

Tay máy được gọi là robot cầu nếu hai khớp đầu là khớp quay khác nhau

và khớp thứ ba là khớp lăng trụ Nói chung, khớp lăng trụ không song song với

trục của khớp thứ hai Vị trí tâm của robot cầu là tập hợp các toạ độ cầu liên

quan với ba điểm biến khớp nối Do đó không gian làm việc robot cầu được

giới hạn theo hai khối câu đồng tâm

Tay máy được gọi là robot quay nếu cả ba khớp đều là khớp quay Không

gian làm việc của robot này, rất phức tạp, thường có tiết diện hình xuyến

Nhiều robot công nghiệp là loại robot quay

Ỷ

Hình 1.7: Robot Fanuc

Robot SCARA (tay máy liên hợp chọn lọc) là loại robot đặc biệt, gồm hai

khớp quay tiếp theo là khớp lăng trụ Ngoài ra, cả ba trục khớp đều song song với nhau và thường hướng theo trục trọng trường Do đó, hai bộ tác động đầu

không làm việc đối với trọng của các khớp và tải Cổ tay thường chỉ có một bậc tự do, do đó toàn bộ robot có bốn bậc tự do Kiểu cơ cấu chấp hành này thường đựơc dùng để lắp các chí tiết trên mặt phẳng

Hình L8: Tay máy SCARA của JANOME(Anh)

1.4.2.5 Phân loại theo đặc tính chuyển động

Các cơ cấu chấp hành của robot có thể được phân loại theo bản chất của chuyển động Vật thể rắn thực hiện chuyển động phẳng nếu tất cả các hạt

trong vật thể này tạo nên đường cong phẳng trong các mặt phẳng song song

Cơ cấu được gọi là cơ cấu phẳng nếu tất cả các khớp chuyển động trong cơ

cấu đều thực hiện chuyển động phẳng song song với nhau

Đối với cơ cấu phẳng, quï tích của mọi điểm trong mọi khâu đều có thể

được vẽ trên mặt phẳng Cơ cấu phẳng chỉ sử dụng các khớp cấp thấp được gọi là khớp nối phẳng Các khớp quay và lăng trụ là các khớp thấp chỉ được

Trang 30

°`—====ằasssỶa-ỶaờẳễyờzờỲỶẳtễnzờơờơờơờggggssnnnaơơơn

phép đối với khớp nối phẳng Trong khớp nối phẳng, các trục của tất cả các khớp quay phải vuông góc với mặt phẳng chuyển động, chiều chuyển động của khớp lăng trụ phải song song với mặt phẳng chuyển động Cơ cấu chấp

hành được gọi là cơ cấu phẳng nếu có cơ cấu phẳng Cơ cấu chấp hành phẳng

rất hữu đụng đối với vật thể trên mặt phẳng

Vật rắn được gọi là chuyển động cầu nếu tất cả các hạt trong vật này tạo

nên đường cong trên các mặt câu đồng tâm Do đó khi vật rắn thực hiện chuyển động câu, sẽ có ít nhất một điểm tĩnh tại Theo định nghĩa nêu trên,

vật rắn quay xung quanh trục cố định có thể được coi là trường hợp đặc biệt

của chuyển động cầu do điểm bất kỳ trên trục quay đều có thể được coi là

điểm tinh tại Cơ cấu chấp hành được gọi là cơ cấu cầu nếu mọi khớp chuyển

động đều thực hiện chuyển động cầu xung quanh điểm tnh tại chung Trong

cơ cấu cầu, chuyển động của tất cả các hạt có thể được diễn tả theo các phép chiếu hướng kính lên bể mặt khối cầu đơn vị Khớp quay là khớp cặp thấp duy

nhất đựơc phép đối với cấu trúc khớp nối cầu Ngoài ra, tất cả các trục khớp nối cầu phải cắt nhau tại điểm chung Cơ cấu chấp hành được gọi là cơ cấu

chấp hành kiểu cầu nếu có cơ cấu cầu

Vật rắn thực hiện chuyển động không gian nếu chuyển động không thể đặc

trưng bằng chuyển động phẳng hoặc chuyển động câu Cơ cấu chấp hành được gọi là cơ cấu cầu nếu ít nhất một trong các khâu chuyển động có chuyển động

không gian tổng quát Nói chung, không thể đưa ra các đặc trưng chuyển động

đối với cơ cấu không gian Các cơ cấu phẳng và cầu có thể được coi là trường hợp đặc biệt của cơ cấu không gian Chúng xảy ra do kết quả của dạng hình học đặc biệt theo các định hướng riêng của các trục của chúng Do các điều kiện xung quanh đặc biệt, các bài toán phân tích và tổng hợp đối với cơ cấu phẳng và câu tương đối đơn giản Sự lựa chọn cơ cấu chấp hành robot tùy

thuộc vào ứng dụng, môi trường làm việc và các khảo sát khác

Trang 31

CHƯƠNG 2

PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU ROBOT

Kết cấu của Robot gồm có các bộ phận chủ yếu:

= Tay may gồm các bộ phận: đế, thân, cánh tay và bàn kẹp

»® Hệ thống truyền động: có thể là thuỷ khí, cơ khí hoặc điện khí

=_ Hệ thống điểu khiển: đảm bảo sự hoạt động của Robot theo các thông tin

đặt trước hoặc nhận biết được trong quá trình thực hiện

Với yêu cầu gấp và di chuyển sản phẩm từ vị trí này sang vị trí khác, cần có một kết cấu tay máy thích hợp Sau đây là các phương án lựa chọn:

2.1 Lựa chọn kết cấu cho robot

2.11 Phuong an 1

Phương án 1 có kết cấu như hình vẽ

—

Hình 2.1: Robot toàn khớp tịnh tiến

Robot này có 3 bậc tự do cơ bản gồm 3 chuyển động tịnh tiến dọc theo 3

Trang 32

Robot này có 3 bậc chuyển động gồm 2 trục chuyển động tịnh tuyến theo 2

phương x, y chuyển động còn lại là chuyển động xoay quanh trục x Trường hoạt động là vùng không gian hình trụ

2.1.3 Phương án3

Sa

Hình 2.3: Robot toàn khớp quay

Robot khớp bản lề: ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba trục quay

2.1.4 Phuong án4

Hình 2.4: Robot có 3 khớp quay, một khớp tịnh tiến

Robot này có 3 bậc tự do gồm 3 chuyển động xoay quanh trục z Không gian làm việc hình trụ

Qua việc phân tích các phương án, chúng em chọn phương án 4 để thi công

chế tạo Bởi phương án này những ưu điểm:

e _ Mặc dù chiếm diện tích làm việc ít nhưng tầm vươn khá lớn TỈ lệ

kích thước tầm vươn được đánh giá cao

e Kết cấu khớp bản lễ với 3 trục xoay theo phương thẳng đứng là

dạng đơn giản và có hiệu quả cao nhất trong trường hợp yêu cầu

gấp và đặt chỉ tiết theo phương thẳng đứng

2.2 Chon bộ truyền

2.2.1 Đối với truyền động xoay của khâu 1 và khâu 2

a) Phương án 1 : Truyện đơng đai

Uu điểm:

lớn

øe_ Để phòng được quá tải cho máy

Trang 33

DE TAI TOT NGHIEP

Nhược điểm:

Kích thước lớn

Tỉ số truyền không phải là hằng số

Lực tác dụng lên trục và ổ lớn do phải căng đai với lực căng ban

đầu lớn

Tuổi thọ của đai thấp

b) Phương án 2: Truyền động xích

Ưu điểm:

Có thể đồng thời truyền chuyển động và môment đến một số trục

cách xa nhau tương đối xa, điểu này không thể thực hiện được bằng

truyền động bánh răng, còn dùng bộ truyền đai thì không đảm bảo

độ tin cậy

Nhờ truyền lưu bằng ăn khớp và sử dụng vật liệu có độ bền cao hơn

nên so với bộ truyển đai, khả năng tải và hiệu suất của bộ truyền

xích là cao hơn, kết cấu gọn hơn

Lực tác dụng lên trục nhỏ hơn so với bộ truyền đai vì không yêu

cầu căng xích với lực căng ban đầu

Tỷ số truyền không đổi Nhược điểm:

Có nhiều tiếng ổn khi làm việc do va đập vào khớp, nhất là khi đĩa xích có số răng nhỏ và bước xích lớn Nhược điểm này hạn chế khả

năng của bộ truyền với vận tốc cao

Bản lề bị mòn tương đối nhanh do bôi trơn bể mặt tiếp xúc khó khăn Kết cấu phức tạp, chi phí chế tạo và bảo dưỡng cao hơn so với bộ truyền đai c) Phương án 3: Truyền động bánh răng Uu điểm: Khả năng tải lớn

Tuổi thọ cao, làm việc tin cậy

Hiệu suất cao, có thể đạt 0.97-0.98 trong 1 cấp

Tỉ số truyền không thay đổi Công suất và tỉ số truyền lớn

Nhược điểm:

Công nghệ cắt răng phức tạp, yêu cầu cao độ chính xác chế tạo

Có nhiểu tiếng ổn khi vận tốc lớn

Những nhược điểm này không làm giảm ưu thế của bánh răng so với các

bộ truyễn khác Nhờ những ưu điểm trên, truyền động bánh răng được sử

dụng rộng rãi Trong các bộ truyền bánh răng,bộ truyền bánh răng trụ được

Trang 34

sử dụng rộng rãi nhất vì dễ chế tạo và sử dụng,làm việc tin cậy, kích thước

nhồ gọn

Tuy nhiên, để thực hiện truyền động xoay trong các cơ cấu tay máy,

người ta thường sử dụng bộ truyền Hamonic

a/ Vỏ bộ truyền b/ Bánh răng c/Bánh răng d/ Banh

mềm cứng — lạo sóng

Hình 2.5: Bộ truyền Harmonic

Bộ truyền này có độ chính xác cao, nhưng đây là bộ truyền phức tạp khó chế

tạo và giá thành khá đắt Trong phạm vi đổ án, em chọn lựa bộ truyền bánh răng

với những ưu điểm đã nêu

2.2.2 Đối với bộ truyền cho khâu 3 - khâu tịnh tiến

Có nhiễu giải pháp lựa chọn cho truyền động xoay thành tịnh tiến như:

truyền động bánh răng- thanh răng, truyền động cơ cấu cam nhưng phương

pháp thường dùng nhất và đơn giản là truyền động vít-đai ốc bởi những ưu

điểm:

e Kha nang tai cao, lam việc tin cậy

e Tạo ra được lực dọc trục rất lớn hàng trăm lần lực vòng đặt vào

vôlăng hoặc bánh răng quay vít

e_ Có thể thực hiện các di chuyển chậm và chính xác

2.3 Nguồn dẫn động

Nguồn dẫn động thường được lắp bên cạnh tủ điều khiển Trên các Robot

công nghiệp có thể sử dụng đồng thời nhiều nguồn dẫn động như điện, dầu ép,

khí nén Tuỳ theo đạng nguồn dẫn động được sử dụng trên Robot mà cấu tạo của

phần nguồn cung cấp có thể thay đổi đa dạng

Nguén dẫn động cũng là một đặc điểm rất quan trọng khác của robot, nguồn

dẫn động trong chừng mực nào đó ảnh hưởng đến không gian làm việc của robot Ngoài ra việc thay đổi nguồn dẫn động sẽ giúp nhanh chóng thay đổi kiểu

dáng của robot để phục vụ cho những nhu cầu công việc khác nhau Mỗi nguồn

dẫn động đều có những ưu - khuyết điểm riêng

Trang 35

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP a —————-raaaaruơyơannaannnnnnnnee= 2.3.1 Truyền động thuỷ lực Uu điểm: se Lực nâng lớn e Tốc độ chạy êm e Dầu ép không nén được, nên các khớp Robot có thể được khoá cứng ở một vị trí xác định

e St dung cho diéu khién Servo rat tot

e Ty béi tron va tu lam ngudi

e Hoat dng cé thé ditng qué tdi khéng lam hv hong hé thong

An toàn ở áp suất cháy nổ Tác động êm ở tốc độ thấp

Khuyết điểm:

e_ Chỉ phí cho hệ tống dầu ép thông thường khá cao

Không thích hợp cho cơ cấu quay ở tốc độ nhanh Cần phải có đường xả dầu về bể

Khó giảm kích thước hệ thống do áp suất và tốc độ đầu cao

e Nguồn dẫn dầu ép không phổ biến trong các nhà máy như nguồn

dẫn khí nén và điện

e Chiếm chỗ trên mặt bằng nhiều hơn các nguồn dẫn khác

2.3.2 Truyền động khí nén:

Uu điểm:

ô Giỏ thnh khụng cao

eâ _ Khí thảy không ô nhiễm môi trường

e_ Nguễn khí nén phổ biến trong công nghiệp

e Thích hợp cho các thiết kế dạng médun

e_ Cơ cấu tác động có thể dừng mà không hư hỏng Khuyết điểm:

se Ấp suất khí nén giới hạn sự điểu khiển và độ chính xác

e_ Khí bịró rỉ gây trở ngại cho hệ thống

¢ C4n phải có bệ lọc làm khô nguồn khí nén

e_ Khó điều khiển tốc độ

2.3.3 Truyền đông điên

Truyền động điện được dùng 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

Trang 36

TT

Tuy nhiên so với truyễển động thủy khí thi truyén ddng dién cé ty 1é thấp

giữa công suất truyền trên một đơn vị khối lượng và thông thường đòi hỏi kèm theo hộp giảm tốc cổng kểnh vì trong tay máy tốc độ quay rất chậm

Du điểm:

e_ Cơ cấu tác động nhanh và chính xác

e_ Có khả năng áp dụng điều khiển phức tạp cho các chuyển động e_ Giá thành khơng cao

e_ Nhiều động cơ có moment quay cao, trọng lượng giảm và thời gian đáp ứng nhanh

Khuyết điểm:

e_ Bản chất đã là tốc độ cao

e_ Khe hở bộ truyền bánh răng làm giảm độ chính xác e_ Gây quá nhiệt khi hệ thống bị dừng hoạt động khi quá tải

Trong kỹ thuật robot về nguyên tắc có thể dùng động cơ điện các loại khác nhau, nhưng trong thực tế chỉ có 2 loại được dùng nhiều hơn cả Đó là động cơ bước và động cơ bước

a) Động cơ bước

Uu khuyết điểm:

e _ Không cân mạch phản hồi cho cả điều khiển vị trí và vận tốc

se Kết cấu cơ khí đơn giản, không chổi than, độ tin cậy cao

Ưu điểm lớn nhất của động cơ bước trong điều khiển vị trí là không cần phải phản hổi (khi điểu khiển chính xác số bước quay của động cơ, đếm số bước có thể xác định vị trí chính xác) và điểu khiển số trực tiếp (ghép nối trực tiếp với máy tính) Với khả năng điều khiển số trực tiếp,

động cơ bước trở nên rất thông dụng trong các thiết bị hiện đại như

robot công nghiệp, máy công cụ điểu khiển số, các thiết bị ngoại vi

của máy tính như trong máy in, bộ điều khiển ổ đĩa

Tuy nhiên, phạm vi ứng dụng của động cơ bước chỉ ở vùng công suất

nhỏ và trung bình Việc nghiên cứu nâng công suất của động cơ bước

đang là vấn đề rất được quan tâm hiện nay Ngoài việc lựa chọn driver (mạch lái) cho động cơ bước hết sức quan trọng và động cơ bước không

thể sử dụng cho tải có quán tính lớn Ma sát càng lớn thì sai số bước quay càng lớn Nói chung hiệu suất của nó thấp hơn so với nhiều loại động cơ khác

Trang 37

b) Động cơ DC

Ưu điểm :

e Khả năng điểu chỉnh tốc độ đễ dàng trong dải rộng

e_ Cấu trúc mạch động lực và mạch điều khiển đơn giản

e Mômen trên trục đều hơn

e Làm việc êm hơn

Qua quá trình phân tích các phương pháp truyền động, chúng em lựa chọn phương pháp truyền động điện bằng động cơ DC cho Robot

Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và phương pháp điểu khiển động cơ DC được giới thiệu trong phần phụ luc B - phan 2

2,4 Lựa chọn cơ cấu kẹp

Để thực hiện gấp sắn phẩm cần có những cơ cấu kẹp hợp lý Sau đây là các phương án lựa chọn 2.4.1 Cơ cấu kẹp khí nén

Benoa > Xy lanh khinén

Hình 2.6: Đầu kẹp điều khiển bằng khí nén Uu điểm: e_ Tốc độ kẹp nhanh se Kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, dễ điều khiển Khuyết điểm e Hành trình kẹp cố định

Uu điểm:

e Có thể thay đổi hành trình kẹp dễ dàng bằng cách thay đổi số vòng

quay của động cơ, do đó có thể thay đổi được lực kẹp

Nhược điểm:

e Kết cấu phức tạp, cân có sự gắn kết giữa động cơ và kết cấu cơ khí

e Cần tính toán sự truyền động ăn khớp để thực hiện đóng mở mỏ

kẹp

Trang 38

DE TAI TOT NGHIEP a) Kết cấu 1 Thanh răng di chuyển vào/ra làm xoay hai gọng kìm, làm cho nó kẹp chặt hoặc nhả ra Hình 2.7 b) Kết cấu 2 Hinh 2.8 c) Kết cấu 3

Cơ cấu kẹp 3 chấu được thực hiện bằng cách xoay chỉ tiết (2) làm

Trang 39

T_T EEE

Sau quá trình phân tích, tay máy được thiết kế như sau:

Hình 2.10: Ảnh chụp sau khi đã chế tạo

2.5 Nguyên tắc hoạt động của Robot:

Cách tay máy có 4 bậc tự do gồm 2 chuyển động xoay quanh trục z và 1

chuyển động tịnh tiến theo phương z

Chuyển động xoay giữa khâu 1 và thân, chuyển động xoay giữa khâu 2 và khâu 1 được thực hiện bằng truyền động ăn khớp giữa các bánh răng Khoảng cách giữa 2 trục của bánh răng không đổi Trục vào của bánh răng 1 cố định với khâu 1, trục ra của bánh răng 2 cố định với bàn máy

Trang 40

Do bánh răng 2 được cố định nên khi động cơ xoay, bánh răng] xoay quanh bánh răng 2 làm cho khâu 1 xoay quanh thân Robot Tương tự cho khâu truyền động xoay giữa khâu 1 và 2

Khâu 3 đi chuyển lên xuống nhờ chuyển động vít me-đai ốc

Định dạng
Số trang	182
Dung lượng	5,95 MB