2.1.1. Sơ đồ khối robot công nghiệp
Về mặt truyền động và điều khiển, robot được cấu tạo từ các khi cấu trúc cơ khí hoạt động nhờ các cơ cấu tác động. Các cơ cấu tác động này c thể hoạt động phi hợp vi nhau để thc hin những công vic phức tạp dưi s điều khiển của một bộ phận c cấu tạo như máy tính, còn gọi là những bộ điều khiển PC - based.
Vi những đặc điểm về cấu tạo và hoạt động thì robot thường được sử dụng trong các h thng sản xuất linh hoạt dạng workcell (FMS - Flexoble Manufacturing
Systems) và các h thng sản xuất tích hợp máy tính (CIM - Computer Integrated Manufacturing). Càng ngày các dây chuyền sản xuất t động c sử dụng robot thay thế dần các dây chuyền sản xuất t động vi chương trình hoạt động “cứng” trưc đây.
Vic ứng dụng robot vào sản xuất gắn liền vi s hiểu biết đầy đủ các vấn đề c liên quan chặt chẽ vi nhau như các dạng nguồn dn động, các h thng và chế độ điều khiển, các cảm biến trang bị trên robot, khả năng của phần mềm và ngôn ngữ lập trình cũng như chọn la các bộ giao tiếp và xuất/nhập tín hiu phù hợp cho các bộ phận chấp hành khác nhau. Trong chương này sẽ đề cập đến những vấn đề cơ bản nhất về các thành phần và cấu hình của một robot công nghip.
Về mặt kết cấu, robot được chế tạo rất khác bit nhau, nhưng chúng được xây dng từ các thành phần cơ bản như nhau
1. Tay máy
2. Nguồn cung cấp 3. Bộ điều khiển
2.1.2. Tay máy (manipulator)
Thuật ngữ “tay máy” và robot trong quan nim của nhiều nhà chuyên môn trong lĩnh vc này không c s khác bit. Để thuận tin trong trình bày, ở đây ta
hiểu tay máy là một dạng robot c cấu tạo mô phỏng theo những đặc điểm cấu tạo cơ bản của cánh tay người. Cũng c thể hiểu tay máy là tập hợp các bộ phận và cơ cấu cơ khí được thiết kế để hình thành các khi c chuyển động tương đi vi nhau, được gọi là các khâu động. Trong đ, phần liên kết giữa các khâu động được gọi là các khp động hay còn gọi là các trục. Tay máy cũng bao gồm cả các cơ cấu tác động là các phần tử thc s thc hin các chuyển động để vận hành tay máy như động cơ đin, xy lanh dầu ép, - xy - lanh khí nén,... Phần quan trọng khác trên các tay máy là bộ phận hay khâu tác động cui (End Effector) để thao tác trên đi -
tượng làm vic thường là các tay gắp hoặc các đầu công cụ chuyên dùng.-
Tay máy c thể gọi là cánh tay cơ khí của robot công nghip thông thường là một chuỗi động hở được tạo thành từ nhiều khâu được liên kết vi nhau nhờ các khp động. Khâu cui (hay khâu tác động cui) của tay máy thường c dạng một tay gắp hoặc được gắn dụng cụ công tác. Mỗi khâu động trên tay máy c nguồn dn động riêng, năng lượng và chuyển động truyền đến cho chúng được điều khiển trên cơ sở tín hiu nhận được từ bộ phận phản hồi là các cảm biến nhằm thông báo trạng thái hoạt động của các khâu chấp hành, trong đ vấn đề được đặc bit quan tâm là vị trí và vận tc dịch chuyển của khâu cui khâu thể hin kết quả tổng hợp các -
chuyển động của các khâu thành phần.
2.1.3. Bậc tự do của tay máy
Thông thường các tay máy c trên một bậc t do. S bậc t do hay bậc chuyển động của tay máy là s khả năng chuyển động độc lập của n trong không gian hoạt động. Trong lĩnh vc robot học (robotic) người ta hay gọi mỗi khả năng chuyển động (c thể là chuyển động thẳng; dọc theo hoặc song song vi một trục, hoặc chuyển động quay quanh trục) là một trục, tương ứng theo đ là một toạ độ suy rộng dùng để xác định vị trí của trục trong không gian hoạt động. Mỗi trục của tay máy đều c cơ cấu tác động và cảm biến vị trí được điều khiển bởi một bộ xử lý
riêng.
Thông qua các khảo sát thc tế, người ta nhận thấy là để nâng cao độ linh
hoạt của tay máy sử dụng trong công nghip, các tay máy phải c s bậc chuyển động cao. Tuy nhiên, s bậc chuyển động này không nên quá 6. Lý do chính là vi
6 bậc chuyển động nếu b trí hợp lý sẽ đủ để tạo ra khả năng chuyển động linh hoạt của khâu tác động cui nhằm c thể tiếp cận đi tượng thao tác (nằm trong vùng không gian hoạt động của n) theo mọi hưng. Ngoài ra, s bậc t do nhiều hơn sáu sẽ không kinh tế và kh điều khiển hơn. Sáu bậc chuyển động được b trí gồm:
- Ba bậc chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị.
* Bậc chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị
Về mặt nguyên lý cấu tạo, tay máy là một tập hợp các khâu được liên kết vi nhau thông qua các khp động để hình thành một chuỗi động hở. Khp động được sử dụng trên các tay máy thường là các khp loại 5 (khp tịnh tiến hoặc khp qua loại 5) để dễ chế tạo, dễ dn động bằng nguồn độc lập và cũng dễ điều khiển. Tay máy c s chuyển động độc lập thường là từ ba trở lên (dưi đây ta sẽ gọi là bậc t do hay bậc chuyển động).
Các chuyển động độc lập c thể là các chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay. Mỗi khâu động trên tay máy, về nguyên tắc, c ít nhất là một khả năng chuyển động độc lập và thường là một. Như vậy khái nim bậc t do hay bậc chuyển động cũng chính là s khả năng chuyển động độc lập mà một tay máy c thể thc hin được.
Trường hợp mỗi khâu động trên tay máy c một khả năng chuyển động độc lập, thì tay máy c bao nhiêu khâu động sẽ c bấy nhiêu bậc chuyển động và cũng c từng ấy khp động hay trục. Các chuyển động cơ bản, hay chuyển động chính trên một tay máy là những chuyển động c ảnh hưởng quyết định đến dạng hình học của không gian hoạt động của n như bạn đọc đ xem ở phần phân loại. Các chuyển động này thc hin vic chuyển dời cổ tay của tay máy đến những vị trí khác nhau trong vùng không gian hoạt động của tay máy vì vậy còn được gọi là các chuyển động định vị.
Bên cạnh các robot tĩnh tại được sử dụng phần ln trong công nghip hin
nay, các loại robot di động cũng được sử dụng trong một s trường hợp đặc bit. Bậc chuyển động của robot di động được xác định bởi s khả năng chuyển động độc lập của n kể cả các chuyển động di động.
Phần ngoài cùng của tay máy (khâu tác động cui - End Effector) thường c dạng của một tay gấp, một bộ phận làm vic vi đi tượng thao tác, c thể tác động trc tiếp vi đi tượng thao tác hoặc được thay thế bởi các dụng cụ công ngh như là ng đưa dây hàn trên robot hàn, đầu phun sơn hoặc phun men, đầu vặn bu-lông,
đai c trong dây truyền lắp ráp t động, v.v...Chuyển động kẹp của tay gắp không được kể khi tính bậc chuyển động bởi vì chuyển động này không ảnh hưởng đến vị trí, toạ độ của tay máy.
Để thuận tin trong vic điều khiển, mỗi bậc chuyển động của tay máy thường là c nguồn dn động riêng, c thể là nguồn dn khí nén, dầu ép hay đin. Một s tay máy dùng chung nguồn dn cho một nhm các chuyển động, tuy nhiên, kiểu dùng chung này cồng kềnh và kém linh hoạt hơn. Phần ln các robot công nghip hin đại (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
có một tay máy. Tuy vậy trong ứng dụng cũng c robot c nhiều tay máy.
* Bậc chuyển động bổ sung (bậc chuyểnđộngđịnh hưng).
dây hàn,v.v... c đủ độ linh hoạt trong chuyển động để đảm bảo khả năng hoàn thành nhim vụ công ngh đặt ra. Để hoàn toàn định hưng đến tư thế làm vic vi đi tượng thao tác cũng cần ti thiểu ba bậc chuyển động, tương t như các chuyển động xoay của c tay người; ba khp quay loại 5 được sử dụng để xoay khâu tác động cui trong mặt phẳng ngang, mặt phẳng thẳng đứng và quay quanh trục của n.
Các bậc chuyển động xoay cổ tay ni trên được gọi là các chuyển động định hưng nhằm tăng khả năng linh hoạt, giúp tay máy c thể dễ dàng định hưng của khâu tác động cui đạt đến tư thế cần thiết để tác động lên đi tượng thao tác, cũng như tăng khả năng tránh chưng ngại vật trong không gian thao tác nhằm cải thin tính chất động lc học của tay máy.
Tuy nhiên, điều cần lưu ý ở đây là thêm càng nhiều bậc chuyển động một mặt sẽ làm tăng khả năng linh hoạt của tay máy, mặt khác cũng kéo theo h quả là làm tăng thêm sai s dịch chuyển, tức là làm tăng sai s tích luỹ trong điều khiển vị trí của khâu tác động cui. Điều này đồng nghĩa vi s gia tăng về chi phí và thời
gian sản xuất và bảo dưỡng robot.
2.1.4. Tay máy toạ độ vuông góc
Robot hoạt động trong h toạ độ này bao gồm ba chuyển động định vị X, Y, Z theo các trục toạ độ vuông góc. Ứng dụng chính của robot loại này là các thao tác vận chuyển vật liu, sản phẩm, đúc, dập, chất dỡ hàng hoá, lắp ráp các chi tiết máy, v.v...
* Ưu điểm:
- Không gian làm vic ln, c thể dài đến 20m.
- Đi vi loại gắn trên trần sẽ dành được din tích sàn ln cho các công
vic khác.
- H thng điều khiển đơn giản.
* Hạn chế:
Vic thêm vào các loại cần trục hay các loại thiết bị vận chuyển vật liu khác trong không gian làm vic của robot không được thích hợp lắm. Vic duy trì vị trí của các cơ cấu dn động và các thiết bị điều khiển đin đi vi loại robot trên đều gặp nhiều trở ngại.
2.1.5. Tay máy toạ độ trụ
Tiêu biểu cho một robot hoạt động trong h toạ độ trụ là robot được trang bị hai chuyển động tịnh tiến và một chuyển động quay.
* Ưu điểm:
- C khả năngchuyển động ngang và sâu vào trong các máy sản xuất.
- Cấu trúc theo chiều dọc của máy để lại nhiều khoảng trng cho sàn.
- Kết cấu vững chắc, c khả năng mang tải ln.
- Khả năng lặp lại tt.
Nhược điểm duy nhất là gii hạn tiến về phía trái và phía phải do kết cấu cơ khí và gii hạn các kích cỡ của cơ cấu tác động theo chiều ngang.
2.1.6. Tay máy toạ độ cầu
Robot loại này được b trí c ít nhất hai chuyển động quay trong ba chuyển động định vị . Dạng robot này là dạng sử dụng điều khiển servo sm nhất.
2.1.7. Tay máy toàn khớp bản lề và SCARA
Loại cấu hình dễ thc hin nhất được ứng dụng cho robot là dạng khp ni bản lề và kế đ là dạng ba trục thẳng, gọi tắt là dạng SCARA Selective Compliance Articulated Robot Actuator) Dạng này và dạngtoạ độ trụ là phổ cập nhất trong ứng dụng công nghip bởi vì chúng cho phép các nhà sản xuất robot sử dụng một cách trc tiếp và dễ dàng các cơ cấu tác động quay như các động cơ đin,động cơ đầu ép,
khí nén.
* Ưu điểm:
- Mặc dù chiếm din tích làm vic ít song tầm vươn khá ln. Tỷ l kích thưc/tầm vươn được đánh giá cao. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Về mặt hình học, cấu hình dạng khp ni bản lề vi ba trục quay b trí theo phương thẳng đứng là dạng đơn giản và c hiu quả nhất trong trường hợp yêu cầu gắp và đặt chi tiết theo phương thẳng đứng. Trong trường hợp này bài toán tọa độ hoặc quỹ đạo chuyển động đi vi robot chỉ cần giải quyết ở hai phương x và y còn lại bằng cách phi hợp ba chuyển động quay quanh ba trục song song vi trục z.
2.1.8. Cổ tay máy
- Bàn tay người c 27 khúc xương vi 22 bậc t do rất phức tạp. Hiển nhiên, các nhà thiết kế khôngbao giờ áp dụng hết các bậc t do đ vào tay gắp của robot. Nhiều nhà nghiên cứu về khoa học phân tích thao tác cũng như các nhà sản xuất đưa ra s bậc chuyển động ti đa hợp lý của tay máy là sáu như đ phân tích ở phần trưc. Cũng ở phần trưc đ trình bày, ngoài ba chuyển động cơ bản để thc hin chuyển động định vị, tay máy sẽ được bổ sung ti đa là ba chuyển động định hưng dạng ba chuyển động quay quanh ba trục vuông gc, gồm:
Chuyển động xoay cổ tay (ROLL), gc quay ρ Chuyển động gập cổ tay (PITCH), gc quay δ Chuyển động lắc cổ tay (YAW), gc quay ε
Hai chuyển động gập (PITCH) và lắc cổ tay (YAW) thc hin trên hai phương vuông gc. Loại robot SCARA không cần thiết phải bổ sung các chuyển động dạng này vì điều đ sẽ phá vỡ đặc trưng hoạt động của n. Tuỳ theo yêu cầu của thao tác công ngh đặt ra cho robot, người thiết kế cần thc hin s phi hợp đa dạng các chuyển động định vị vi các chuyển động định hưng.
Chuyển động gấp, kẹp của khâu công tác cui thường không được tính vào bậc chuyển động (hay bậc t do) của robot ngoại trừ trường hợp tay gắp c dạng tay
2.2. Động học và động lực học của Robot Scara
Theo quan điểm động học, một Robot thường được biểu diễn bằng một chuỗi
động học h , gở ồm các khâu được liên kết v i nhau b ằng các khp. Một đầu của chuỗi được gắn lên thân, còn đầu kia ni vi phần công tác. Kết cấu của Robot
SCARA trong đề tài gồm c khâu được ni vi nhau bằng 4 khp quay, quay, tịnh tiến, quay (4 b c t do). Trong quá trình Robot làm viậ c đòi hỏi ph n công tác phầ ải
được định vịvà định hưng chính xác trong không gian. Động học và động lc học Robot gi i quyả ết lp bài toán:
L p bài toán thu ận căn cứ vào các bi n khế p đểxác định vùng làm vi c c ủa phần công tác và mô t chuyả ển động c a ph n công tác trong vùng làm viủ ầ c. Lp bài toán ngược, xác định các biến khp đểđảm bảo chuyển động cho trưc của phần công tác.
Động l c h c Robot nghiên c u quan h gi a l ọ ứ ữ c, momen, năng lượng,…
vi các thông s chuyển động c a nó. ủ
2.2.1. Bài toán động học
2.2.1.1. Bài toán động học thuận
2.2.1.1.1. Các phép biến đổi toạ độ dùng ma trận thuần nhất
Xét 2 h t ọa độ ọa độ: h t o x yj j j z và h tj ọa độ oi x yi i z . Hi toạđộ oi x yi i zi quay tương đi một góc và t ịnh tiến gc tọa độ o mi ột khoảng p so vi h toạ độ o y zjxj j jnhư hình 2.1 dưi đây.
Gc oj xác định trong h t ọa độ o x yi i i zi b ng vector p :ằ
p = (a, -b, -c, 1) T (2.1) Giả s v ử ịtrí của điểm M trong h t ọa độ o x y z j j j j được xác định b ng vector r ằ j
rj = (x , y , z ,1) (2.2) j j j T H tọa độ o x y z i i i i được xác định b ng vector r : ằ i ri = (x , y , z ,1) (2.3) i i i T Dễ dàng thiết lập được các tọa độ : 1 cos sin sin cos j i j j j i j j j i j j i t t ct z y z bt z y y at x x (2.4)
Hình 2. 2. Chuyển hệ tọa độ i sang j Sắp x p các h sế ứng vi xj , y , z và t thành mj j j ột ma tr n : ậ ij 1 0 0 a 0 cos sin b T 0 sin cos c 0 0 0 1 (2.5)