bài giảng môn điều khiển robot

Chương I TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ CƠ SỞ TOÁN HỌC TRONG ĐIỀU KHIỂN ROBOT Bài 1. LỊCH SỬ RA ĐỜI VÀ PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT Năm 1920 thuật ngữ Robot xuất phát từ Robota từ một kỹ sư người Tiệp Khắc. Đến năm 1950 đã có những nghiên cứu và ứng dụng đơn giản về Robot Từ năm 1950 đến 1970 là giai đoạn bắt đầu nghiên cứu và từng bước áp dụng Robot trong công nghiệp như ở các nước Mỹ Nhật năm 1954, George C.Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là “ Cơ cấu chuyển hàng theo chương trình”. Đến năm 1956 Devol cùng với Joseph F.Engelber, một kỹ sư trẻ của công nghiệp hàng không, đã tạo ra loại Robot công nghiệp năm 1959 mang tên là Unimate ở công ty Unimation. Và sau gần 20 năm mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm Robot đầu tiên này. Chiếc Robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên năm 1961 ở một nhà máy ôtô của General Motors tại Trenton, New Jesey Hoa Kỳ. Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc Robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Hoa Kỳ (American Machine & Foundry Company). Từ năm 1970 ÷ 1990:nhiều nước Châu Âu và Châu Á đã tập trung nghiên cứu và ứng dụng robot trong công nghiệp. Năm 1990 có hơn 40 công ty Nhật Bản trong đó có những công ty khổng lồ như công ty Hitachi và công ty Mitsubishi đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng. Và cho đến nay ngày càng có nhiều nghiên cứu và ứng dụng về Robot thông minh, Robot phục vụ. Theo thống kê, tổng số lượng Robot hiện có khoảng một triệu con với tổng số loại là 250 loại khác nhau. Số nhà máy sản xuất và liên quan đến sản xuất có khoảng 200 công ty trong đó có 20 công ty ở Mỹ, ở Châu Âu có 30 công ty, Nhật Bản 40 công ty và các nước khác. Bài 2. CẤU TRÚC CHUNG VÀ PHÂN LOẠI ROBOT 1, Cấu trúc chung a. Khái niệm Robot công nghiệp. Robot công nghiệp được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt theo nghĩa rộng là một tay máy đa năng có thể lập trình nhằm vụ các công việc, các thao tác, thay thế chức năng lao động công nghiệp của con người. b. Về cấu trúc Robot chia làm 3 phần chính. + Vận động. + Năng lượng. + Điều khiển. Ta có sơ đồ cấu trúc của Robot công nghiệp thông thường. Sơ đồ trên biểu diễn các bộ phận chủ yếu cấu tạo nên một Robot công nghiệp loại thông thường. - Tay máy gồm các bộ phận. 1, Đế 2, Cơ cấu di động. 3, Thân dưới. 4, Thân trên. 5, Cánh tay. 6, Bàn kẹp(tay nắm). 7, Dụng cụ(tùy yêu cầu công việc). 8, Các khớp. Trong Robot công nghiệp có 2 loại khớp: - Khớp quay(biến trục θ ). - Khớp tịnh tiến(biến trục d). Ở bên trong hoặc bên ngoài tay máy còn có nhiều bộ phận khác. Camera Máy tính HT dẫn động HT điều Khiển Nội tín hiệu Ngoại tín hiệu - Hệ thống dẫn động: Có thể là cơ khí, thủy khí hoặc là điện, là bộ phận chủ yếu tạo nên sự chuyển dịch ở các khớp động. - Hệ thống điều khiển: Đảm bảo sự hoạt động của Robot theo các thông tin đặt trước hoặc nhận biết được trong quá trình làm việc. - Hệ thống cảm biến tín hiệu thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về hoạt động của bản thân Robot (cảm biến nội tín hiệu) và của môi trường mà Robot phục vụ(cảm biến ngoại tín hiệu). Các thông tin đặt trước hoặc cảm biến được sẽ đưa vào hệ thống điều khiển sau khi xử lý bằng máy vi tính, rồi tác động vào hệ thống dẫn động của tay máy. Trực tiếp liên hệ với bàn kẹp là các dụng cụ (Tool) thao tác với môi trường và đối tượng làm việc. Tại từng khớp có bộ điều khiển biến trục (θ, d) (Robot Scorb) 2, Phân loại Robot. - Theo số bậc tự do (DOF: degree of freedom) Robot công nghiệp là thiết bị tự động nhiều công dụng. Cơ cấu tay máy của chúng phải được cấu tạo sao cho bàn kẹp giữ vật kẹp theo một hướng Hàm ĐK DAC Mã hóa CB tốc độ _ + Counter _ e ADC-quang trở θ Tín hiệu đặt Nguồn cung cấp ~ PWM K 2 Motor t + K 1 nhất định nào đó và chỉ di chuyển dễ dàng trong vùng làm việc. Muốn vậy cơ cấu tay máy phải được một số bậc tự do chuyển động. Bậc tự do: Được xác định bởi số vị trí ít nhất cần thiết để xác định hoàn toàn cấu hình của tay máy hay nói cách khác là số chuyển động không phụ thuộc để tay máy đạt được vị trí mong muốn. Người ta quy ước số bậc tự do của cơ cấu tay máy là không kể đến các chuyển động đóng mở bàn kẹp, thông thường số bậc tự do bằng số khớp của Robot. - Theo phương pháp điều khiển: + Điều khiển điểm (point to point). + Điều khiển theo quỹ đạo liên tục(continuos path). - Theo hệ thống năng lượng: + Năng lượng điện. + Năng lượng thủy lực. Các hệ tọa độ được dùng khi thực hiện chuyển động cơ bản: Robot hoạt động theo tọa độ hình cầu , hình trụ. 3. Một số cấu trúc điển hình: • Robot Decade(Cartesian Robot ). Robot dạng này thường có 3 trục tịnh tiến vuông góc với nhau bằng các chuyển động tịnh tiến đó, Robot dạng này có phạm vi hoạt động dạng hình hộp. • Robot trụ (Cylindrical Robot ). Robot dạng này bao gồm 2 khớp tịnh tiến và 1 khớp quay. Trên thân đế có thân trụ quay góc θ chuyển động thẳng đứng theo chiều Z và chuyển động hướng kính R được thực hiện bằng các bộ truyền vít đai ốc bi. r θ z • Robot hình cầu(Spherical Arm). Loại Robot này có các chuyển động cơ bản hoạt động trong hệ tọa độ cầu. Các chuyển động cơ bản gồm quay trên một góc ϕ , nâng nghiêng góc θ và tịnh tiến hướng hình • Robot SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm). (trục quay song song với nhau) Robot này có 3 trục song song với nhau với 3 góc θ 1 , θ 2 , θ 3 . θ 2 θ 3 θ 1 H • Robot đa năng. θ 1 θ 2 H θ 3 Bài 3. ỨNG DỤNG CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP 1. Các ứng dụng cơ bản. a, Ứng dụng trong vận chuyển, đóng gói. Dịch chuyển các vật thể từ vị trí này đến vị trí khác theo yêu cầu công việc: Dự trữ, bảo quản, đóng gói và Robot có nhiệm vụ theo quỹ đạo xác định trước con người lập trình. VD: + Sắp xếp vật liệu, sắp xếp container. + Cấp phôi vào, lấy phôi ra cho máy gia công cơ khí. + Đóng gói. b, Điều khiển vận hành các quá trình công nghệ Robot tham gia vào quá trình từ vật liệu thô đến sản phẩm thông qua các công cụ cụ thể đặt trong Robot . - Hàn cắt kim loại chiếm 33% tổng số Robot đang dùng trên thế giới. - Lắp ráp máy móc điện và các linh kiện điện tử. Chiếm 25% tổng số Robot hiện có. - Sơn phun, đánh bóng, đột dập, tán đinh. c, Đo lường, chỉ báo và kiểm định hàng hóa. Robot tham gia vào việc phân loại, kiểm tra các tiêu chuẩn về mặt chất lượng, kích cỡ: Từ kiểm định hàng, đánh dấu hàng hóa đến thống kê, phát hiện và loại trừ hàng kém chất lượng… 2. Ưu, nhược điểm của việc ứng dụng Robot và hướng phát triển Robot hiện nay. a, Ưu, nhược điểm của việc ứng dụng Robot * Ưu điểm: - Robot có thể thay thế con người trong môi trường làm việc độc hại và giảm tai nạn rủi ro cho con người. - Có tính mềm dẻo đa năng do tính mềm dẻo của người lập trình. - Có thể đạt tới độ chính xác cao mà bàn tay con người không thể làm được. - Tăng năng suất lao động, giảm giá thành sản phẩm. - Nâng cao cấp tự động hóa trong dây chuyền sản xuất. - Tiết kiệm nguồn nhân lực. * Nhược điểm: - Giá thành đầu tư cao. - Gây ra dôi dư lực lượng lao động. - Tỷ lệ tải trọng < 1 ( Khối lượng tải/khối lượng Robot < 1). - Tốc độ hoạt động thường không cao do thời gian để điều khiển tương đối lớn. - Độ chính xác điều khiển phụ thjuộc vào nhiều yếu tố môi trường( nhiệt độ của Robot < 45 0 C). b, Xu hướng phát triển Robot đã trải qua 5 thế hệ: - Playback Robot : Robot lặp - Servo controlled Robot : Robot điều khiển dạng servo - Vision controlled Robot (có sử dụng Camera) - Adaptively – controlled Robot : Robot thích nghi. Hiện đang nghiên cứu sản xuất: - Artifical Intelligent Robot : Robot phục vụ. * Hướng phát triển: - Robot sẽ ngày càng thay thế nhiều lao động hơn để giảm bớt nhân công. - Robot ngày càng trở nên chuyên dụng, modul hóa và độ chính xác cao hơn. - Robot ngày càng đảm nhận nhiều hơn công việc lắp ráp. - Robot di động ngày càng trở nên phổ biến. - Robot ngày càng trở nên tinh khôn hơn. BÀI 4. MỘT SỐ CƠ SỞ TOÁN HỌC TRONG NGHIÊN CỨU VẬN ĐỘNG ROBOT *Đặt vấn đề: Một hệ trục tọa độ có thể biểu diễn bằng ma trận 4*4 trong đó ba cột đầu của ma trận là các vecto đơn vị của ba trục và cột còn lại biểu diễn vị trí của gốc tọa độ. Hệ trục tọa độ gắn với vật thể gọi là khung tọa độ. Giữa các khung tọa độ có sự biến đổi thông qua các phép biến đổi. Hơn nữa, việc xác định động học vị trí Robot, lực và momen trong khi robot chuyển động trong không gian là cần thiết. Mặt khác, lực và momen là các đại lượng có thể biểu diễn bằng vectơ. Chính vì vậy, vectơ, ma trận và các phép toán của chúng là cơ sở toán học căn bản và nhất thiết phải được đề cập đến trong nghiên cứu vận động Robot trong không gian. *Kiến thức cần nắm vững Trong bài này ta cần phải nắm được việc biểu diễn điểm trong không gian, vectơ và các phép toán về vectơ đặc biệt là nắm vững về ma trận, ma trận nghịch đảo và các phép toán về ma trận. Đồng thời cũng phải biết được các hệ trục không gian thông qua bài này. 1, Vectơ và các phép toán về vectơ: a, Biểu diễn điểm trong không gian . nhiệt độ của Robot < 45 0 C). b, Xu hướng phát triển Robot đã trải qua 5 thế hệ: - Playback Robot : Robot lặp - Servo controlled Robot : Robot điều khiển. TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ CƠ SỞ TOÁN HỌC TRONG ĐIỀU KHIỂN ROBOT Bài 1. LỊCH SỬ RA ĐỜI VÀ PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT Năm 1920 thuật ngữ Robot xuất phát từ Robota từ