Robot cần thiết kế là robot dùng trong lắp ráp các chi tiết cơ khí tương đối nhẹ, có thể đặt trong những nơi khác nhau với các công việc khác nhau, các yêu cầu kỹ huật cụ thể như sau:
a. Sức nâng của tay máy
Đó là khối lượng lớn nhất của vật thể mà robot có thể nâng được (không kể khối lượng của các cơ cấu trong tay máy) trong điều kiện nhất định, ví dụ khi tốc độ dịch chuyển cao nhất hoặc khi tay với dài nhất. Nếu robot có nhiều tay thì đó là tổng sức nâng của các cánh tay. Thông số này quan trọng với các robot vận chuyển, xếp dỡ, lắp ráp,… Dải sức nâng của tay máy thay đổi rất rộng từ 0.1 đến hàng nghìn kilogram. Các robot có sức nâng lớn thường dùng hệ truyền động thủy lực và điện, trong đó tỉ lệ dùng động cơ điện ngày càng tăng. Truyền động khí nén cho đến nay vẫn dùng nhiều trong robot công nghiệp nhưng chủ yếu với các robot có sức nâng dưới 40kg.
Đối với một số kiểu robot, ngoài sức nâng, người ta còn quan tâm đến lực hoặc momen lớn nhất mà cánh tay hoặc bàn tay có thể sinh ra.
Robot làm việc trong phòng thí nghiệm đảm nhận một công đoạn trong một dây chuyền sản xuất (CIM). Vì vậy tay máy chỉ nâng các vật có khối lượng vừa đủ với các hình dạng khác nhau.
b. Số bậc tự do của phần công tác (DOF : Degrees Of Freedom)
Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến). Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do. Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức :
𝑊 = 6𝑛 − ∑ 𝑖𝑝𝑖
5
𝑖=1
Trong đó: n là số khâu động pi là số khớp loại i
Do khớp trong Robot thường là khớp quay hoặc khớp tịnh tiến nên số bậc tự do của Robot thường bằng số khâu động.
Số bậc tự do của Robot quyết định đến tính linh hoạt của Robot trong quá trình làm việc. Số bậc tự do càng lớn Robot càng linh hoạt, càng nhiều phương án để điểm thao tác thực hiện được yêu cầu công việc, điều này rất ý nghĩa trong trường hợp Robot làm việc trong môi trường có nhiều chướng ngại vật. Tuy nhiên số bậc tự do chuyển động này không nên lớn hơn sáu, bởi với sáu bậc tự do nếu bố trí một cách hợp lý, sẽ đủ để tạo ra khả năng chuyển động linh hoạt của khâu tác động cuối nhằm có thể tiếp cận đối tượng theo mọi hướng. Mặt khác cũng phải thừ nhận rằng số bậc tự do lớn kéo theo hệ quả là: tang thêm sai số dịch chuyển, tang chi phí, thời gian sản xuất và bảo dưỡng Robot. Do đó tùy theo yêu cầu, chức năng mà người ra lựa chọn số bậc tự do cho tay máy Robot thích hợp.
c. Vùng làm việc của Robot
Vùng làm việc của Robot là toàn bộ vùng tích mà điểm tác động cuối có thể thao tác được khi Robot có thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Thể tích và hình dáng của vùng làm việc phụ thuộc vào kết cấu của tay máy và miền giá trị của các biến khớp.
Nghiên cứu vùng làm việc của Robot giúp cho nhà thiết kết biết được các giới hạn, đường biên của vùng không gian làm việc để bố trí một cách hợp lý vị trí của tay máy hoặc Robot với các thiết bị phối hợp thao tác khác trong hệ thống.
Hình 3.1: Vùng làm việc của Robot [12]
Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo qui tắc bàn tay phải : Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xoè 3 ngón : cái, trỏ và giữa theo 3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của trục z, thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị phương, chiều của trục y.
Trong robot ta thường dùng chữ O và chỉ số n để chỉ hệ toạ độ gắn trên khâu thứ n. Như vậy hệ toạ độ cơ bản (hệ toạ độ gắn với khâu cố định) sẽ được ký hiệu là O0; hệ toạ độ gắn trên các khâu trung gian tương ứng sẽ là O1, O2,..., On-1, Hệ toạ độ gắn trên khâu chấp hành cuối ký hiệu là On
Theo phương án bố trí các khớp của robot ta đã chọn thì các kiểu tọa độ mà robot hoạt động là loại tọa độ góc. Loại hình này robot có tính linh hoạt cao hơn, khả năng di chuyển theo những quỹ đạo phức tạp hơn và có khả năng tránh các vật cản tốt hơn.
Cấu hình của loại robot sẽ thiết kế là robot loại RRR. Ba bậc tự do đầu tiên đảm nhiệm việc di chuyển nhanh đến đối tượng thao tác. Kết hợp thêm khớp thứ tư để robot có khả năng di chuyển những quỹ đạo phức tạp như tịnh tiến theo phương của ba trục. Còn khớp cuối cùng có nhiệm vụ hướng đối tượng thao tác theo một hướng nhất định là thuận tiện nhất
d. Tay máy kiểu tọa độ góc
Đây là một trong những loại tay máy Robot được 32ung phổ biến trong các nhà máy sản xuất. Chúng có kết cấu chính gồm các thanh kiên kết với nhau thông qua ba khớp quay. Trong đó trục của khớp quay thứ nhất vuông góc với trục của hay khớp quay còn lại. Do đặc điểm cấu trúc này của tay máy rất giống với cấu trúc cánh tay ngoài nên người ta còn gọi tay máy này là “Tay máy kiểu
tay người”.
Ưu điểm chính của tay máy loại này là:
Kích thước nhỏ gọn (so với kích thước của tay máy thì vùng làm việc của chúng tương đối rộng).
Nhờ đặc điểm tay máy gồm các khâu liên kết với nhau thông qua các khớp quay do đó độ linh hoạt của Robot cao.
Yêu cầu bảo dưỡng, bôi trơn các khớp quay đơn giản, các khớp ít bị mài mòn.
Hình 3.3: Tay máy hệ tọa độ góc [12]
Tuy nhiên bên cạnh đó tay máy còn tồn tại những nhược điểm là:
Độ cứng vững của tay máy thấp, không thích hợp với việc vận chuyển các vật có khối lượng lớn.
Độ chính xác vị trí thấp.
Việc giải các bài toán động học, động lực học các tay máy Robot tương đối phức tạp, nhất là đối với những bài toán động học ngược. Do đó việc thiết kế, điều khiển tay máy tương đối khó.
Với những đặc điểm trên, hiện nay có rất nhiều Robot tương đối phức tạp, nhất là đối với những bài toán động học ngược. Do đó việc thiết kế, điều khiển tay máy tương đối khó.
Với những đặc điểm trên, hiện nay có rất nhiều Robot được thiết kế theo hệ tọa độ này, điển hình phải kể đến các Robot : Robot PUMA của hang Unimation – Nokia (Hoa Kỳ - Phần Lan), Ilb6-Irb60 ASEA (Thụy Điển), KuKa (Nhật Bản) …