Thiết kế mạch điều khiển mô hình cánh tay máy 5 bậc tự do dùng vi xử lý 8085

Dựa vào yêu cầu về phần điều khiển của cánh tay máy làm cơ sở cho việc xác định cấu trúc mạch. Do đó vấn đề đầu tiên là phải nghiên cứu kỹ cấu tạo của tay máy,tiếp theo phải tìm hiểu rõ yêu cầu để điều khiển cánh tay

Thiết kế mạch điều khiển mô hình cánh tay máy 5 bậc tự do dùng vi xử lý 8085 Chương 1: LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Thuật ngữ ROBOT xuất hiện vào năm 1920 trong một tác phẩm văn học của nhà văn Tiệp Khắc có tên Karel Capek. Thuật ngữ Inducstrial Robot (IR) - xuất hiện đầu tiên ở Mỹ do công ty AMF (American Manchine and Foundry company) quảng cáo mô tả một thiết bò mang dáng dấp và có một số chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất thiết bò có tên gọi Versatran. Quá trình phát triển của IR có thể tóm tắt như sau: - Từ những năn 50 ở Mỹ xuất hiện viện nghiên cứu đầu tiên. - Đang đầu những năm 60 xuất hiện sản phẩm đầu tiên tên Versatran của công ty AMF. - Ở Anh người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo các IR theo bản quyền của Mỹ từ năm 1967; - Ở các nước Tây Âu khác như : Đức, Ý, Pháp, Thụy Điển, từ những năm 70. - Châu Á có Nhật bắt đầu nghiên cứu ứng dụng IR từ năm 1968. Đến nay trên thế giới có khoảng trên 20 công ty sản xuất IR trong số đó có 80 công ty của Nhật , 90 công ty của các nước Tây Âu, 30 công ty của Mỹ và một số công ty ở Nga, Tiệp … Theo chủng loại, mức độ điều khiển, và khả năng nhận biết thông tin của tay máy - người máy đã được sản xuất trên thế giới có thể phân loại các IR thành các thế hệ sau: Thế hệ 1 : thế hệ có kiểu điều khiển theo chu trình dạng chương trình cứng không có khả năng nhận biết thông tin Thế hệ 2 : thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kì dạng chương trình mềm bước đầu đa có khả năng nhận biết thông tin Thế hệ 3 : thế hệ có kiểu điều khiển dạng tinh khôn ,có khả năng nhận biết thông tin và bước đầu đã có một số chức năng lý trí của con người Đối với tay máy công nghiệp đã có hơn 250 loại ,trong số đó có hơn 40% là loại tay máy có kiểu điều khiển đơn giản thuộc thế hệ thứ nhất . Sự xuất hiện của robot và sự gia tăng vai trò của chúng trong sản xuất và xã hội loài người làm xuất hiện một ngành khoa học mới là ngành robot học (Robotic) . trên thế giới ở nhiều nước đã xuất hiện những viện nghiên cứu riêng về robot . Ở Việt Nam, từ những năm giữa của thập kỷ 80 đã có viện nghiên cứu về robot . 3.2 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CHỨC NĂNG CỦA IR Vậy robot là gì ? cho tới hiện nay chưa có một đònh nghóa chính xác về robot, và cứ hai năm một lần trên thế giới người ta lại tổ chức một hội nghò khoa học bàn về robot nhằm thông tin những thành tựu đã đạt được trong nghiên cứu và chế tạo robot đồng thời thống nhất các thuật ngữ về robotic. để hiểu được về IR, trước hết chúng ta quan sát sơ đồ cấu trúc và chức năng của IR như sau: Hình 3.1 : Sơ đồ cấu trúc và chức năng của robot Trong sơ đồ trên các đường chỉ thò mối quan hệ thông tin thuận , thông tin chỉ huy thực hiện nhiệm vụ cho robot. Các đường chỉ mối liên hệ thông tin ngược, thông tin phản hồi về quá trình làm việc của robot. Người vận hành Thiết bò liên lạc với người vận hành Hệ thống đều khiển Hệ thống Truyền động Hệ thống chòu lực Hệ thống cảm biến tín hiệu Môi trường Bên ngoài Liênhệ ngược Liên hệ ngïc Chức năng của bộ phận giao tiếp là liên lạc với người vận hành là thực hiện quá trình “Dạy học “ cho robot, nhờ đó Robot biết được nhiệm vụ phải thực hiện. Chức năng của hệ thống điều khiển là thực hiện việc tái hiện lại các hành động (nhiệm vụ) đã được ‘học’. Bộ phận chấp hành giúp cho Robot có đủ “sức”, tức chòu được tải trọng mà robot phải chòu trong quá trình làm việc , bộ phận này bao gồm các bộ phận, phần 1 - bộ phận truyền chuyển động - phần tạo các khả năng chuyển động cho robot và phần 2 - bộ phận chòu lực - phần chòu lực của Robot . Bộ phận cảm biến tín hiệu làm nhiệm vụ nhận biết, đo lường và biến đổi thông tin các loại tín hiệu như: các nội tín trong bản thân Robot - đó là các tín hiệu về vò trí, vận tốc, gia tốc trong từng thành phần của bộ phận chấp hành các ngoại tín hiệu - là các tín hiệu từ môi trường bên ngoài có ảnh hưởng tới hoạt động của Robot . Với cấu trúc và chức năng như trên Robot phần nào mang tính “người“ còn phần máy chính là trạng thái vật lý của cấu trúc. Với IR, tính chất người và ” máy” cũng được thể hiện đầy đủ như trên, duy chỉ hình thức mang dáng dấp của tay “Người”. 3.3 CẤU TRÚC TỔÀNG QUÁT CỦA IR Chúng ta hãy xem xét cấu trúc của một tay máy công nghiệp có sơ đồ ở hình 3.2. Tay máy trên hình 3.2 có 6 bậc tự do với 6 trục chuyển động như sau: 1. Chuyển động quét của tay máy (chuyển động quay phải hay quay trái của thân người); 2. Chuyển động lên hay xuống theo chiều thẳng đứng (chuyễn động của khớp bả vai) 3. Chuyển động duổi ra hay co vào của cánh tay (chuyển động của khớp khuỷu tay) 4. Chuyển động lật lên xuống của bàn tay so với cổ tay; 5. Chuyển động quay ngược hay thuận chiều kim đồng hồ của bàn tay so với cổ tay. So với chuyển động của tay người (không tính đến chuyển động của các ngón tay) có 10 bậc tự do (10 khả năng chuyển động độc lập) tay máy trên là loại có đủ khả năng nắm bắt một vật bất kỳ trong không gian. Tay máy công nghiệp thường có các bộ phận chính sau: - Hệ thống điều khiển; - Hệ thống chấp hành : Bao gồm Các nguồn động lực, hệ thống truyền động, hệ thống chòu lực; - Bàn kẹp : Bàn kẹp là bộ phận công tác cuối cùng của tay máy ,nơi cầm nắm các thiết bò cộng nghệ hay vật cần duy chuyển , bộ phận chấp hành _ phần kết cấu cơ khí của tay máy bao gồm các loại động cơ như : các động cơ thủy lực, khí nén, cơ cấu servo điện tử, động cơ bước mỗi chuyển động của IR thường có một động cơ riêng và các thanh chòu lực. Hệ thống điều khiển - thường là loại đơn giản làm việc có chu kỳ vận hành theo nguyên lý của hệ thống điều khiển hở hoặc kín. Hình 3.2 : Mô hình hệ thống chấp hành tay máy công nghiệp Chương 2: Phân loại tay máy theo cấu trúc sơ đồ động Thông thường cấu trúc chấp hành của tay máy công nghiệp được mô hình hóa trong dạng chuổi động với các khâu và khớp như trong nguyên lý máy với các giả thuyết cơ bản như sau: - Chỉ dùng các khớp động loại 5 (khớp quay, khớp tònh tiến, khớp vít) - Trục quay hướng tònh tiến của các khớp thì song song hay vuông góc với nhau. - Chuổi động là chuổi động hở, đơn giản. Dưới đây là chuổi động của một tay máy công nghiệp tổng quát có 6 bậc tự do, các khớp A, B, F là các khớp tổng quát có nghỉa là chúng có thể là khớp quay, cũng có thể là khớp tònh tiến, các khớp D, E, K chỉ là những khớp quay. Các khâu được đánh số bắt đầu từ khâu 0 _ giá cố đònh , tiếp đến là các khâu 1, 2, …, n _ các khâu động _ khâu tổng quát ký hiệu là khâu i, (i=0,1,2,…,n), khâu, khâu n cuối cùng là khâu mang bàn kẹp của tay máy. Tương tự như tay người để bàn kẹp (bàn tay) làm việc được cần có ba loại chuyển động, tương ứng với các chuyển động này là ba dạng cấu trúc của tay máy như sau: Cấu trúc chuyển động toàn bộ (Chân người) cấu trúc này thực hiện chuyển động đem toàn bộ tay máy (tay người) đến vò trí làm việc . Cấu trúc này hết sức đa dạng và thông thường nếu không phải là tay máy hoạt động trong hệ thống mà chuyển động này cần có sự kiểm soát người ta thường coi tay máy là đứng yên khâu 0 gọi giá cố đònh của tay máy. Cấu trúc xác đònh hàm kẹp bao gồm các khớp AB và F các khâu 1, 2 và 3, chuyển động của cấu trúc này nhằm đem theo bàn kẹp tới vò trí làm việc .Do giả thiết về loại khớp động dùng trong chế tạo máy thông thường ta có những phối hợp sau đây của các khớp và từ đó tạo nên các cấu trúc xác đònh vò trí của bàn kẹp trong các không gian vò trí làm việc khác nhau của bàn kẹp . Phối hợp TTT nghóa là 3 khớp đều là khớp tònh tiến và một khớp quay. Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ tọa độ đề các so với các tọa độ S 0 vì điểm M nằm trên khâu 3 được xác đònh bởi ba chuyển động tònh tiến và một chuyển động quay (tức là hai tọa độ dài) Phối hợp TRT, RTT hayTTR, nghóa là một khớp tònh tiến hai khớp quay (các cấu trúc 2,3 và 4). Đây là là cấu trúc hoạt động trong hệ tọa độ trụ so với điểm S 0 vì để M trên khâu 3 được xác đònh bở hai chuyển động tònh tiến và một chuyển động quay (tức là hai tọa độ dài một tọa độ gốc) Phối hợp RTR, RRT hay TTR nghóa là hai khớp tònh tiến và hai khớp quay (các cấu trúc 5, 6, 7, 8, 9 và 10). Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ tọa độ cầu so với hệ S 0 , vì điểm M trên khâu 3 được xác đònh bởi một chuyển động tònh tiến và hai chuyển động quay (tức là một tọa độ dài, hai tọa độ góc) Phối hợp RRR nghóa là ba khớp quay (các cấu trúc 11,12) đây là các cấu trúc họat động trong hệ tọa độ góc so với hệ S 0 vì điểm M trên khâu 3 được xác đònh bởi ba chuyển động quay (tức là ba tọa độ góc), cấu trúc này được gọi là cấu trúc phỏng sinh học. Tuy nhiên trong thực tế, đối với các tay máy chuyên dùng hay chuyên môn hóa và đặc biệt đảm bảo giá thành đầu tư vào