Bài giảng Rô bốt công nghiệp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:189

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

"Bài giảng Rô bốt công nghiệp" có nội dung chính gồm ba chương như sau: Chương 1 - Tổng quan về Rô bốt công nghiệp, chương - Điều khiển rô bốt công nghiệp và chương 3: Các cơ cấu và trang bị trên rô bốt công nghiệp. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Rô bốt công nghiệp

LỜI NÓI ĐẦU Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước là mục tiêu hàng đầu trong công cuộc xây dựng phát triển của nước ta, "Đến năm 2020 đất nước ta về cơ bản phải trở thành nước công nghiệp". Rô bốt là thành phần chủ chốt trong tự động hóa công nghiệp. Yếu tố quyết định cho việc sử dụng Rô bốt trong sản xuất công nghiệp một cách khá phổ biến hiện nay là do tính linh hoạt trong vận hành, hoạt động tinh vi, nhanh và chuẩn xác, có khả năng thay thế con người làm việc trong môi trường độc hại và không an toàn. Việc ứng dụng Rô bốt công nghiệp vào trong sản xuất là thực sự cần thiết bởi nó sẽ làm thay đổi cục diện tại các nhà máy và bắt kịp được sự phát triển chung của thế giới. Trong những năm gần đây, việc ứng dụng của công nghệ tự động và tự động hóa vào trong sản xuất là nhu cầu bắt buộc tối thiểu. Việc biên soạn giáo trình và giảng dạy môn học “Rô bốt công nghiệp” trong các trường đại học mang tính hàn lâm nhiều hơn là tính công nghệ. Chính vì lẽ đó mà các giáo trình biên soạn khó phù hợp với đội ngũ giáo viên dạy nghề. Qua nhiều năm nghiên cứu giảng dạy, tham khảo các tài liệu liên quan và tham gia nghiên cứu tại các nhà máy chúng tôi biên soạn bài giảng “Rô bốt công nghiệp”. Bài giảng nhằm mục đích phục vụ cho học tập và nghiên cứu của học sinh – sinh viên khoa Điện – Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Bài giảng mang tính công nghệ được biên soạn dựa theo nội dung chương trình giảng dạy môn học: “Rô bốt công nghiệp” dành cho sinh viên đại học ngành công nghệ kỹ thuật điện, công nghệ tự động. Nội dung của tập bài giảng gồm ba chương như sau: Chương 1: Tổng quan về Rô bốt công nghiệp Chương 2: Điều khiển rôbốt công nghiệp Chương 3: Các cơ cấu & trang bị trên rôbốt công nghiệp Bài giảng được trình bày rõ dàng ngắn gọn dễ hiểu. Nội dung từng phần thể hiện rõ sự gắn liền lý thuyết với thực tế sản xuất hiện đại ngày nay. Cuối mỗi chương đều có các câu hỏi và bài tập kèm theo để sinh viên dễ dàng củng cố được nội dung kiến thức và có khả năng áp dụng trực tiếp vào quá trình sản xuất. -1-
Để có được tập bài giảng “Rô bốt công nghiệp” này chúng tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ của trung tâm thực hành, các thầy cô giảng dạy phần rô bốt hàn thuộc khoa Cơ khí. Chúng tôi xin cảm ơn sự quan tâm tạo điều kiện của Ban Giám hiệu, hội đồng khoa học các cấp, các phòng ban chức năng trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Bài giảng được biên soạn lần đầu chắc hẳn không tránh khỏi những khiếm khuyết chúng tôi rất mong nhận được các ý kiến góp ý của các thầy cô giáo và các em sinh viên. Mọi ý kiến góp ý xin gửi về bộ môn Kỹ thuật điều khiển - Khoa Điện -Điện tử - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Trân trọng./. Nam định, tháng 10 năm 2013 Các tác giả -2-
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ RÔ BỐT CÔNG 1.1. Sơ lượt quá trình phát triển của Rô bốt công nghiệp (IR) : Trên thế giới Thuật ngữ "Rô bốt" xuất phát từ tiếng Sec (Czech) "Rôbốta" có nghĩa là công việc tạp dịch (trong vở kịch Rossum's Universal Rô bốt của Karel Capek, vào năm 1921). Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người. Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là "Người máy công nghiệp" (Industrial Rô bốt - IR). Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay Rô bốt công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất. Về mặt kỹ thuật, những Rô bốt công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool). Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ. Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong. Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của người thao tác; nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ). Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tuỳ ý của tay cầm và bộ kẹp. Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm. Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay. Những Rô bốt đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số. Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của người máy công nghiệp. Một trong những Rô bốt công nghiệp đầu tiên được chế tạo là Rô -3-
bốt Versatran của công ty AMF, Mỹ. Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại Rô bốt Unimate -1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô. Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất Rô bốt công nghiệp : Anh -1967, Thuỵ Điển và Nhật -1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức -1971; Pháp - 1972; ở ý - 1973. . . Tính năng làm việc của Rô bốt ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý. Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu Rô bốt hoạt động theo mô hình "mắt-tay", có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến. Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại Rô bốt được điều khiển bằng máy vi tính, gọi là Rô bốt T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai). Rô bốt này có thể nâng được vật có khối lượng đến 40kg. Có thể nói, Rô bốt là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ "tri thức" ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia ... Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của Rô bốt không ngừng phát triển. Các Rô bốt được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường chung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện tử đã tạo ra các thế hệ Rô bốt với nhiều tính năng đăc biệt, số lượng Rô bốt ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, Rô bốt công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại. Một vài số liệu về số lượng Rô bốt được sản xuất ở một vài nước công nghiệp phát triển như bảng 1.1 sau : Bảng 1.1. số liệu về số lượng Rô bốt được sản xuất ở một vài nước công nghiệp Nước sản xuất Năm 1990 Năm 1994 Năm 1998 Nhật 60.118 29.756 67.000 Mỹ 4.327 7.634 11.100 Đức 5.845 5.125 8.600 ý 2.500 2.408 4.000 Pháp 1.488 1.197 2.000 Anh 510 1.086 1.500 Hàn quốc 1.000 1.200 -4-
Mỹ là nước đầu tiên phát minh ra Rô bốt, nhưng nước phát triển cao nhất trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo và sử dụng Rô bốt lại là Nhật. Ở Việt Nam Nghiên cứu phát triển rô bốt ở Việt Nam có những bước tiến đáng kể trong 25 năm qua. Vào giai đoạn 1985-1990, chương trình nghiên cứu quốc gia về tự động hóa đã có những đề tài nghiên cứu và chế tạo rô bốt do Trung tâm Tự động hóa, Đại học Bách khoa Hà Nội chủ trì. Các rô bốt được chế tạo thời gian này là một số loại tay máy được điều khiển bằng khí nén rất cồng kềnh và chưa có phần điều khiển điện tử. Thiết kế rô bốt nặng về thiết kế cơ khí, chi tiết máy. Các chuyển động của các khớp chưa có vòng điều khiển servo mà chủ yếu dùng các công tắc hành trình là chính. Tuy không có khả năng ứng dụng nhưng các rô bốt này đã dấy lên hướng đào tạo về rô bốt ở Đại học Bách khoa Hà Nội trong khi ở các trường đại học khác trên toàn quốc chưa có khái niệm về môn học về rô bốt cả ở các khoa cơ khí lẫn khoa điện. Các rô bốt được thiết kế và chế tạo ở Việt Nam thực sự có nhiều khởi sắc từ khoảng 15 năm nay. Lúc này công nghệ vi xử lý, PLC, DSP, SOC đã thâm nhập sâu vào trong các trường đại học và cộng đồng công nghệ Việt Nam nên nhiều ý tưởng và đề tài nghiên cứu đã được đề xuất và triển khai. Nhiều đơn vị trên toàn quốc thực hiện các nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng về rô bốt. Trung tâm Tự động hóa- Đại học Bách khoa Hà Nội tiếp tục phát triển các rô bốt điều khiển bằng máy PC và vi xử lý, cho ra đời rô bốt SCA mini, là một loại rô bốt lắp ráp, phục vụ tốt cho công tác đào tạo và một số rô bốt di động được điều khiển từ xa bằng con người. Đại học Bách khoa Tp.HCM phát triển rô bốt hàn, rô bốt lấy sản phẩm phôi chai nhựa PET, rô bốt phục vụ quay TV, và một số mẫu rô bốt song song hexapode phục vụ cho đào tạo. Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự nghiên cứu chế tạo rô bốt sơn xe quân giới, rô bốt phục vụ chế tạo thuốc súng, rô bốt di động gắp mìn điều khiển từ xa, máy bay không người lái… Học viện Kỹ thuật Quân sự thiết kế và chế tạo rô bốt lặn dưới nước điều khiển từ xa qua dây dẫn phục vụ khảo sát các công trình dưới nước, rô bốt exoskeleton trợ giúp mang vác cho con người. Viện Cơ học - Viện KH&CN Việt Nam thiết kế chế tạo rô bốt Hexapode phục vụ gia công chính xác. Viện CNTT triển khai các nghiên cứu tích hợp hệ rô bốt-camera phân loại sản phẩm, hệ rô bốt 2 bậc tự do Pan-Tilt-Camera theo dõi bám mục tiêu di động, rô bốt di động phục vụ tự động hóa kho hàng. Gần đây, trong chương trình nghiên cứu cấp quốc gia về lĩnh vực TĐH giai đoạn 2006-2010 có nhiều đề tài sắp được nghiệm thu về thiết kế chế tạo rô bốt, trong đó Đại học Bách khoa Hà Nội chế tạo rô bốt hàn vỏ tàu thủy, Viện TĐH Viện Kỹ thuật Quân sự chế tạo rô bốt phun hạt nix cọ rửa tàu, Tp. HCM chế tạo máy gia công 3D sử dụng rô bốt song song Hexapode có độ chính -5-
xác cao và hệ thống tự động sắp xếp và cấp vật tư kho gồm 3 rô bốt di động chạy trên ray. Đại học Quốc gia Hà Nội tiến hành các nghiên cứu phát triển các hệ điều khiển rô bốt di động qua truyền thông không dây và Internet… Doanh nghiệp thiết kế và chế tạo rô bốt ở Việt Nam có nhiều sản phẩm quảng cáo ấn tượng trên trường quốc tế, trong đó phải kể đến Công ty Cổ phần Rô bốt TOSY. TOSY đã gây thương hiệu bằng rô bốt dáng người đánh bóng bàn TOPIO Ping Pong được trình diễn tại Hội chợ quốc tế Rô bốt IREX 2009 ở Nhật Bản năm 2009. Gần đây tại Hội chợ quốc tế về Tự động hoá 2010 ở Đức, TOSY đã giới thiệu rô bốt dịch vụ 23 bậc tự do TOPIO Dio và 2 sản phẩm rô bốt công nghiệp với giá thành chỉ bằng 1/5 các rô bốt tương đương trên thế giới. Ngoài ra, sản phẩm rô bốt đồ chơi như TOSY UFO được xuất khẩu ra nhiều thị trường trên thế giới. Phải nói lĩnh vực chế tạo rô bốt của Việt Nam đã có nhiều khởi sắc mặc dù trên thực tế rất ít rô bốt do Việt Nam thiết kế và chế tạo được đưa vào ứng dụng. Nghiên cứu về rô bốt: Song song với chế tạo rô bốt thì các công trình nghiên cứu khoa học về rô bốt được công bố của các nhà khoa học Việt Nam rất đa dạng và theo sát được các hướng nghiên cứu của thế giới. Các nghiên cứu về rô bốt ở Việt Nam liên quan nhiều đến các vấn đề về động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông tin cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển và phát triển trí thông minh cho rô bốt. Các nghiên cứu về động học và động lực học rô bốt được các khoa cơ khí, chế tạo máy ở các trường đại học và các viện nghiên cứu về cơ học, chế tạo máy, quan tâm cả trong dân sự và quân sự. Ngoài việc tìm các phương pháp giải các bài toán liên quan đến cơ học của các loại rô bốt nối tiếp, song song, di động, thì các chương trình mô phỏng kết cấu và chuyển động 3D được áp dụng và phát triển để minh họa cũng như phục vụ cho phân tích, thiết kế rô bốt. Các công bố liên quan về cơ học rô bốt thường do Viện Cơ học - Viện KH&CN Việt Nam, Khoa Cơ khí Chế tạo máy thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội và Đại học Bách khoa Tp.HCM, các bộ môn rô bốt và Cơ điện tử ở các trường Đại học khác công bố. Lĩnh vực điều khiển rô bốt rất phong phú từ các phương pháp điều khiển truyền thống như PID, phương pháp tính mô men, phương pháp điều khiển trượt đến các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen và các phương pháp điều khiển tự thích nghi, các phương pháp học cho rô bốt, các hệ visual servoing… Các công bố về điều khiển rô bốt cho rô bốt công nghiệp, hexapod, rô bốt di động phải kể đến các công trình của Viện CNTT Viện KH&CN Việt Nam, Đại học Bách khoa Tp.HCM và Đại học Bách khoa Hà Nội. Gần đây, đội ngũ nghiên cứu và giảng dạy ở Đại học Quốc gia Hà Nội và Học viện Kỹ thuật Quân sự cũng có nhiều công bố liên quan đến -6-
lĩnh vực điều khiển rô bốt do đội ngũ giáo viên trẻ tốt nghiệp tiến sỹ ở nước ngoài về tiếp tục các nghiên cứu của mình. Lĩnh vực rô bốt di động với nhiều cảm biến dẫn đường và camera đang được nhiều đơn vị trong nước quan tâm nghiên cứu. Các vấn đề xử lý ảnh tốc độ cao, phối hợp đa cảm biến, định vị và lập bản đồ không gian, thiết kế quỹ đạo chuyển động tránh vật cản cho rô bốt di động đã có nhiều công bố trong các Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc năm 2002, 2004, 2006, 2008 và 2010. Các nghiên cứu về thị giác rô bốt được quan tâm cả ở rô bốt công nghiệp và rô bốt di động, nhất là lĩnh vực nhận dạng và điều khiển rô bốt trên cơ sở thông tin hình ảnh. Các vấn đề về xử lý ngôn ngữ tự nhiên, nhận dạng và tổng hợp tiếng nói tiếng Việt bắt đầu được chú ý cho các lọai rô bốt dịch vụ. Các nghiên cứu cơ bản về rô bốt của Việt Nam đã được công bố nhiều trên các hội nghị và tạp chí quốc tế. Việc phối hợp với các nước như Nhật, Mỹ, Singapore, Đức tổ chức các hội nghị quốc tế tại Việt Nam liên quan đến rô bốt như RESCCE’98, RESCCE’00, RESCCE’02, ICMT2004, ICARCV 2008, ITOMM 2009 là một chuỗi hoạt động khoa học liên tục của cộng đồng rô bốtics Việt Nam hòa nhập vào các hoạt động nghiên cứu khoa học với các nước khu vực và tiên tiến trên thế giới. Mặc dù có nhiều loại rô bốt đã được Nhà nước hỗ trợ cho nghiên cứu chế tạo qua các đề tài nghiên cứu các cấp suốt 25 năm qua nhưng hầu như các rô bốt đó ít được ứng dụng vào thực tiễn sản xuất. Nhiều nhóm nghiên cứu phát triển rô bốt được hình thành ở các trường đại học, viện nghiên cứu ở 3 miền đất nước nhưng chủ yếu phục vụ cho nghiên cứu và đào tạo. Ứng dụng mạnh mẽ của rô bốt trong sản xuất chỉ có hiệu quả khi dây chuyền sản xuất có nhu cầu tự động hóa hóa cao trong khi đó nền sản xuất của Việt Nam đang ở giai đoạn công nghiệp hóa sử dụng lao động thủ công với giá nhân công rẻ. Mặc dù vậy các nghiên cứu phát triển rô bốt ở Việt Nam vẫn phát triển mạnh đáp ứng nhu cầu đào tạo nguồn nhân lực công nghệ cao đang rất thiếu cho quá trình phát triển của đất nước. Ưu điểm của Rô bốt Rô bốt có thể làm việc liên tục trong thời gian dài, chúng chỉ ngừng hoạt động khi cần duy tu, bảo dưỡng, thay thế. Rô bốt có khả năng làm việc trong môi trường độc hại, khu vực nguy hiểm, hoặc những nơi con người không thể đến được. Với chương trình được đặt trước, Rô bốt có khả năng làm việc với hiệu suất cao hơn con người, tiết kiệm nguyên vật liệu, độ chính xác làm việc cao. -7-
Giá thành và chi phí lắp đặt, chế tạo Rô bốt ngày càng thấp do sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật. Khi thay đổi công việc, lập trình lại cho Rô bốt nhanh hơn và chi phí thấp hơn so với việc đào tạo một công nhân. Rô bốt có thể cải thiện được điều kiện lao động. Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà chúng ta cần quan tâm. Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao động phải lao động suốt buổi trong môi trường bụi bặm, ẩm ướt, nóng nực, hoặc ồn ào quá mức cho phép nhiều lần. Thậm trí ở nhiều nơi người lao động còn phải làm việc dưới môi trường độc hại, nguy hiểm đến sức khoẻ con người, dễ xảy ra tai nạn, dễ bị nhiễm hoá chất độc hại, nhiễm sóng điện từ, phóng xạ... 1.2. Các khái niệm và định nghĩa về Rô bốt công nghiệp 1.2.1. Định nghĩa Rô bốt công nghiệp Hiện nay có nhiều định nghĩa về Rô bốt, có thể điểm qua một số định nghĩa như sau : Định nghĩa theo tiêu chuẩnAFNOR (Pháp) : Rô bốt công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trụ toạ độ; có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất : chi tiết, dao cụ, gá lắp . . . theo những hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau. Định nghĩa theo RIA (Rô bốt institute of America) : Rô bốt là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau. Theo Artobolevski I.I., Vorobiov M.V. và các nhà nghiên cứu thuộc trường phái khối SEV trước đây thì phát biểu rằng: “Rô bốt công nghiệp là những máy hoạt động tự động được điều 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”. Định nghĩa theo OCT 25686-85 (Nga) : Rô bốt công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất. -8-
Mikell P.Groover, một nhà nghiên cứu hàng đầu trong lĩnh vực rô bốt, mở rộng hơn như sau: “Rô bốt công nghiệp là những máy, thiết bị tổng hợp hoạt động theo chương trình có những đặc điểm nhất định tương tự như ở con người”. Định nghĩa của M.P.Groover về rô bốt 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 quy định và có thể nhìn thấy hoặc cảm nhận được đặc điểm của vật hay đối tượng mà nó phải thao tác hoặc xử lý. Những rô bốt hay tay máy dùng các cơ cấu cam trong hệ thống điều khiển có được thừa nhận hay không là không quan trọng ; điều quan trọng là chúng đã đóng vai trò đáng kể trong việc tự động hoá sản xuất ở các nhà máy. Những rô bốt, tay máy nói trên còn được gọi một cách hình tượng là “tự động hoá cứng”, ngược lại với “tự động hoá linh hoạt”, mà đại diện của chúng là những rô bốt công nghiệp được điều khiển bằng chương trình, thay đổi được nhiệm vụ thao tác đặt ra một cách nhanh chóng. Một số nhà khoa học hàng đầu trong lĩnh vực rô bốt của Nhật Bản đưa ra những định nghĩa về rô bốt dưới dạng những yêu cầu như sau: Theo Giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học Tổng hợp Tokyo) thì một rô bốt công nghiệp phải thoả mãn yếu tố sau: - Có khả năng thay đổi chuyển động; - Có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác; - Có số bậc chuyển động (bậc tự do) cao; - Có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động; - Có khả năng hoạt động tương hỗ với đối tượng bên ngoài. Theo Giáo sư Masahiro Mori (Viện công nghệ Tokyo) thì rô bốt công nghiệp phải có các đặc điểm sau: - Có khả năng thay đổi chuyển động; - Có khả năng xử lý thông tin (biết suy nghĩ); - Có tính vạn năng; - Có những đặc điểm của người và máy. Từ những khác biệt trong định nghĩa về rô bốt, căn cứ vào tính linh hoạt của những hệ thống sản xuất có áp dụng rô bốt P.J.McKerrow, một nhà nghiên cứu về rô -9-
bốt của Úc đã đưa ra một định nghĩa ở một góc độ khác. Theo ông, rô bốt 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. Các rô bốt 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 tẻ nhạt. Tất nhiên, trong tương lai còn nhiều vấn đề nảy sinh khi rô bốt ngày càng thay thế các hoạt động của con người, nhưng trong việc đem lại lợi ích cho con người, khám phá vũ trụ, và khai thác các nguồn lợi đại dương, rô bốt đã thực sự làm cho cuộc sống của chúng ta tốt đẹp hơn. Trước khi đi vào phân tích những nội dung tiếp theo, để bạn đọc có sự nhận dạng một cách thống nhất trong quá trình khảo sát, dưới đây sẽ trình bày một số phương pháp phân loại rô bốt sử dụng trong công nghiệp. Có thể nói Rô bốt công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng thích nghi khác nhau. Rô bốt công nghiệp có khả năng chương trình hoá linh hoạt trên nhiều trụ chuyển động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng. Rô bốt công nghiệp được trang bị những bàn tay máy hoặc các cơ cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định trong các quá trình công nghệ : hoặc trực tiếp tham gia thực hiện các nguyên công (sơn, hàn, phun phủ, rót kim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy . . .) hoặc phục vụ các quá trình công nghệ (tháo lắp chi tiết gia công, dao cụ, đồ gá . . .) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối tượng với các trạm công nghệ, trong một hệ thống máy tự động linh hoạt, được gọi là "Hệ thống tự động linh hoạt Rô bốt hoá" cho phép thích ứng nhanh và thao tác đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi. 1.2.2. Bậc tự do của Rô bốt (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 Rô bốt phải đạt được một số bậc tự do. Thông thường các tay máy có trên một bậc tự do. Số bậc tự do hay bậc chuyển động của tay máy là số khả năng chuyển động độc lập của nó trong không gian hoạt động. Trong lĩnh vực rô bốt học (rô bốtic) người ta hay gọi mỗi khả năng chuyển động -10-
(có thể là chuyển động thẳng; dọc theo hoặc song song với một trục, hoặc chuyển động quay quanh trục) là một trục, tương ứng theo đó 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 có cơ cấu tác động và cảm biến vị trí được điều khiển bởi một bộ xử lý riêng. Thông qua các khảo sát thực tế, người ta nhận thấy là để nâng cao độ linh hoạt của tay máy sử dụng trong công nghiệp, các tay máy phải có số bậc chuyển động cao. Tuy nhiên, số bậc chuyển động này không nên quá 6. Lý do chính là với 6 bậc chuyển động, nếu bố trí 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 thao tác (nằm trong vùng không gian hoạt động của nó) theo mọi hướng. Ngoài ra, số bậc tự do nhiều hơn sáu sẽ không kinh tế và khó điều khiển hơn. Sáu bậc chuyển động được bố trí gồm: • Ba bậc chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị. • Ba bậc chuyển động bổ sung hay chuyển động định hướng. 1) Bậc chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị Về nguyên lý cấu tạo, tay máy là một tập hợp các khâu được liên kết với nhau thông qua các khớp động để hình thành một chuỗi động hở. Khớp động được sử dụng trên các tay máy thường là các khớp loại 5 (khớp tịnh tiến hoặc khớp quay loại 5) để dễ chế tạo, dễ dẫn động bằng nguồn độc lập và cũng dễ điều khiển. Tay máy có số chuyển động độc lập thường là từ ba trở lên (dưới đây ta sẽ gọi là bậc tự do hay bậc chuyển động). Các chuyển động độc lập có thể là các chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay. Mỗi khâu động trên tay máy, về nguyên tắc, có ít nhất là một khả năng chuyển động độc lập và thường là một. Như vậy khái niệm bậc tự do hay bậc chuyển động cũng chính là số khả năng chuyển động độc lập mà một tay máy có thể thực hiện được. Trường hợp mỗi khâu động trên tay máy có một khả năng chuyển động độc lập, thì tay máy có bao nhiêu khâu động sẽ có bấy nhiêu bậc chuyển động và cũng có từng ấy khớp động hay trục. Các chuyển động cơ bản, hay chuyển động chính trên một tay máy là những chuyển động có ảnh hưởng quyết định đến dạng hình học của không gian hoạt động của nó như bạn đọc đã xem ở phần phân loại. Các chuyển động này thực hiện việc chuyển dời cổ tay của tay máy đến những vị trí khác nhau trong vùng -11-
không gian hoạt động của tay máy vì vậy còn được gọi là các chuyển động định vị. Bên cạnh các rô bốt tĩnh tại được sử dụng phần lớn trong công nghiệp hiện nay, các loại rô bốt di động cũng được sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt. Bậc chuyển động của rô bốt di động được xác định bởi số khả năng chuyển động độc lập của nó kể cả các chuyển động di động. Phần ngoài cùng của tay máy (khâu tác động cuối - End Effector) thường có dạng của một tay gấp, một bộ phận làm việc với đối tượng thao tác, có thể tác động trực tiếp với đối tượng thao tác hoặc được thay thế bởi các dụng cụ công nghệ như là ống đưa dây hàn trên rô bốt hàn, đầu phun sơn hoặc phun men, đầu vặn bu-lông, đai ốc trong dây truyền lắp ráp tự 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 tiện trong việc điều khiển, mỗi bậc chuyển động của tay máy thường là có nguồn dẫn động riêng, có thể là nguồn dẫn khí nén, dầu ép hay điện. Một số tay máy dùng chung nguồn dẫn cho một nhóm các chuyển động, tuy nhiên, kiểu dùng chung này cồng kềnh và kém linh hoạt hơn. Phần lớn các rô bốt công nghiệp hiện đại có một tay máy. Tuy vậy trong ứng dụng cũng có rô bốt có nhiều tay máy. (2) Bậc chuyển động bổ sung (bậc chuyển động định hướng). Một tay máy đều yêu cầu một bộ phận công tác trang bị ở khâu tác động cuối (End Effector), có thể là một bộ gắp, kẹp hoặc súng phun sơn, phun vữa, ống dẫn dây hàn,v.v... có đủ độ linh hoạt trong chuyển động để đảm bảo khả năng hoàn thành nhiệm vụ công nghệ đặt ra. Để hoàn toàn định hướng đến tư thế làm việc với đối tượng thao tác cũng cần tối thiểu ba bậc chuyển động, tương tự như các chuyển động xoay của cố tay người; ba khớp quay loại 5 được sử dụng để xoay khâu tác động cuối trong mặt phẳng ngang, mặt phẳng thẳng đứng và quay quanh trục của nó. Các bậc chuyển động xoay cổ tay nói trên được gọi là các chuyển động định hướng nhằm tăng khả năng linh hoạt, giúp tay máy có thể dễ dàng định hướng của khâu tác động cuối đạt đến tư thế cần thiết để tác động lên đối tượng thao tác, cũng như tăng khả năng tránh chướng ngại vật trong không gian thao tác nhằm cải thiện tính chất động lực học của tay máy. -12-
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 hệ quả là làm tăng thêm sai số dịch chuyển, tức là làm tăng sai số tích luỹ trong điều khiển vị trí của khâu tác động cuối. Điều này đồng nghĩa với sự gia tăng về chi phí và thời gian sản xuất và bảo dưỡng rô bốt. Nói chung cơ hệ của Rô bốt là một cơ cấu hở, do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức : Trong đó : n - Số khâu động; pi - Số khớp loại i (i = 1,2,. . .,5 : Số bậc tự do bị hạn chế). Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến (khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động . Đối với cơ cấu hở, số bậc tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động. Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tuỳ ý trong không gian 3 chiều Rô bốt cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để định hướng. Một số công việc đơn giản nâng hạ, sắp xếp... có thể yêu cầu số bậc tự do ít hơn. Các Rô bốt hàn, sơn... thường yêu cầu 6 bậc tự do. Trong một số trường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hoá quỹ đạo,... người ta dùng Rô bốt với số bậc tự do lớn hơn 6. 1.2.3. Hệ toạ độ (Coordinate frames) : Mỗi Rô bốt thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các khớp (joints), tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên. Hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn). Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng. Trong từng thời điểm hoạt động, các toạ độ suy rộng xác định cấu hình của Rô bốt bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc cuả các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay (hình 1.1). Các toạ độ suy rộng còn được gọi là biến khớp. -13-
Hình 1.1: Các toạ độ suy rộng của Rô bốt. Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của Rô bốt 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 giữ theo 3 phương pháp vuông góc với nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của truc z thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trụ x và ngón giữa sẽ biểu thị phương, chiều của trụ y (hình 1.2). Trong Rô bốt người ta thường dùng chữ O và chỉ số n để chỉ hệ tọa độ gắn trên khâu thứ n. Như vậy hệ tọa độ cơ bản (hệ tọa độ gắn với khâu cố định) sẽ được ký hiệu là O0; hệ tọa độ gắn trên các khâu trung gian tương ứng sẽ là O1, O2,…, On-1. Hệ tọa độ gắn trên khâu chấp hành cuối ký hiệu là On. Hình 1.2: Qui tắc bàn tay phải 1.2.4. Trường công tác của Rô bốt (Workspace or Range of motion): Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của Rô bốt là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi Rô bốt thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của Rô bốt cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp; ví dụ, một khớp quay có chuyển động nhỏ -14-
hơn một góc 3600. Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác của một Rô bốt (hình 1.3). Hình chiếu đứng Hình chiếu bằng Hình 1.3: Biểu diễn trường công tác của Rô bốt. 1.2.5. Độ chính xác định vị Độ chính xác định vị thể hiện khả năng đối tượng đạt được chính xác tới điểm đích. Đó là một thông số quan trọng, ảnh hưởng đến sự thao tác chính xác của phần công tác và khả năng bám quỹ đạo của nó. Đối với thiết bị điều khiển số, độ chính xác định vị liên quan đến hai vấn đề, độ phân giải điều khiển và độ chính xác lặp lại. 1.2.6. Tốc độ dịch chuyển Xét về yếu tố năng suất người ta mong muốn tốc độ dịch chuyển nói chung càng cao càng tốt. Tuy nhiên về mặt có học, tốc độ cao sẽ dẫn đến những vấn đề như giảm tính ổn định, lực quán tính lớn, các cơ cấu ma sát mòn nhanh hơn. Xét về mặt điều khiển với độ phân giải sẵn có của bộ điều khiển, khi tăng tốc độ dịch chuyển có thể làm giảm độ chính xác định vị. Vì vậy vấn đề chọn tốc độ dịch chuyển hợp lí cũng đặt ra khi thiết kế và lựa chọn rô bốt. 1.2.7. Đặc tính của bộ điều khiển Rô bốt là sản phẩm cơ điện tử nên ngoài khâu khớp còn có bộ não của rô bốt là các thiết bị điều khiển. Kiểu điều khiển: có hai kiểu điều khiển hay dùng nhất cho RBCN là điều khiển điểm - điểm và điều khiển liên tục. Điều khiển điểm - điểm thường dùng cho các rô -15-
bốt hàn điểm, tán đinh, vận chuyển. Điều khiển liên tục dùng cho các rô bốt hàn đường, phun sơn, tạo mẫu… Dung lượng bộ nhớ: Bộ nhớ trên rô bốt hiện đại chia làm hai phần: Bộ nhớ hệ thống lưu trữ các phần mềm hệ thống, phần mềm công dụng chung như hệ điều hành, dữ liệu máy, các mô đun chương trình tính toán động học, động lực học. Bộ nhớ chương trình dùng lưư trữ các chương trình ứng dụng do người dùng tạo ra. Thường bộ nhớ chương trình là RAM, dung lượng của nó là một thông số đáng quan tâm. Giao diện với các thiết bị ngoại vi: Các thiết bị ngoại vi là các thiết bị mà rô bốt phải phục vụ hay phối hợp làm việc. Chẳng hạn máy công cụ, phương tiện vận chuyển như băng tải, máng tải, thiết bị đo lường, hoặc các thiết bị hiển thị, in ấn nhập dữ liệu…Hầu hết các rô bốt phục vụ trong dây chuyền có khả năng ghép nối trong hệ CIM thông qua giao diện truyền thông chuẩn. Điều này có thể giúp mở rộng khả năng công nghệ vốn có của rô bốt ra ngoài đặc tính chuẩn của nó, thông qua việc xây dựng dữ liệu bằng ngôn ngữ chuẩn của nhà sản xuất sau đó kết nối vào từ bên ngoài. Các tiện ích: Tiện ích của rô bốt bao gồm lập trình có trợ giúp đồ họa, hệ thống dạy - học, mô phỏng gia công. Những tiện ích này làm cho rô bốt thân thiện hơn với người sử dụng. 1.3. Cấu trúc cơ bản của Rô bốt công nghiệp 1.3.1. Các thành phần chính của Rô bốt công nghiệp Một Rô bốt công nghiệp thường bao gồm các thành phần chính như: cánh tay Rô bốt, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điều khiển, thiết bị dạy học, máy tính ... các phần mềm lập trình cũng nên được coi là một thành phần của hệ thống Rô bốt. Mối quan hệ giữa các thành phần trong Rô bốt như hình 1.4. -16-
Hình 1.4: Các thành phần chính của hệ thống Rô bốt. Cánh tay Rô bốt (tay máy) là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bằng các khớp động để có thể tạo nên những chuyển động cơ bản của Rô bốt. Nguồn động lực là các động cơ điện (một chiều hoặc động cơ bước), các hệ thống xy lanh khí nén, thuỷ lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động. Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của Rô bốt, dụng cụ của Rô bốt có thể có nhiều kiểu khác nhau như: dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm việc như mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn ... Thiết bị dạy-hoc (Teach-Pendant) dùng để dạy cho Rô bốt các thao tác cần thiết theo yêu cầu của quá trình làm việc, sau đó Rô bốt tự lặp lại các động tác đã được dạy để làm việc (phương pháp lập trình kiểu dạy học). Các phần mềm để lập trình và các chương trình điều khiển Rô bốt được cài đặt trên máy tính, dùng điều khiển Rô bốt thông qua bộ điều khiển (Controller). Bộ điều khiển còn được gọi là Mô đun điều khiển (hay Unit, Driver), nó thường được kết nối với máy tính. Một mô đun điều khiển có thể còn có các cổng Vào - Ra (I/O port) để làm việc với nhiều thiết bị khác nhau như các cảm biến giúp Rô bốt nhận biết trạng thái của bản thân, xác định vị trí của đối tượng làm việc hoặc các dò tìm khác; điều khiển các băng tải hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt động phối hợp với Rô bốt ...Với cấu trúc và chức năng như trên, Rô bốt 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 trì hình thức mang dáng dấp của tay “người”. -17-
1.3.2. Cấu trúc của tay máy Thuật ngữ “tay máy” và Rô bốt trong quan niệm của nhiều nhà chuyên môn trong lĩnh vực này không có sự khác biệt. Để thuận tiện trong trình bày, ở đây ta hiểu tay máy là một dạng Rô bốt có cấu tạo mô phỏng theo những đặc điểm cấu tạo cơ bản của cánh tay người. Cũng có thể hiểu tay máy là tập hợp các bộ phận và cơ cấu cơ khí được thiết kế để hình thành các khối có chuyển động tương đối với nhau, được gọi là các khâu động hay các trụ. Trong đó, phần liên kết giữa các khâu động được gọi là các khớp động .Tay máy cũng bao gồm cả các cơ cấu tác động là các phần tử thực sự thực hiện các chuyển động để vận hành tay máy như động cơ điện, xy - lanh dầu ép, xy - lanh khí nén,... Phần quan trọng khác trên các tay máy là bộ phận hay khâu tác động cuối (End - Effector) để thao tác trên đối tượng làm việc - thường là các tay gắp hoặc các đầu công cụ chuyên dùng như mỏ hàn, dao cắt lazer.. Tay máy có thể gọi là cánh tay cơ khí của Rô bốt công nghiệp thông thường là một chuỗi động hở được tạo thành từ nhiều khâu được liên kết với nhau nhờ các khớp động. Khâu cuối (hay khâu tác động cuối) của tay máy thường có dạng một tay gắp hoặc được gắn dụng cụ công tác. Bàn tay hand Vai Cánh tay- Cổ tay Shoulde Arm Wrist r Hình 1.5: Mô hình kết cấu của tay máy Mỗi khâu động trên tay máy có nguồn dẫn động riêng, năng lượng và chuyển động truyền đến cho chúng được điều khiển trên cơ sở tín hiệu nhận được từ bộ phận phản hồi là các cảm biến nhằm thông báo trạng thái hoạt động của các khâu chấp hành, trong đó vấn đề được đặc biệt quan tâm là vị trí và vận tốc dịch chuyển của khâu cuối - khâu thể hiện kết quả tổng hợp các chuyển động của các khâu thành phần. -18-
1) Tay máy toạ độ vuông góc Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trụ hệ toạ độ gốc (cấu hình T.T.T). Trường công tác có dạng khối chữ nhật. Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó thuờng dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt Hình 1.6: tay máy toạ độ vuông góc Ưu điểm: - Không gian làm việc lớn, có thể dài đến 20m. Tải trọng lớn đến vài chục tấn hoặc hơn thế. - Đối với loại gắn trên trần sẽ dành được diện tích sàn lớn cho các công việc khác. - Hệ thống điều khiển đơn giản dễ điều khiển - Được ứng dụng nhiều trong hệ thống nâng vận chuyển trong các nhà xưởng chế tạo cơ khí. Hay nâng hạ thi công đối với các sản phẩm trong bể tôi, mạ.... Hạn chế: Việc thêm vào các loại thiết bị vận chuyển khác trong không gian làm việc của Rô bốt không được thích hợp lắm. Việc duy trì vị trí của các cơ cấu dẫn động và các thiết bị điều khiển điện đối với loại Rô bốt trên đều gặp nhiều trở ngại. 2) Tay máy toạ độ trụ Tiêu biểu cho một Rô bốt hoạt động trong hệ toạ độ trụ là Rô bốt được trang bị hai chuyển động tịnh tiến và một chuyển động quay. -19-
Hình 1.7: tay máy dạng hình trụ -Ưu điểm: (1) có khả năng chuyển động ngang và sâu vào trong các máy sản xuất. (2) Cấu trúc theo chiều dọc của máy để lại nhiều khoảng trống cho sàn. (3) Kết cấu vững chắc, có khả năng mang tải lớn. (4) Khả năng lặp lại tốt. -Nhược điểm: Nhược điểm duy nhất là giới hạn tiến về phía trái và phía phải do kết cấu cơ khí và giới hạn các kích cỡ của cơ cấu tác động theo chiều ngang. 3) Tay máy toạ độ cầu Vùng làm việc của Rụ bốt có dạng hình cầu. thường độ cứng vững của loại Rụ bốt nầy thấp hơn so với hai loại trên. Ví dụ Rô bốt 3 bậc tự do, cấu hình R.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu toạ độ cầu Hình 1.8: tay máy dạng hình trụ -20-