Đồ án Tìm hiểu Robot công nghiệp

Lêi nãi ®Çu Vµo ®Çu thÕ kû tr­íc, ý t­ëng ®Çu tiªn vÒ Robot xuÊt hiÖn, thÓ hiÖn ­íc m¬ ch¸y bang cña con ng­êi lµ s¸ng t¹o ra nh÷ng ng­êi m¸y ®Ó thay thÕ m×nh trong c«ng viÖc nÆng nhäc, nhµm ch¸n, nguy hiÓm. Vµo kho¶ng n¨m 1940, mÉu robot ®Çu tiªn ra ®êi t¹i phßng thÝ nghiÖm quèc gia Oak Ridge vµ Argonnecuar mü, ®Ó vËn chuyÓn c¸c ho¹t chÊt phãng x¹. §Õn thËp kû 80 trªn thÕ giíi ®· cã 40 nghin robot thuéc 500 kiÓu, do 200 h·ng tham gia s¶n xuÊt. Ngµy nay robot ®­îc sö dông réng r·i trong s¶n xuÊt, nghiªn cøu khoa häc vµ ®êi sèng. §ã lµ thiÕt bÞ kh«ng thÓ thiÕu ®­îc trªn c¸c hÖ thèng s¶n xuÊt, ®Æc biÖt lµ c¸c hÖ thèng s¶n xuÊt linh ho¹t. Robot ngµy cµng khÐo lÐo vµ th«ng minh, ®­îc coi lµ s¶n phÈm ®iÓn h×nh cña mét ngµnh kÜ thuËt míi: ngµnh c¬ - ®iÖn tö (Mechatronics). Cho ®Õn nay, hÇu hÕt c¸c tr­êng ®¹i häc kÜ thuËt ë ViÖt Nam ®· ®­a m«n Robot c«ng nghiÖp vµo ch­¬ng tr×nh chÝnh kho¸. M«n häc nµy ®­îc gi¶ng d¹y chñ yÕu cho c¸c ngµnh c¬ khÝ, song c¸c khÝa c¹nh riªng cña kÜ thuËt Robot, nh­ kÜ thuËt ®iÒu khiÓn, lËp tr×nh, m« pháng còng ®­îc c¸c ngµnh kh¸c rÊt quan t©m. §Ó gãp phÇn vµo viÖc t×m hiÓu øng dông Robot c«ng nghiÖp vµo s¶n xuÊt. Trong khu«n khæ cña ®å ¸n tèt nghiÖp víi ®Ò tµi chóng em ®­îc giao lµ “ T×m hiÓu Robot c«ng nghiÖp”. §©y lµ ®Ò tµi míi, céng víi sù thu nhËn kiÕn thøc h¹n chÕ, nªn trong qu¸ tr×nh thùc hiÖn ®Ò tµi vµ hoµn thµnh ®å ¸n, chóng em còng kh«ng tr¸nh khái nh÷ng thiÕu sãt. VËy chóng em kÝnh mong nhËn ®­îc nh÷ng ý kiÕn phª b×nh vµ sù h­íng dÉn cña c¸c ThÇy C«. §Ó chóng em hoµn thµnh ®­îc ®å ¸n nµy lµ nhê sù h­íng dÉn tËn t×nh cña thÇy NguyÔn Do·n ý cïng víi sù gióp ®ì cña c¸c thÇy c« trong bé m«n. VËy chóng em ch©n thµnh göi lêi c¶m ¬n tíi ThÇy C« h­íng dÉn vµ c¸c thÇy c« gi¸o trong héi ®ång ®· kÝ duyÖt vµ cho chóng em ý kiÕn. Hµ Néi, ngµy th¸ng n¨m Ch­¬ng I Kh¸I niÖm chung vÒ Robot c«ng nghiÖp LÞch sö ph¸t triÓn: Do nhu cÇu n©ng cao n¨ng suÊt vµ chÊt l­îng s¶n phÈm ngµy cµng ®ßi hái øng dông réng r·i c¸c ph­¬ng tiÖn tù ®éng ho¸ s¶n xuÊt.Xu h­íng t¹o ra nh÷ng d©y chuyÒn vÒ thiÕt bÞ tù ®éng cã tÝnh linh ho¹t cao ®ang h×nh thµnh. C¸c thiÕt bÞ nµy ®ang thay thÕ dÇn c¸c m¸y tù ®éng “cøng” chØ ®¸p øng mét viÖc nhÊt ®Þnh trong lóc thÞ tr­êng lu«n lu«n ®ßi hái thay ®æi mÆt hµng vÒ chñng lo¹i, vÒ kÝch cì, vµ vÒ tÝnh n¨ng v.v…§iÒu nµy dÉn ®Õn nhu cÇu øng dông robot ®Ó t¹o ra c¸c hÖ thèng s¶n xuÊt tù ®éng linh ho¹t. ThuËt ng÷ Robot xuÊt hiÖn vµo n¨m 1920 trong mét t¸c phÈm v¨n häc cña nhµ v¨n TiÖp Kh¾c cã tªn lµ Karel Capek. ThuËt ng÷ inducstrial Robot (IR) xuÊt hiÖn ®Çu tiªn ë mü do c«ng ty AMF (Americal Machine and Foundry Company) qu¶ng c¸o m« pháng mét thiÕt bÞ mang d¸ng dÊp vµ cã mét sè chøc n¨ng nh­ tay ng­êi ®­îc ®iÒu khiÓn tù ®éng thùc hiÖn mét sè thao t¸c ®Ó s¶n xuÊt thiÕt bÞ cã tªn gäi Versatran. Qu¸ tr×nh ph¸t triÓn cña IR ®­îc tãm t¾t nh­ sau: Tõ nh÷ng n¨m 1950 ë Mü xuÊt hiÖn viÖn nghiªn cøu ®Çu tiªn. Vµo ®Çu nh÷ng n¨m 1960 xuÊt hiÖn s¶n phÈm ®Çu tiªn cã tªn gäi lµ Versatran cña c«ng ty AMF. ë Anh ng­êi ta b¾t ®Çu nghiªn cøu vµ chÕ t¹o IR theo b¶n quyÒn cña Mü tõ nh÷ng n¨m 1967. Tõ nh÷ng n¨m1970 viÖc nghiªn cøu n©ng cao tÝnh n¨ng cña robot ®· ®­îc chó ý nhiÒu h¬n vµ còng b¾t ®Çu xuÊt hiÖn ë c¸c n­íc §øc, ý, Ph¸p, Thôy §iÓn. ë Ch©u ¸ cã NhËt B¶n b¾t ®Çu nghiªn cøu øng dông IR tõ nh÷ng n¨m 1968. Tõ nh÷ng n¨m 80, nhÊt lµ vµo nh÷ng n¨m 90, do ¸p dông réng r·i c¸c tiÕn bé kü thuËt vÒ vi sö lý vµ c«ng nghÖ th«ng tin, sè l­îng robot c«ng nghiÖp ®· gia t¨ng víi nhiÒu tÝnh n¨ng v­ît bËc. ChÝnh v× vËy mµ robot c«ng nghiÖp ®· cã vÞ trÝ quan träng trong c¸c ®©y chuyÒn tù ®éng s¶n xuÊt hiÖn ®¹i. §Õn nay, trªn thÕ giíi cã kho¶ng trªn 200 c«ng ty s¶n xuÊt IR trong sè ®ã cã 80 c«ng ty cña NhËt, 90 c«ng ty cña T©y ©u, 30 c«ng ty cña Mü vµ mét sè c«ng ty cña Nga, TiÖp… Kh¸I niÖm. Robot c«ng nghiÖp cã thÓ ®­îc hiÓu lµ nh÷ng thiÕt bÞ tù ®éng linh ho¹t, b¾t ch­íc ®­îc c¸c chøc n¨ng lao ®éng c«ng nghiÖp cña con ng­êi. Nãi ®Õn thiÕt bÞ tù ®éng linh ho¹t lµ nhÊn m¹nh ®Õn kh¶ n¨ng thao t¸c víi nhiÒu bËc tù do, ®­îc ®iÒu khiÓn vµ lËp tr×nh thay ®æi ®­îc. Cßn nãi ®Õn sù b¾t ch­íc c¸c chøc n¨ng lao ®éng c«ng nghiÖp cña con ng­êi lµ nãi ®Õn sù kh«ng h¹n chÕ tõ c¸c chøc n¨ng lao ®éng ch©n tay ®¬n gi¶n ®Õn trÝ kh«n nh©n t¹o, tuú vµo c«ng viÖc lao ®éng cÇn ®Õn chøc n¨ng ®ã hay kh«ng. Víi ®Æc ®iÓm cã thÓ lËp tr×nh l¹i ®­îc, robot c«ng nghiÖp lµ thiÕt bÞ tù ®éng ho¸ vµ ngµy cµng trë thµnh bé phËn kh«ng thÓ thiÕu ®­îc cña c¸c tÕ bµo hoÆc hÖ thèng s¶n xuÊt linh ho¹t. Ph©n lo¹i. Ngµy nay, robot c«ng nghiÖp ®· ph¸t triÓn rÊt phong phó vµ ®a d¹ng, v× vËy ph©n lo¹i chóng kh«ng ®¬n gi¶n. Cã rÊt nhiÒu quan ®iÓm kh¸c nhau vµ mçi quan ®iÓm l¹i phôc vô mét môc ®Ých riªng. D­íi ®©y lµ hai c¸ch ph©n lo¹i chÝnh. Theo chñng lo¹i, møc ®é ®iÒu khiÓn, vµ nhËn biÕt th«ng tin cña tay m¸y-ng­êi m¸y ®· ®­îc s¶n xuÊt trªn thÕ giíi cã thÓ ph©n lo¹i c¸c IR thµnh c¸c thÕ hÖ sau: ThÕ hÖ 1: thÕ hÖ cã kiÓu ®iÒu khiÓn theo chu kú d¹ng ch­¬ng tr×nh cøng kh«ng cã kh¶ n¨ng nhËn biÕt th«ng tin. ThÕ hÖ 2: thÕ hÖ cã kiÓu ®iÒu khiÓn theo chu kú d¹ng ch­¬ng tr×nh mÒm b­íc ®Çu ®· cã kh¶ n¨ng nhËn biÕt th«ng tin. ThÕ hÖ 3: thÕ hÖ cã kiÓu ®iÒu khiÓn d¹ng tinh kh«n, cã kh¶ n¨ng nhËn biÕt th«ng tin vµ b­íc ®Çu ®· cã mét sè chøc n¨ng lý trÝ cña con ng­êi. Ph©n lo¹i tay m¸y theo cÊu tróc s¬ ®å ®éng: Th«ng th­êng cÊu tróc chÊp hµnh cña tay m¸y c«ng nghiÖp ®­îc m« h×nh ho¸ trong d¹ng chuçi ®éng víi c¸c kh©u vµ c¸c khíp nh­ trong nguyªn lý m¸y víi c¸c gi¶ thuyÕt c¬ b¶n sau: ChØ dïng c¸c khíp ®éng lo¹i khíp quay, khíp tÞnh tiÕn, khíp vÝt. Trôc quay h­íng tÞnh tiÕn cña c¸c khíp th× song song hay vu«ng gãc víi nhau. Chuçi ®éng chØ lµ chuçi ®éng hë ®¬n gi¶n: Ta vÝ dô mét chuçi ®éng cña mét tay m¸y c«ng nghiÖp cã 6 bËc tù do, c¸c khíp A, B, F lµ c¸c khíp tæng qu¸t, cã nghÜa lµ chóng cã thÓ lµ khíp quay, còng cã thÓ lµ khíp tÞnh tiÕn, c¸c khíp D, E, K chØ lµ nh÷ng khíp quay. C¸c kh©u ®­îc ®¸nh sè b¾t ®Çu tõ 0-gi¸ cè ®Þnh, tiÕp ®Õn lµ c¸c kh©u 1, 2, ...n - c¸c kh©u ®éng, kh©u tæng qu¸t ký hiÖu lµ kh©u i, (i= 1, 2, 3, ...n), kh©u n cuèi cïng mang bµn kÑp cña tay m¸y. T­¬ng tù nh­ tay ng­êi ®Ó bµn kÑp gåm cã 3 lo¹i chuyÓn ®éng, t­¬ng øng víi c¸c chuyÓn ®éng nµy lµ 3 d¹ng cña cÊu tróc m¸y nh­ sau: CÊu tróc chuyÓn ®éng toµn bé (ch©n ng­êi) cÊu tróc nµy thùc hiÖn chuyÓn ®éng ®em toµn bé tay m¸y (tay ng­êi) ®Õn vÞ trÝ lµm viÖc. CÊu tróc nµy hÕt søc ®a d¹ng vµ th«ng th­êng nÕu kh«ng ph¶i lµ tay m¸y ho¹t ®éng trong hÖ thèng mµ chuyÓn ®éng nµy cÇn cã sù kiÓm so¸t. Ng­êi ta th­êng coi tay m¸y lµ ®øng yªn, kh©u 0 gäi lµ gi¸ cè ®Þnh cña tay m¸y. CÊu tróc x¸c ®Þnh bµn kÑp bao gåm c¸c khíp A, B vµ F c¸c kh©u 1, 2 vµ 3, chuyÓn ®éng cña cÊu tróc nµy ®em theo bµn kÑp víi vÞ trÝ lµm viÖc. Do gi¶ thiÕt vÒ lo¹i khíp ®éng dïng trong chÕ t¹o m¸y th«ng th­êng ta cã nh÷ng phèi hîp sau ®©y cña c¸c khíp vµ tõ ®ã t¹o nªn nh÷ng cÊu tróc x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña bµn kÑp trong c¸c kh«ng gian vÞ trÝ kh¸c nhau cña b¶n kÑp. Phèi hîp TTT nghÜa lµ 3 khíp ®Òu lµ khíp tÞnh tiÕn vµ mét khíp quay. §©y lµ cÊu tróc ho¹t ®éng trong hÖ to¹ ®é §Ò C¸c so víi c¸c to¹ ®é So v× 3 ®iÓm M n»m trªn kh©u 3 khíp ®Òu lµ khíp tÞnh tiÕn vµ mét chuyÓn ®éng quay. Phèi hîp TRT, RTT, hay TTR nghÜa lµ mét khíp tÞnh tiÕn hai khíp quay( c¸c cÊu tróc 2, 3, vµ 4). §©y lµ cÊu tróc ho¹t ®éng trong hÖ to¹ ®é trô so víi ®iÓm M trªn kh©u 3 ®­îc x¸c ®Þnh bëi 2 chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn vµ mét chuyÓn ®éng quay. Phèi hîp RTR, RRT, TTR nghÜa lµ hai khíp tÞnh tiÕn vµ hai khíp quay( c¸c cÊu tróc 5, 6, 7, 8, 9 vµ 10). §©y lµ cÊu tróc ho¹t ®éng trong hÖ to¹ ®é cÇu so víi hÖ So, v× ®iÓm M trªn kh©u 3 ®­îc x¸c ®Þnh bëi mét chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn vµ hai chuyÓn ®éng quay. Phèi hîp RRR tøc lµ 3 khíp quay( c¸c cÊu tróc 11,12) ®©y lµ c¸c cÊu tróc ho¹t trong to¹ ®é gãc so víi hÖ So, v× ®iÓm M trªn kh©u 3 ®­îc x¸c ®Þnh bëi ba chuyÓn ®éng quay( tøc lµ ba to¹ ®é gãc), cÊu tróc nµy ®­îc gäi lµ cÊu tróc pháng sinh häc. Tuy nhiªn trong thùc tÕ, ®èi víi c¸c tay m¸y chuyªn dïng ta chuyªn m«n ho¸ vµ ®Æc biÖt ®¶m b¶o gi¸ thµnh vµ gi¸ ®Çu t­ vµo tay m¸y thÊp, ng­êi ta kh«ng nhÊt thiÕt lóc nµo còng ph¶i chÕ t¹o tay m¸y cã ®ñ sè ba khíp ®éng cho cÊu tróc x¸c ®Þnh vÞ trÝ. §èi víi tay m¸y c«ng nghiÖp ®· cã h¬n 250 lo¹i, trong sè ®ã cã h¬n 40% lµ lo¹i tay m¸y cã ®iÒu khiÓn ®¬n gi¶n thuéc thÕ hÖ thø nhÊt. Sù xuÊt hiÖn cña IR vµ sù gia t¨ng vai trß cña chóng trong s¶n xuÊt vµ x· héi loµi ng­êi lµm xuÊt hiÖn mét nghµnh khoa häc míi lµ nghµnh Robot häc(Robotic). Trªn thÕ giíi nhiÒu n¬i ®· xÊt hiÖn nh÷ng viÖn nghiªn cøu riªng vÒ Robot. Ch­¬ng II øng dông trong robot c«ng nghiÖp I. Môc tiªu øng dông robot trong c«ng nghiÖp. Nh»m gãp phÇn n©ng cao n¨ng suÊt d©y truyÒn c«ng nghÖ, gi¶m gi¸ thµnh, n©ng cao chÊt l­îng vµ kh¶ n¨ng c¹nh tranh cña s¶n phÈm, ®ång thêi c¶i thiÖn lao ®éng. §iÒu ®ã xuÊt ph¸t tõ nh÷ng ­u ®iÓm c¬ b¶n cña Robot vµ ®· ®­îc ®óc kÕt qua nhiÒu n¨m ®­îc øng dông ë nhiÒu n­íc. Nh÷ng ­u ®iÓm ®ã lµ: - Robot cã thÓ thùc hiÖn mét quy tr×nh thao t¸c hîp lý, b»ng hoÆc h¬n mét ng­êi thî lµnh nghÒ mét c¸ch æn ®Þnh trong suèt thêi gian lµm viÖc. V× thÕ Robot cã thÓ n©ng cao chÊt l­îng vµ kh¼ n¨ng c¹nh tranh cña s¶n phÈm. H¬n thÕ n÷a Robot cßn cã thÓ nhanh chãng thay ®æi c«ng viÖc, thÝch nghi nhanh víi viÖc thay ®æi mÉu m·, kÝch cì cña s¶m phÈm theo yªu cÇu cña thÞ tr­êng c¹nh tranh. - Cã kh¶ n¨ng gi¶m gi¸ thµnh s¶n phÈm do øng dông Robot lµ bëi v× gi¶m ®­îc ®¸ng kÓ chi phÝ cho ng­êi lao ®éng nhÊt lµ ë c¸c n­íc cã møc cao vÒ tiÒn l­¬ng cña ng­êi lao ®éng, céng c¸c kho¶n phô cÊp vµ b¶o hiÓm x· héi. Theo sè liÖu cña NhËt B¶n th× Robot lµm viÖc thay cho mét ng­êi thî th× tiÒn mua Robot chØ b»ng tiÒn chi phÝ cho ng­êi thî trong vßng 3-5 n¨m, tuú theo Robot lµm viÖc ngµy mÊy ca. Cßn ë Mü, trung b×nh trong mçi giê lµm viÖc Robot cã thÓ ®em l¹i tiÒn lêi lµ 13 USD. ë n­íc ta trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y cã nhiÒu doanh nghiÖp, kho¶n chi phÝ vÒ l­¬ng bæng còng chiÕm tû lÖ cao trong gi¸ thµnh s¶n phÈm. H×nh2 -1: øng dông robot phôc vô m¸y c«ng cô. - ViÖc øng dông Robot cã thÓ lµm t¨ng n¨ng suÊt cña d©y truyÒn c«ng nghÖ. Së dÜ nh­ vËy lµ v× nÕu t¨ng nhÞp ®é khÈn tr­¬ng cña d©y truyÒn s¶n xuÊt, nÕu kh«ng thay thÕ con ng­êi b»ng Robot th× thî kh«ng thÓ theo kÞp hoÆc rÊt chãng mÖt mái. Theo tµi liÖu cña Fanuc-NhËt B¶n th× n¨ng xuÊt cã khi t¨ng 3 lÇn. - øng dông Robot cã thÓ c¶i thiÖn ®­îc ®iÒu kiÖn lao ®éng. §ã lµ ­u ®iÓm næi bËt nhÊt mµ chóng ta cÇn quan t©m. Trong thùc tÕ s¶n xuÊt cã rÊt nhiÒu n¬i ng­êi lao ®éng ph¶i lao ®éng suèt buæi trong m«i tr­êng bôi bÆm, Èm ­ít, nãng nùc, hoÆc ån µo qu¸ møc cho phÐp nhiÒu lÇn. ThËm trÝ ë nhiÒu n¬i ng­êi lao ®éng cßn ph¶i lµm viÖc d­íi m«i tr­êng ®éc h¹i, nguy hiÓm ®Õn søc khoÎ con ng­êi, dÔ x¶y ra tai n¹n, dÔ bÞ nhiÔm ho¸ chÊt ®éc h¹i, nhiÔm sãng ®iÖn tõ, phãng x¹... H×nh 2 - 2: øng dông robot trong c«ng nghÖ hµn II. c¸c b­íc øng dông robot. ViÖc ­u tiªn ®Çu t­ tr­íc hÕt ®Ó nh»m ®Ó ®ång bé ho¸ c¶ hÖ thèng thiÕt bÞ, råi tù ®éng ho¸ vµ Robot ho¸ chóng khi cÇn thiÕt ®Ó quyÕt ®Þnh ®Çu t­ cho c¶ d©y truyÒn c«ng nghÖ hoÆc chØ ë mét vµi c«ng ®o¹n. Ng­êi ta th­êng xem xÐt c¸c mÆt sau: - Nghiªn cøu qu¸ tr×nh c«ng nghÖ ®­îc Robot ho¸ vµ ph©n tÝch toµn bé hÖ thèng nÕu kh«ng thÓ hiÖn râ th× viÖc ®Çu t­ robot ho¸ lµ ch­a nªn. - X¸c ®Þnh c¸c ®èi t­îng cÇn Robot ho¸: Khi x¸c ®Þnh cÇn ph¶i thay thÕ Robot ë nh÷ng nguyªn c«ng nµo th× ph¶i xem xÐt kh¶ n¨ng liÖu Robot cã thay thÕ ®­îc kh«ng vµ cã hiÖu qu¶ h¬n kh«ng. Th«ng th­êng ng­êi ta ­u tiªn ë nh÷ng chç lµm viÖc qu¸ nÆng nhäc, bôi bÆm ån µo, ®éc h¹i, c¨ng th¼ng hoÆc qu¸ ®¬n ®iÖu. Xu h­íng thay thÕ hoµn toµn b»ng Robot thùc tÕ kh«ng hiÖu qu¶ b»ng viÖc gi÷ l¹i mét sè c«ng ®o¹n mµ ®ßi hái sù khÐo lÐo cña con ng­êi. - X©y dùng m« h×nh qu¸ tr×nh s¶n xuÊt ®· ®­îc Robot ho¸: Sau khi ®· x¸c ®Þnh ®­îc m« h×nh tæng thÓ qu¸ tr×nh c«ng nghÖ, cÇn x¸c ®Þnh râ dßng chuyÓn dÞch nguyªn liÖu vµ dßng thµnh phÈm ®Ó ®¶m b¶o sù nhÞp nhµng ®ång bé cña tõng hÖ thèng. Cã thÕ míi ph¸t huy ®­îc hiÖu qu¶ ®Çu t­ vèn. - Chän lùa mÉu robot thÝch hîp hoÆc chÕ t¹o robot chuyªn dïng. §©y lµ b­íc quan träng v× robot cã rÊt nhiÒu lo¹i víi gi¸ tiÒn kh¸c nhau. NÕu nh­ kh«ng chän ®óng th× kh«ng nh÷ng ®Çu t­ qu¸ ®¾t mµ cßn kh«ng ph¸t huy ®­îc hÕt kh¶ n¨ng. ViÖc nµy th­êng x¶y ra khi mua robot n­íc ngoµi, cã nh÷ng chøc n¨ng robot ®­îc trang bÞ nh­ng kh«ng cÇn dïng cho c«ng viÖc cô thÓ mµ nã ®¶m nhiÖm d©y truyÒn s¶n xuÊt, v× thÕ mµ ®éi gi¸ lªn rÊt cao, chØ cã lîi cho n¬i cung cÊp thiÕt bÞ. CÊu tróc robot hîp lý nhÊt lµ cÊu tróc theo modun ho¸, nh­ thÕ cã thÓ h¹ ®­îc gi¸ thµnh s¶n xuÊt, ®ång thêi ®¸p øng ®­îc nhu cÇu phôc vô c«ng viÖc ®a d¹ng. CÊu tróc cµng ®¬n gi¶n cµng dÔ thùc hiÖn víi ®é chÝnh x¸c cao vµ gi¸ thµnh h¹. Ngoµi ra cßn cã thÓ tù t¹o dùng c¸c robot thÝch hîp víi c«ng viÖc trªn c¬ së mua l¾p c¸c modun chuÈn ho¸. §ã lµ h­íng triÓn khai hîp lý ®èi víi ®¹i bé phËn xÝ nghiÖp trong n­íc hiÖn nay cung nh­ trong t­¬ng lai. III. c¸c lÜnh vùc øng dông robot trong c«ng nghiÖp. - Mét trong c¸c lÜnh vùc hay øng dông robot lµ kü nghÖ ®óc. Th­êng trong ph©n x­ëng ®óc c«ng viÖc rÊt ®a d¹ng, ®iÒu kiÖn lµm viÖc nãng nùc, bôi bÆm, mÆt hµng thay ®æi lu«n vµ chÊt l­îng vËt ®óc phô thuéc nhiÒu vµo qu¸ tr×nh thao t¸c. ViÖc tù ®éng ho¸ toµn phÇn hoÆc tõng phÇn qu¸ tr×nh ®óc b»ng c¸c d©y truyÒn tù ®éng th«ng th­êng víi c¸c m¸y tù ®éng chuyªn dïng ®ßi hái ph¶i cã c¸c thiÕt bÞ phøc t¹p, ®Çu t­ kh¸ lín. Ngµy nay ë nhiÒu n­íc trªn thÕ giíi robot ®­îc dïng réng r·i ®Ó tù ®éng ho¸ c«ng nghÖ ®óc, nh­ng chñ yÕu lµ ®Ó phôc vô c¸c m¸y ®óc ¸p lùc. Robot cã thÓ lµm ®­îc nhiÒu viÖc nh­ rãt kim lo¹i nãng ch¶y vµo khu«n, c¾t mÐp thõa, lµm s¹ch vËt ®óc hoÆc lµm t¨ng bÒn vËt ®óc b»ng c¸ch phun c¸t... Dïng robot phôc vô c¸c m¸y ®óc ¸p lùc cã nhiÒu ­u ®iÓm: ®¶m b¶o æn ®Þnh chÕ ®é lµm viÖc, chuÈn ho¸ vÒ thêi gian thao t¸c, vÒ nhiÖt ®é vµ ®iÒu kiÖn th¸o vËt ®óc ra khái khu«n Ðp... bëi thÕ chÊt l­îng vËt ®óc t¨ng lªn. - Trong nghµnh gia c«ng ¸p lùc ®iÒu kiÖn lµm viÖc còng kh¸ nÆng nÒ, dÔ g©y mÖt mái nhÊt lµ ë trong c¸c ph©n x­ëng rÌn dËp nªn ®ßi hái sím ¸p dông robot c«ng nghiÖp. Trong ph©n x­ëng rÌn, robot cã thÓ thùc hiÖn nh÷ng c«ng viÖc: ®­a ph«i thõa vµo lß nung, lÊy ph«i ®· nung ra khái lß, mang nã ®Õn m¸y rÌn, chuyÓn l¹i ph«i sau khi rÌn vµ xÕp l¹i vËt ®· rÌn vµo gi¸ hoÆc thïng... Sö dông c¸c lo¹i robot ®¬n gi¶n nhÊt còng cã thÓ ®­a n¨ng xuÊt lao ®éng t¨ng lªn 1,5-2 lÇn vµ hoµn toµn gi¶m nhÑ lao ®éng cña c«ng nh©n. So víi c¸c ph­¬ng tiÖn c¬ giíi vµ tù ®éng kh¸c phôc vô c¸c m¸y rÌn dËp th× dïng robot cã ­u ®iÓm lµ nhanh h¬n, chÝnh x¸c h¬n vµ c¬ ®éng h¬n. - C¸c qu¸ tr×nh hµn vµ nhiÖt luyÖn th­êng bao gåm nhiÒu c«ng viÖc nÆng nhäc, ®éc h¹i vµ ë nhiÖt ®é cao. Do vËy ë ®©y còng nhanh chãng øng dông robot c«ng nghiÖp. Khi sö dông robot trong viÖc hµn, ®Æc biÖt lµ hµn hå quang víi mèi hµn ch¹y theo ®­êng cong kh«ng gian cÇn ph¶i ®¶m b¶o sao cho ®iÒu chØnh ®­îc ph­¬ng vµ kho¶ng c¸ch cña ®iÖn cùc so víi mÆt ph¼ng cña mèi hµn. NhiÖm vô ®ã cÇn ®­îc xem xÐt khi tæng hîp chuyÓn ®éng cña bµn kÑp vµ x©y dùng hÖ thèng ®iÒu khiÓn cã liªn hÖ ph¶n håi. Kinh nghiÖm cho thÊy r»ng cã thÓ thùc hiÖn tèt c«ng viÖc nÕu th«ng sè chuyÓn ®éng cña ®Çu ®iÖn cùc vµ chÕ ®é hµn ®­îc ®iÒu khiÓn b»ng mét ch­¬ng tr×nh thèng nhÊt, ®ång thêi nÕu ®­îc trang bÞ c¸c bé phËn c¶m biÕn, kiÓm tra vµ ®iÒu chØnh. Ngoµi ra robot hµn cßn ph¸t huy t¸c dông lín khi hµn trong nh÷ng m«i tr­êng ®Æc biÖt. H×nh 2 - 3: øng dông robot trong qu¸ tr×nh nhiÖt luyÖn - Robot ®­îc dïng kh¸ réng r·i trong gia c«ng vµ l¾p r¸p. Th­êng th­êng ng­êi ta sö dông robot chñ yÕu vµo c¸c viÖc th¸o l¾p ph«i vµ s¶n phÈm cho c¸c m¸y gia c«ng b¸nh r¨ng, m¸y khoan, m¸y tiÖn b¸n tù ®éng... Trong nghµnh chÕ t¹o m¸y vµ dông cô ®o chi phÝ vÒ l¾p r¸p th­êng chiÕm ®Õn 40% gi¸ thµnh s¶n phÈm. Trong khi ®ã møc ®é c¬ khÝ ho¸ l¾p r¸p kh«ng qu¸ 10-15% ®èi víi s¶n phÈm hµng lo¹t vµ 40% ®èi víi s¶n xuÊt hµng lo¹t lín. Bëi vËy, viÖc t¹o ra vµ sö dông robot l¾p r¸p cã ý nghÜa rÊt quan träng. Ph©n tÝch qu¸ tr×nh l¾p r¸p chóng ta thÊy r»ng con ng­êi khi g¸ ®Æt c¸c chi tiÕt ®Ó l¾p chóng víi nhau th× cã thÓ lµm nhanh h¬n c¸c thiÕt bÞ tù ®éng. Nh­ng khi thùc hiÖn c¸c ®éng t¸c kh¸c trong qu¸ tr×nh ghÐp chÆt chóng th× chËm h¬n. Bëi vËy yÕu tè thêi gian vµ ®é chÝnh x¸c ®Þnh vÞ lµ vÊn ®Ò quan trong cÇn quan t©m nhÊt khi thiÕt kÕ c¸c lo¹i robot l¾p r¸p. Ngoµi yªu cÇu hiÖn nay ®èi víi c¸c lo¹i robot l¾p r¸p vµ n©ng cao tÝnh linh ho¹t ®Ó ®¸p øng nhiÒu lo¹i c«ng viÖc, h¹ gi¸ thµnh vµ dÔ thÝch hîp víi viÖc s¶n xuÊt lo¹t nhá. Ngµy nay ®· xuÊt hiÖn nhiÒu lo¹i d©y chuyÒn tù ®éng gåm c¸c m¸y v¹n n¨ng víi robot c«ng nghiÖp. C¸c d©y truyÒn ®ã ®¹t møc ®é tù ®éng cao, tù ®éng hoµn toµn, kh«ng cã con ng­êi trùc tiÕp tham gia, rÊt linh ho¹t vµ kh«ng ®ßi hái ®Çu t­ lín. ë ®©y c¸c nhµ m¸y vµ robot trong d©y truyÒn ®­îc ®iÒu khiÓn b»ng cïng mét hÖ thèng ch­¬ng tr×nh. Trong mét d©y truyÒn tù ®éng cã c¸c m¸y ®iÒu khiÓn theo ch­¬ng tr×nh robot cã thÓ ®øng mét chç ®iÒu chØnh trªn ®­êng ray hoÆc theo di ®éng. Kü thuËt robot cã ­u ®iÓm quan träng nhÊt lµ t¹o nªn kh¶ n¨ng linh ho¹t ho¸ s¶n xuÊt. ViÖc sö dông m¸y tÝnh ®iÖn tö, robot vµ m¸y ®iÒu khiÓn theo ch­¬ng tr×nh ®· cho phÐp t×m ®­îc nh÷ng ph­¬ng thøc míi mÎ ®Ó t¹o nªn c¸c d©y truyÒn tù ®éng cho s¶n xuÊt hµng lo¹t víi nhiÒu mÉu m·, s¶n phÈm. D©y truyÒn tù ®éng “cøng” gåm nhiÒu thiÕt bÞ tù ®éng chuyªn dïng ®ßi hái vèn ®Çu t­ lín, nhiÒu thêi gian ®Ó thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o trong lóc quy tr×nh c«ng viÖc lu«n lu«n c¶i tiÕn, nhu cÇu ®èi víi chÊt l­îng vµ quy c¸ch cña s¶n phÈm lu«n lu«n thay ®æi. Bëi vËy nhu cÇu “ mÒm” hãa hay lµ linh ho¹t ho¸ d©y truyÒn s¶n xuÊt ngµy cµng t¨ng. Kü thuËt c«ng nghiÖp vµ m¸y tÝnh ®· ®ãng vai trß quan träng trong viÖc t¹o ra c¸c d©y truyÒn tù ®éng linh ho¹t. XuÊt ph¸t tõ nhu cÇu vµ kh¶ n¨ng linh ho¹t ho¸ s¶n xuÊt, trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y kh«ng chØ c¸c nhµ khoa häc mµ c¶ c¸c nhµ s¶n xuÊt ®· tËp trung sù chó ý vµo viÖc h×nh thµnh vµ ¸p dông c¸c hÖ s¶n xuÊt tù ®éng linh ho¹t, gäi t¾t lµ hÖ s¶n xuÊt linh ho¹t. HÖ s¶n xuÊt linh ho¹t ngµy nay th­êng bao gåm c¸c thiÕt bÞ gia c«ng ®­îc ®iÒu khiÓn b»ng ch­¬ng tr×nh sè, c¸c ph­¬ng tiÖn vËn chuyÓn vµ kho chøa trong ph©n x­ëng ®· ®­îc tù ®éng ho¸ vµ nhãm robot c«ng nghiÖp ë vÞ trÝ trùc tiÕp víi c¸c thiÕt bÞ gia c«ng hoÆc thùc hiÖn c¸c nguyªn c«ng phô. ViÖc ®iÒu khiÓn vµ kiÓm tra ®iÒu khiÓn toµn hÖ s¶n xuÊt linh ho¹t lµ rÊt thÝch hîp víi quy m« s¶n xuÊt nhá vµ võa, thÝch hîp víi yªu cÇu lu«n lu«n thay ®æi chÊt l­îng s¶m phÈm vµ quy tr×nh c«ng nghÖ. Bëi vËy, ngµy nay, hÖ s¶n xuÊt linh ho¹t thu hót sù chó ý kh«ng nh÷ng ë c¸c n­íc ph¸t triÓn mµ ngay c¶ ë c¸c n­íc ®ang ph¸t triÓn. Trong mét sè tµi liÖu n­íc ngoµi hÖ FMS (flexible Manufacturing System) nay ®­îc diÔn gi¶i nh­ hÖ s¶n xuÊt cña t­¬ng lai ( future Manufacturing System), sù trïng hîp c¸c tõ viÕt t¾t nµy kh«ng ph¶i ngÉu nhiªn. Tû lÖ ph©n bè c¸c lo¹i c«ng viÖc ®­îc dïng robot: 1. §óc ¸p lùc 18,3% 2. Hµn ®iÓm 14,7% 3. Hµn hå quang 12,3% 4. CÊp tho¸t ph«i 9,6% 5. L¾p r¸p 9,5% 6. Nghiªn cøu, ®µo t¹o 5,7% 7. Phun phñ bÒ mÆt 5,7% 8. N©ng chuyÓn s¾p xÕp 3,9% 9. C¸c viÖc kh¸c 30,3% Sù ph©n bè tû lÖ c¸c lo¹i robot víi c¸c lo¹i ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn kh¸c nhau: a. Tay m¸y ®iÒu khiÓn b»ng tay: 4% b. Robot ®­îc ®iÒu khiÓn theo chu kú cøng: 59% c. Robot ®­îc ®iÒu khiÓn theo chu kú thay ®æi theo ch­¬ng tr×nh: 11% d. Robot ®­îc ®iÒu khiÓn dïng ch­¬ng tr×nh d¹y häc: 18% e. Robot ®­îc ®iÒu khiÓn theo ch­¬ng tr×nh sè: 5% f. Robot ®­îc ®iÒu khiÓn cã sö lý tinh kh«n: 3% IV. c¸c xu thÕ øng dông robot trong t­¬ng lai. Robot ngµy cµng thay thÕ nhiÒu lao ®éng ë ®©y chØ ®Ò cËp ®Õn robot c«ng nghiÖp. Trong t­¬ng lai, kü thuËt robot sÏ tËn dông h¬n n÷a c¸c thµnh tùu khoa häc liªn nghµnh, ph¸t triÓn c¶ vÒ phÇn cøng, phÇn mÒm vµ ngµy cµng chiÕm lÜnh nhiÒu lÜnh vùc trong c«ng nghiÖp. Sè l­îng lao ®éng ®­îc thay thÕ ngµy cµng nhiÒu v×: cµng ngµy gi¸ thµnh robot cµng gi¶m, mÆt kh¸c chi phÝ tiÒn l­¬ng vµ c¸c kho¶n phô kh¸c cÊp cho ng­êi lao ®éng ngµy cµng cao. Robot ngµy cµng trë nªn chuyªn dông: Khi robot c«ng nghiÖp ra ®êi, ng­êi ta th­êng cè g¾ng lµm sao ®Ó biÓu thÞ hÕt kh¶ n¨ng cña nã. V× thÕ xuÊt hiÖn rÊt nhiÒu lo¹i robot v¹n n¨ng cã thÓ lµm ®­îc nhiÒu viÖc trªn d©y truyÒn. Tuy nhiªn thùc tÕ s¶n xuÊt chøng tá r»ng, c¸c robot chuyªn m«n ho¸ ®¬n gi¶n h¬n, chÝnh x¸c h¬n, häc viÖc nhanh h¬n vµ quan träng lµ rÎ tiÒn h¬n robot v¹n n¨ng. C¸c robot chuyªn dông hiÖn ®¹i ®Òu ®­îc cÊu t¹o thµnh tõ c¸c modul v¹n n¨ng. Xu thÕ modul ho¸ ngµy cµng ph¸t triÓn nh»m chuyªn m«n ho¸ viÖc chÕ t¹o c¸c modul vµ tõ c¸c modul ®ã sÏ cÊu thµnh nhiÒu kiÓu robot kh¸c nhau thÝch hîp cho tõng lo¹i c«ng viÖc. Robot ngµy cµng ®¶m nhËn nhiÒu lo¹i c«ng viÖc l¾p r¸p. C«ng ®o¹n l¾p r¸p th­êng chiÕm tû lÖ cao so víi tæng thêi gian s¶n xuÊt trªn toµn bé d©y truyÒn. C«ng viÖc khi l¾p r¸p lµ ph¶i ®ßi hái rÊt cÈn thËn, kh«ng ®­îc nhÇm lÉn, thao t¸c nhÑ nhµng, tinh tÕ vµ chÝnh x¸c nªn cÇn thî cã tay nghÒ cao vµ ph¶i lµm viÖc c¨ng th¼ng suÊt c¶ ngµy. Kh¶ n¨ng thay thÕ ng­êi lao ®éng ë nh÷ng kh©u l¾p r¸p ngµy cµng hiÖn thùc lµ do ®· ¸p dông ®­îc nhiÒu thµnh tùu míi vÒ khoa häc trong viÖc thiÕt kÕ, chÕ t¹o robot. VÝ dô ®· t¹o ra nh÷ng cÊu h×nh ®¬n gi¶n vµ chÝnh x¸c trªn c¬ së sö dông c¸c vËt liÖu míi võa bÒn, võa nhÑ. Trong ®ã nªn kÓ ®Õn c¸c lo¹i robot nh­ Adept Oen, SCARA,... §ång thêi do thõa h­ëng sù ph¸t triÓn kü thuËt nhËn vµ biÕn ®æi tÝn hiÖu ( sensor), ®Æc biÖt kü thuËt nhËn vµ sö lý tÝn hiÖu ¶nh (vision) còng nh­ kü thuËt tin häc víi c¸c ng«n ng÷ bËc cao, robot c«ng nghiÖp ®· cã mÆt trªn nhiÒu c«ng ®o¹n l¾p r¸p phøc t¹p. Robot di ®éng ngµy cµng trë nªn phæ biÕn. Trong c¸c nhµ m¸y hiÖn ®¹i, tªn gäi ph­¬ng tiÖn dÉn ®­êng tù ®éng AVG (automatic Guided Vehicles) ®· trë thµnh quen thuéc. Lo¹i ®¬n gi¶n lµ nh÷ng chiÕc xe vËn chuyÓn néi bé trong ph©n x­ëng ®­îc ®iÒu khiÓn theo ch­¬ng tr×nh víi mét quü ®¹o ®Þnh s½n. Cµng ngµy c¸c thiÕt bÞ lo¹i nµy còng ®­îc hiÖn ®¹i ho¸ nhê ¸p dông kü thuËt th«ng tin v« tuyÕn hoÆc dïng tia hång ngo¹i... V× vËy AGV ®· cã thÓ ho¹t ®éng linh ho¹t trong ph©n x­ëng. §ã chÝnh lµ robot linh ®éng vµ cßn gäi lµ robocar. Mét h­íng ph¸t triÓn linh ho¹t vµ quan träng cña robocar lµ kh«ng di chuyÓn b»ng c¸c b¸nh xe mµ b»ng ch©n, thÝch hîp víi mäi ®Þa h×nh. Robot ®i ®­îc b»ng ch©n cã thÓ tù leo thang, lµ mét ®èi t­îng ®ang rÊt ®­îc chó ý trong nghiªn cøu kh«ng nh÷ng ®Þnh h­íng trong c«ng nghiÖp h¹t nh©n hoÆc trong kü thuËt quèc phßng mµ ngay c¶ trong c«ng nghiÖp d©n dông th«ng th­êng. ë ®©y viÖc t¹o ra c¸c c¬ cÊu chÊp hµnh c¬ khÝ bÒn v÷ng, nhÑ nhµng, chÝnh x¸c vµ linh ho¹t nh­ ch©n ng­êi l¹i lµ ®èi t­îng nghiªn cøu chñ yÕu. Robot ngµy cµng trë nªn tinh kh«n h¬n. TrÝ kh«n nh©n t¹o lµ mét vÊn ®Ò rÊt quan t©m nghiªn cøu víi c¸c môc ®Ých kh¸c nhau. Kü thuËt robot còng tõng b­íc ¸p dông c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu vÒ trÝ kh«n nh©n t¹o vµ ®­a vµo øng dông c«ng nghiÖp. Tr­íc hÕt lµ sö dông c¸c hÖ chuyªn gia, c¸c hÖ thÞ gi¸c nh©n t¹o, m¹ng n¬ron vµ c¸c ph­¬ng ph¸p nhËn d¹ng tiÕng nãi... Cïng víi c¸c thµnh tùu míi trong nghiªn cøu vÒ trÝ kh«n nh©n t¹o, robot ngµy cµng cã kh¶ n¨ng ®¶m nhËn ®­îc nhiÒu nguyªn c«ng d©y truyÒn s¶n xuÊt ®ßi hái sù tinh kh«n nhÊt ®Þnh. VÊn ®Ò thiÕt bÞ c¶m biÕn ®­îc nhiÒu ngµnh kü thuËt quan t©m vµ còng ®¹t ®­îc nhiÒu thµnh tùu míi trong thêi k× ph¸t triÓn s«i ®éng cña lÜnh vùc vi sö lý. §ã còng lµ ®iÒu kiÖn thuËn lîi trong viÖc ¸p dông chóng trong kü thuËt robot nh»m t¨ng c­êng kh¶ n¨ng th«ng minh cña thiÕt bÞ. Nh÷ng lo¹i h×nh ®­îc quan t©m nhiÒu trong c«ng nghiÖp lµ c¸c robot th«ng minh cã c¸c modul c¶m biÕn ®Ó nhËn biÕt ®­îc kho¶ng c¸ch ®Ó tr¸nh vËt c¶n khi thao t¸c, c¶m biÕn nhËn biÕt ®­îc mµu s¾c khi ph©n lo¹i, c¶m biÕn ®­îc lùc khi l¾p r¸p... Khi ®­îc l¾p thªm c¸c modul c¶m biÕn nµy robot ®­îc gäi víi nhiÒu tªn míi. VÝdô: robot “nh×n ®­îc” ( vision robot), robot l¾p r¸p ( assembli), robot c¶nh b¸o ( alarm robot),... §Ó th«ng minh ho¸ robot bªn c¹nh viÖc cµi ®Æt bæ xung c¸c modul c¶m biÕn “néi tÝn hiÖu” vµ c¸c modul c¶m biÕn “ngo¹i tÝn hiÖu” th× ®ång thêi cã thÓ th«ng minh ho¸ robot b»ng c¸c ch­¬ng tr×nh phÇn mÒm cã kh¶ n¨ng tù thÝch nghi vµ tù xö lý c¸c t×nh huèng... Nh­ vËy b»ng c¸ch bæ xung c¸c modul c¶m biÕn vµ c¸c phÇn mÒn phï hîp cã thÓ n©ng cÊp c¶i tiÕn nhiÒu lo¹i robot. Tuy nhiªn b¶n th©n c¸c robot nµy ph¶i cã c¸c c¬ cÊu chÊp hµnh linh ho¹t chÝnh x¸c . Ngµy nay cã nhiÒu lo¹i robot th«ng minh kh«ng nh÷ng cã thÓ lµm viÖc trong c¸c ph©n x­ëng c«ng nghiÖp mµ cßn thao t¸c ®­îc ë bªn ngoµi, trªn c¸c ®Þa h×nh phøc t¹p nh­ c¸c lo¹i robot vò trô ( space robot), robot tù hµnh ( walking robot), robot cÇn cÈu( robot crale), t¹o dùng tõ c¸c modul robot song song... Ch­¬ng III KÕt cÊu trong robot c«ng nghiÖp I. kÕt cÊu chung. Robot c«ng nghiÖp rÊt ®a d¹ng vÒ kÕt cÊu vµ tÝnh n¨ng, ®­îc ®¸nh gi¸ b»ng c¸c th«ng sè kü thuËt rÊt kh¸c nhau. Tuy nhiªn, cã nh÷ng th«ng sè kü thuËt chung cho hÇu hÕt robot. Dùa vµo c¸c th«ng sè kü thuËt chung ®ã ng­êi ta thèng nhÊt ho¸ vµ tiªu chuÈn ho¸ kÕt cÊu cña robot. D­íi ®©y lµ hÖ thèng kÕt cÊu chung cho robot c«ng nghiÖp: ThiÕt bÞ liªn hÖ víi ng­êi vËn hµnh Ng­êi vËn hµnh HÖ thèng truyÒn ®éng HÖ thèng chÞu lùc HÖ thèng biÕn tÝn hiÖu M«i tr­êng bªn ngoµi HÖ thèng ®iÒu khiÓn H×nh 3 - 1: S¬ ®å cÊu tróc vµ chøc n¨ng cña Robot. Trong s¬ ®å trªn, c¸c ®­êng (®­êng ®Ëm) chØ mèi quan hÖ th«ng tin thuËn, th«ng tin chØ huy nhiÖm vô Robot. C¸c ®­êng (®­êng nh¹t) chØ mèi liªn hÖ th«ng tin ng­îc, th«ng tin ph¶n håi vÒ qu¸ tr×nh lµm viÖc cña Robot. Chøc n¨ng cña bé phËn giao tiÕp lµ liªn l¹c víi ng­êi vËn hµnh vµ thùc hiÖn qu¸ tr×nh “d¹y häc” cho Robot, nhê ®ã Robot biÕt ®­îc nhiÖm vô ph¶i thùc hiÖn. Chøc n¨ng cña hÖ thèng ®iÒu khiÓn lµ thùc hiÖn viÖc t¸i hiÖn l¹i c¸c hµnh ®éng nhiÖm vô ®· ®­îc “häc”. Bé phËn chÊp hµnh gióp cho Robot cã ®ñ “søc” chÞu ®­îc t¶i träng mµ Robot ph¶i chÞu trong qu¸ tr×nh lµm viÖc, bé phËn nµy bao gåm: PhÇn 1: bé phËn chÞu chuyÓn ®éng, phÇn t¹o c¸c kh¶ n¨ng chuyÓn ®éng cho Robot. PhÇn 2: bé phËn chÞu lùc, phÇn chÞu lùc cña Robot. Bé c¶m biÕn tÝn hiÖu: lµm nhiÖm vô nhËn biÕt, ®o l­êng vµ biÕn ®æi th«ng tin c¸c lo¹i tÝn hiÖu nh­: c¸c néi tÝn trong b¶n th©n Robot, ®ã lµ c¸c tÝn hiÖu vÒ vÞ trÝ, vËn tèc, gia tèc, trong tõng thµnh phÇn cña bé phËn chÊp hµnh c¸c ngo¹i tÝn hiÖu, lµ c¸c tÝn hiÖu tõ m«i tr­êng bªn ngoµi cã ¶nh h­ëng tíi ho¹t ®éng cña Robot. Víi cÊu tróc vµ chøc n¨ng nh­ trªn, Robot phÇn nµo mang tÝnh “ng­êi” cßn phÇn m¸y chÝnh lµ tr¹ng th¸i vËt lý cña cÊu tróc. Víi IR tÝnh chÊt “ng­êi” vµ “m¸y”còng ®­îc thÓ hiÖn ®Çy ®ñ nh­ trªn, duy tr× h×nh thøc mang d¸ng dÊp cña tay “ng­êi”. Tay m¸y c«ng nghiÖp th­êng cã nh÷ng bé phËn sau: HÖ thèng ®iÒu khiÓn: th­êng lµ lo¹i ®¬n gi¶n lµm viÖc cã chu kú vËn hµnh theo nguyªn lý cña hÖ thèng ®iÒu khiÓn hë hoÆc kÝn. HÖ thèng chÊp hµnh: bµo gåm c¸c nguån ®éng lùc, hÖ thèng truyÒn ®éng, hÖ thèng chÞu lùc nh­ : c¸c ®éng c¬ thuû, khÝ nÐn, c¬ cÊu servo ®iÖn tö, ®éng c¬ b­íc. Mçi chuyÓn ®éng cña IR th­êng cã mét ®éng c¬ riªng vµ c¸c thanh chÞu lùc. Bµn kÑp: lµ bé phËn c«ng t¸c cuèi cïng cña tay m¸y, n¬i cÇm n¾m c¸c thiÕt bÞ c«ng nghÖ hay vËt cÇn di chuyÓn. II. cÊu tróc tay m¸y. Tay m¸y lµ phÇn c¬ së, quÕt ®Þnh kh¶ n¨ng lµm viÖc cña robot. §ã chÝnh lµ thiÕt bÞ c¬ khÝ ®¶m b¶o cho robot kh¶ n¨ng chuyÓn ®éng trong kh«ng gian vµ kh¶ n¨ng lµm viÖc, nh­ n©ng, h¹, l¾p r¸p...ý t­ëng ban ®Çu cña viÖc thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o tay m¸y lµ pháng c¸c chøc n¨ng lµm viÖc cña tay ng­êi. VÒ sau, ®©y kh«ng ph¶i lµ ®iÒu b¾t buéc n÷a. Tay m¸y hiÖn nay rÊt ®a d¹ng vµ phong phó vµ nhiÒu lo¹i cã d¸ng vÎ kh¸c xa so víi con ng­êi. Tuy nhiªn trong kü thuËt robot ta vÉn dïng c¸c thuËt ng÷ quen thuéc nh­ vai ( shoulder), c¸nh tay ( arm), cæ tay ( Wrist), bµn tay ( Hand), vµ c¸c khíp ( Articulation)..., ®Ó chØ tay m¸y vµ c¸c bé phËn cña nã. Trong thiÕt kÕ vµ sö dông tay m¸y, ng­êi ta quan t©m ®Õn c¸c th«ng sè cã ¶nh h­ëng ®Õn kh¶ n¨ng lµm viÖc cña chóng nh­: Søc n©ng, ®é cøng v÷ng, lùc kÑp cña tay ... TÇm víi hay vïng lµm viÖc: kÝch th­íc, h×nh d¸ng vïng mµ phÇn c«ng t¸c c¬ thÓ víi tíi. Sù khÐo lÐo, nghÜa lµ kh¶ n¨ng ®Þnh vÞ vµ ®Þnh h­íng phÇn c«ng t¸c trong vïng lµm viÖc. Th«ng sè nµy liªn quan ®Õn sè bËc tù do cña phÇn c«ng t¸c. §Ó ®Þnh vÞ vµ ®Þnh h­íng phÇn c«ng t¸c mét c¸ch tïy ý trong kh«ng gian 3 chiÒu nã cÇn 6 bËc tù do, trong ®ã cã 3 bËc tù do ®Ó ®Þnh vÞ, 3 bËc tù do ®Ó ®Þnh h­íng. Mét sè c«ng viÖc nh­ n©ng, h¹, xÕp ®ì... yªu cÇu sè bËc tù do Ýt h¬n 6. Trong mét sè tr­êng hîp cÇn sù khÐo lÐo linh ho¹t, cÇn sù tèi ­u quü ®¹o th× cÊn sè bËc tù do lín h¬n 6. C¸c tay m¸y cã ®Æc ®iÓm chung vÒ kÕt cÊu lµ gåm c¸c kh©u, ®­îc nèi víi nhau b»ng c¸c khíp ®Ó h×nh thµnh mét chuçi ®éng häc hë, tÝnh tõ th©n ®Õn c«ng t¾c. C¸c khíp ®­îc dïng phæ biÕn lµ khíp tr­ît vµ khíp quay. Tuú theo sè l­îng vµ c¸ch bè trÝ c¸c khíp mµ ta cã thÓ t¹o ra tay m¸y kiÓu to¹ ®é §Ò c¸c hay to¹ ®é trô, hay to¹ ®é cÇu, SCARA vµ kiÓu tay ng­êi. Tay m¸y kiÓu to¹ ®é ®Ò c¸c: Hay cßn gäi lµ kiÓu h×nh ch÷ nhËt, dïng 3 khíp tr­ît, cho phÐp phÇn c«ng t¸c thùc hiÖn mét c¸ch ®éc lËp c¸c chuyÓn ®éng th¼ng, song song víi 3 trôc to¹ ®é. Vïng lµm viÖc cña tay m¸y cã d¹ng h×nh hép ch÷ nhËt. Do sù ®¬n gi¶n vÒ kÕt cÊu, tay m¸y kiÓu nµy cã to¹ ®é cøng v÷ng cao, ®é chÝnh x¸c ®­îc ®¶m b¶o ®ång ®Òu trong toµn bé vïng lµm viÖc, nh­ng Ýt khÐo lÐo. V× vËy, tay m¸y kiÓu to¹ ®é §Òc¸c ®­îc dïng cho vËn chuyÓn vµ l¾p r¸p. Tay m¸y kiÓu to¹ ®é trô: Kh¸c tay m¸y kiÓu to¹ ®é §Òc¸c ë khíp ®Çu tiªn: dïng khíp quay thay cho khíp tr­ît. Vïng lµm viÖc cña nã cã d¹ng h×nh trô rçng. Khíp tr­ît n»m ngang cho phÐp tay m¸y thß vµo kho¶ng rçng n»m ngang. §é cøng v÷ng cña tay m¸y trô rÊt tèt, thÝch hîp víi t¶i träng nÆng, ®é chÝnh x¸c ®Þnh vÞ gãc trong mÆt ph¼ng ngang gi¶m khi tÇm víi t¨ng. Tay m¸y kiÓu to¹ ®é cÇu: Kh¸c kiÓu trô do khíp thø hai lµ khíp tr­ît ®­îc thay b¨ng khíp quay. NÕu quü ®¹o chuyÓn ®éng cña phÇn c«ng t¸c ®­îc m« t¶ trong to¹ ®é cÇu th× mçi bËc tù do t­¬ng øng mét kh¶ n¨ng chuyÓn ®éng vµ vïng lµm viÖc cña nã lµ khèi cÇu rçng. §é cøng v÷ng cña lo¹i tay m¸y nµy thÊp h¬n hai lo¹i trªn vµ ®é chÝnh x¸c ®Þnh vÞ phô thuéc vµo tÇm víi. Tuy nhiªn lo¹i nµy cã thÓ nhÆt ®­îc c¶ vËt d­íi nÒn. SCARA ®­îc ®Ó xuÊt lÇn ®µu tiªn vµo n¨m 1979 tai tr­êng ®¹i häc Yahanashi ( NhËt), dïng cho c«ng viÖc l¾p r¸p. §ã lµ mét tay m¸y cã cÊu t¹o ®Æc biÖt gåm hai khíp quay vµ mét khíp tr­ît, nh­ng c¶ 3 khíp ®Òu cã trôc song song víi nhau. KÕt cÊu nµy lµm tay m¸y cøng v÷ng h¬n theo ph­¬ng th¼ng ®øng nh­ng kÐm cøng v÷ng theo ph­¬ng ®­îc chän lµ ph­¬ng ngang. Lo¹i nµy chuyªn dïng cho l¾p r¸p, víi t¶i träng nhá, theo ph­¬ng th¼ng ®øng. Tõ SCARA lµ viÕt tÊt cña: Selective Compliance Asembly Robot Arm ®Ó m« t¶ c¸c ho¹t ®éng trªn. Vïng lµm viÖc cña SCARA lµ mét h×nh trôc rçng. Tay m¸y kiÓu tay ng­êi: Cã c¶ 3 khíp ®Òu lµ khíp quay, trong ®ã trôc thø nhÊt vu«ng gãc víi hai trôc kia. Do sù t­¬ng tù víi tay ng­êi, khíp thø hai ®­îc gäi lµ khíp vai, khíp thø 3 lµ khíp khuûu tay nèi c¼ng tay víi khuûu tay. Víi kiÓu kÕt cÊu nµy kh«ng cã sù t­¬ng øng gi÷a kh¶ n¨ng chuyÓn ®éng gi÷a c¸c kh©u vµ sè bËc tù do. Tay m¸y lµm viÖc rÊt khÐo lÐo nh­ng ®é chÝnh x¸c ®Þnh vÞ phô thuéc vµo phÇn c«ng t¸c trong vïng lµm viÖc. Vïng lµm viÖc cña tay m¸y kiÓu nµy gÇn gièng mét phÇn khèi cÇu. Toµn bé kÕt cÊu ë trªn chØ liªn quan ®Õn kh¶ n¨ng ®Þnh vÞ cña phÇn c«ng t¸c. Muèn ®Þnh h­íng nã cÇn bæ xung phÇn cæ tay. Muèn ®Þnh h­íng mét c¸ch tuú ý phÇn cæ tay ph¶i cã Ýt nhÊt 3 chuyÓn ®éng quanh 3 trôc vu«ng gãc víi nhau. Trong tr­êng hîp trôc quay 3 khíp gÆp nhau t¹i mét ®iÓm th× ta gäi ®ã lµ khíp cÇu. ¦u ®iÓm lín nhÊt cña khíp cÇu lµ t¸ch ®­îc thao t¸c ®Þnh vÞ vµ ®Þnh h­íng cña phÇn c«ng t¸c, lµm ®¬n gi¶n cho viÖc tÝnh to¸n. C¸c kiÓu khíp kh¸c cã thÓ ®¬n gi¶n h¬n vÒ kÕt cÊu c¬ khÝ, nh­ng tÝnh to¸n to¹ ®é khã h¬n, do kh«ng t¸ch ®­îc hai lo¹i thao t¸c nãi trªn. III. HÖ thèng chÊp hµnh. TruyÒn dÉn c¬ khÝ . TruyÒn dÉn c¬ khÝ cã rÊt nhiÒu lo¹i h×nh, chóng ®­îc dïng réng r·i trong kü thuËt m¸y nãi chung vµ trong kü thuËt robot nã riªng. Ngoµi nh÷ng lo¹i truyÒn dÉn ®éng c¬ khÝ phæ th«ng, trong kü thuËt robot ®· sö dông nh÷ng kü thuËt míi vµ t­¬ng ®èi míi mÎ. Bé truyÒn b¸nh r¨ng sãng. TruyÒn ®éng b¸nh r¨ng sãng kh¸c biÖt so víi c¸c lo¹i truyÒn ®éng b¸nh r¨ng kh¸c ë chç nã cã mét b¸nh r¨ng mÒm truyÒn sãng biÕn d¹ng vµ nhê vËy mµ truyÒn ®­îc chuyÓn ®éng quay. H×nh 3 - 2: Bé truyÒn b¸nh r¨ng sãng. Bé truyÒn b¸nh r¨ng sãng gåm ba bé phËn c¬ b¶n : b¸nh r¨ng mÒm 1, b¸nh r¨ng cøng 2, cÇn t¹o sãng b. Bé truyÒn b¸nh r¨ng sãng ®­îc dïng chñ yÕu ë c¸c bé truyÒn cÇn tû sè truyÒn cao, c¸c bé truyÒn ®ßi hái ®é chÝnh x¸c cao vµ yªu cÇu t¸c ®éng nhanh trong hÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng, c¸c khíp ®éng trong tay m¸y. Bé truyÒn ®éng b¸nh r¨ng con l¨n – cycloid hµnh tinh. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y truyÒn ®éng b¸nh r¨ng cycloid hµnh tinh l¹i ®­îc quan t©m nghiªn cøu c¶i tiÕn vµ øng dông t­¬ng ®èi réng r·i ë c¸c bé truyÒn dÉn trong robot. TruyÒn ®éng nµy cã nhiÒu ­u ®iÓm : ®¹t tû sè truyÒn cao, gän nhÑ, ®é bÒn vµ ®é chÝnh x¸c ®Òu cao h¬n so víi nhiÒu lo¹i truyÒn ®éng kh¸c. Tuy nhiªn l¹i yªu cÇu cao vÒ ®é chÝnh x¸c chÕ t¹o vµ l¾p r¸p. H×nh 3 - 3: S¬ ®å t¹o h×nh ¨n khíp b¸nh r¨ng Cycloid TruyÒn ®éng vÝt ®ai èc bi. TruyÒn ®éng vÝt ®ai èc bi ®­îc dïng ®Çu tiªn trong c¬ cÊu tay m¸y cña «t« ë h·ng General motors. Ngµy nay, ®· rÊt nhiÒu h·ng s¶n xuÊt bé truyÒn vÝt ®ai èc bi, nhiÒu c¶i tiÕn míi vµ øng dông rÊt réng r·i trong nhiÒu lÜnh vùc trong ®ã cã kü thuËt Robot. C«ng dông chñ yÕu cña bé truyÒn vÝt ®ai èc bi lµ biÕn chuyÓn ®éng quay sang chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn. H×nh 3 - 4: S¬ ®å kÕt cÊu bé truyÒn vÝt ®ai èc bi. KÕt cÊu bé truyÒn vÝt ®ai èc bi ngµy nay ®· cã rÊt nhiÒu lo¹i h×nh kh¸c nhau. Nh­ng viÖc chän lùa h×nh d¸ng, kÝch th­íc r·nh bi l¨n cã liªn quan nhiÒu ®Õn c«ng viÖc chÕ t¹o vµ kh¶ n¨ng ®¹t ®­îc ®é chÝnh x¸c gia c«ng. ­u ®iÓm : hiÖu suÊt cao, ®é chÝnh x¸c ®Þnh vÞ cao, ®é bÒn cao, nh­ng gi¸ thµnh t­¬ng ®èi cao. §éng c¬ ®iÖn vµ ®iÒu khiÓn ®éng c¬. øng dông truyÒn ®éng ®iÖn TruyÒn ®éng ®iÖn ®­îc sö dông kh¸ nhiÒu trong kü thuËt robot. v× cã nh÷ng ­u ®iÓm nh­ lµ ®iÒu khiÓn ®¬n gi¶n kh«ng ph¶i dïng c¸c bé biÕn ®æi phô thªm, kh«ng g©y bÈn cho m«i tr­êng, c¸c lo¹i ®éng c¬ hiÖn ®¹i cã thÓ l¾p trùc tiÕp trªn c¸c khíp quay... Tuy nhiªn so víi truyÒn ®éng thuû khÝ th× truyÒn ®éng ®iÖn cã tû lÖ thÊp gi÷a c«ng suÊt truyÒn trªn mét mét ®¬n vÞ khèi l­îng vµ th«ng th­êng ®ßi hái kÌm theo hép gi¶m tèc cång kÒnh v× trong tay m¸y tèc ®é quay rÊt chËm... Trong kü thuËt robot vÒ nguyªn t¾c cã thÓ dïng ®éng c¬ ®iÖn c¸c lo¹i kh¸c nhau, nh­ng trong thùc tÕ chØ cã hai lo¹i ®­îc dïng nhiÒu h¬n c¶. §ã lµ ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu vµ ®éng c¬ b­íc. Ngµy nay do nh÷ng thµnh c«ng míi trong nghiªn cøu ®iÒu khiÓn ®éng c¬ xoay chiÒu, nªn còng cã xu h­íng chuyÓn sang chuyÓn sö dông ®éng c¬ xoay chiÒu ®Ó tr¸nh ph¶i trang bÞ thªm bé nguån ®iÖn mét chiÒu. Ngoµi ra lo¹i ®éng c¬ mét chiÒu kh«ng chæi gãp ( DC brushless motor) còng b¾t ®Çu ®­îc øng dông nhiÒu. §éng c¬ ®iÖn mét chiÒu: H×nh 3 - 5: S¬ ®å ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu §¹i c­¬ng vÒ ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu §éng c¬ ®iÖn mét chiÒu gåm cã hai phÇn (h×nh 3-5) a. Stato cè ®Þnh víi c¸c cuén d©y cã dßng ®iÖn c¶m hoÆc dïng nam ch©m vÜnh cöu. PhÇn nµy gäi lµ phÇn c¶m. PhÇn c¶m t¹o nªn tõ th«ng trong khe hë kh«ng khÝ. b. Roto víi c¸c thanh dÉn. Khi cã dßng ®iÒn mét chiÒu ch¹y qua vµ víi dßng tõ th«ng x¸c ®Þnh, roto sÏ quay. PhÇn nµy cßn gäi lµ phÇn øng. Do c¸ch kh¸c nhau khi bè trÝ d©y cuèn phÇn c¶m so víi phÇn øng ta cã nh÷ng lo¹i ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kh¸c nhau: §éng c¬ kÝch tõ song song. §éng c¬ kÝch tõ nèi tiÕp. §éng c¬ kÝch tõ hçn hîp. C¸c ®¹i l­îng chñ yÕu x¸c ®Þnh sù lµm viÖc cña ®éng c¬ mét chiÒu lµ: U - §iÖn ¸p cung cÊp cña phÇn øng. I - C­¬ng ®é dßng ®iÖn trong phÇn øng. r - §iÖn trë trong phÇn øng. - Tõ th«ng trong khe hë. E - Søc c¶n ®iÖn ®éng phÇn øng. C¸c quan hÖ c¬ b¶n khi lµm viÖc lµ: E = U – rI = kn (1) k phô thuéc vµo ®Æc tÝnh cña d©y cuèn vµ sè thanh dÉn t¸c dông cña phÇn øng. Tõ (1) ta cã c¸c nhËn xÐt sau: Khëi ®éng E b»ng 0 khi më m¸y, chØ cã ®iÖn trë phÇn øng r rÊt nhá h¹n chÕ dßng ®iÖn. V× thÕ cÇn ph¶i cã biÕn trë më m¸y ®Ó duy tr× I ë gi¸ trÞ thÝch hîp. Sè vßng quay: VËy ®iÒu chØnh tèc ®é cã thÓ tiÕn hµnh b»ng c¸ch t¸c ®éng vµo ®iÖn ¸p U hoÆc t¸c ®éng vµo tõ th«ng . Momen ®éng C x¸c ®Þnh tõ ph­¬ng tr×nh c©n b»ng c«ng suÊt: EI =2nC §iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu: VÒ ph­¬ng diÖn ®iÒu chØnh tèc ®é th× ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu cã nhiÒu ­u viÖt h¬n h¼n c¸c ®éng c¬ kh¸c. Kh¶ n¨ng ®iÒu chØnh tèc ®é dÔ dµng trong d¶i réng vµ cã cÊu tróc m¹ch lùc vµ m¹ch ®iÒu khiÓn ®¬n gi¶n. Nh­ ®· nãi trªn, cã hai ph­¬ng ph¸p c¬ b¶n ®Ó ®iÒu chØnh tèc ®é ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu: - T¸c ®éng lªn tõ th«ng th«ng qua viÖc ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p dßng kÝch tõ. - §iÒu chØnh ®iÖn ¸p phÇn øng. Khi ®iÒu chØnh tèc ®é 0 ®Õn tèc ®é ®Þnh møc b»ng c¸ch gi÷ tõ th«ng kh«ng ®æi vµ t¸c ®éng vµo ®iÖn ¸p phÇn øng U th× momen sÏ kh«ng ®æi, cßn c«ng suÊt t¨ng theo tèc ®é. Khi ®iÒu chØnh tèc ®é tõ 0 ®Õn tèc ®é ®Þnh møc b»ng c¸ch t¸c ®éng lªn tõ th«ng vµ gi÷ ®iÖn ¸p phÇn øng kh«ng ®æi th× c«ng suÊt kh«ng ®æi, cßn momen gi¶m theo tèc ®é. Khi tõ th«ng tiÕn vÒ 0 th× tèc ®é tiÕn tíi v« cïng. V× vËy khi kh«ng t¶i, ®éng c¬ kÝch tõ nèi tiÕp cã tèc ®é qu¸ lín, c¸c lo¹i ®éng c¬ kÝch tõ song song hoÆc hçn hîp ®Ó qu¸ tèc ®é nÕu c¾t m¹ch kÝch tõ cña nã. §¶o chiÒu quay: ChiÒu quay cña phÇn øng phô thuéc vµo chiÒu dßng ®iÖn trong d©y cuèn phÇn øng vµ chiÒu cña tõ tr­êng. §Ó ®æi chiÒu quay cña ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu cÇn ®æi chiÒu cña tõ th«ng hoÆc dßng ®iÖn phÇn øng. §éng c¬ b­íc. Nguyªn t¾c ho¹t ®éng. Trªn h×nh (3-6) lµ s¬ ®å ®éng c¬ b­íc, lo¹i ®¬n gi¶n nhÊt dïng nam ch©p vÜnh cöu gåm Stato cã 4 cùc vµ roto cã hai cùc. NÕu cÊp ®iÖn cho cuén d©y th× roto sÏ dõng ë vÞ trÝ mµ dßng tõ th«ng qua cuén d©y lµ lín nhÊt. NÕu cÊp ®iÖn cho cuén d©y th× roto sÏ quay ®i ±900. Khi ®ã ®ång thêi cÊp ®iÖn cho c¶ hai cuén d©y vµ th× roto sÏ dõng ë vÞ trÝ gi÷a 00 ®Õn 900 vµ nÕu dßng ®iÖn vµo 2 cuén d©y hoµn toµn nh­ nhau th× roto sÏ dõng ë vÞ trÝ 450. H×nh 3 - 6: S¬ ®å nguyªn lý ho¹t ®éng cña ®éng c¬ b­íc Nh­ vËy, vÞ trÝ cña roto phô thuéc vµo sè cùc ®­îc cÊp trªn stato vµ vµo chiÒu cña dßng ®iÖn cÊp vµo. Trªn ®©y lµ s¬ ®å nguyªn lý ho¹t ®éng cña ®éng c¬ b­íc lo¹i cã Ýt cùc vµ dïng nam ch©m vÜnh cöu. Trªn c¬ së ®ã cã thÓ t×m hiÓu c¸c lo¹i ®éng c¬ cã nhiÒu cùc vµ dïng nam ch©m ®iÖn cã tõ tÝnh thay ®æi. VËy lµ tïy theo c¸ch cÊp ®iÖn cho c¸c cuén d©y trªn stato cã thÓ ®iÒu khiÓn c¸c vÞ trÝ dõng cña roto. ViÖc cÊp ®iÖn vµo c¸c cuén d©y trªn stato cã thÓ sè ho¸, cho nªn cã thÓ hiÓu ®éng c¬ b­íc lµ mét lo¹i ®éng c¬ ®iÖn, chuyÓn c¸c tÝn hiÖu sè ®Çu vµo thµnh c¸c chuyÓn ®éng c¬ häc tõng nÊc ë ®Çu ra. ¦u nh­îc ®iÓm: ViÖc sö dông chóng trong hÖ thèng ®iÒu khiÓn cã nhiÒu thuËn lîi: - Kh«ng cÇn m¹ch ph¶n håi cho c¶ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ vµ vËn tèc. - ThÝch hîp víi c¸c thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn sè. ¦u ®iÓm lín nhÊt cña ®éng c¬ b­íc trong ®iÒu khiÓn vÞ trÝ lµ kh«ng cÇn ph¶n håi ( khi ®iÒu khiÓn chÝnh x¸c sè b­íc quay cña ®éng c¬, ®Õm sè b­íc cã thÓ x¸c ®Þnh vÞ trÝ chÝnh x¸c mµ kh«ng cÇn ®Õn ph¶n håi vÞ trÝ) vµ ®iÒu khiÓn sè trùc tiÕp ( ghÐp nèi trùc tiÕp víi m¸y tÝnh). Víi kh¶ n¨ng ®iÒu khiÓn sè trùc tiÕp, ®éng c¬ b­íc trë thµnh rÊt th«ng dông trong c¸c thiÕt bÞ hiÖn ®¹i nh­ robot c«ng nghiÖp, m¸y c«ng cô ®iÒu khiÓn sè, c¸c thiÕt bÞ ngo¹i vi cña m¸y tÝnh nh­ trong m¸y in, bé ®iÒu khiÓn bé ®Üa m¸y vi tÝnh, m¸y vÏ... Tuy vËy, ph¹m vi øng dông ®éng c¬ b­íc ë vïng c«ng suÊt nhá vµ trung b×nh. ViÖc nghiªn cøu n©ng cao c«ng suÊt cña ®éng c¬ b­íc ®ang lµ vÊn ®Ò rÊt ®­îc quan t©m hiÖn nay. Ngoµi ra nãi chung hiÖu suÊt cña nã thÊp h¬n so víi nhiÒu lo¹i ®éng c¬ kh¸c. C¸c th«ng sè cña ®éng c¬ b­íc: Gãc quay: §éng c¬ b­íc quay mét gãc x¸c ®Þnh ®èi víi mçi xung kÝch. Gãc b­íc cµng nhá th× ®é ph©n gi¶i cµng cao. Sè b­íc s lµ mét th«ng sè quan träng. Tèc ®é quay vµ tÇn sè xung: (1) Tèc ®é quay cña ®éng c¬ b­íc phô thuéc vµo sè b­íc trong mét gi©y. §èi víi hÇu hÕt c¸c ®éng c¬ b­íc, sè xung cÊp cho ®éng c¬ b»ng sè b­íc nªn tèc ®é cã thÓ tÝnh theo tÇn sè xung f. Tèc ®é quay cña ®éng c¬ b­íc cã b­íc tÝnh theo c«ng thøc sau: (2) Trong ®ã : n lµ tèc ®é quay ( vßng / gi©y), f lµ tÇn sã b­íc ( Hz), s lµ sè b­íc. Ngoµi ra cßn c¸c th«ng sè quan träng kh¸c nh­ ®é chÝnh x¸c vÞ trÝ, tû sè momen vµ qu¸n tÝnh roto. §é chÝnh x¸c vÞ trÝ cña ®éng c¬ b­íc phô thuéc vµo ®Æc tÝnh cña ®éng c¬, vµo ®é chÝnh x¸c chÕ t¹o... Tû sè momen vµ qu¸n tÝnh roto cã ¶nh h­ëng quyÕt ®Þnh ®Õn kh¶ n¨ng dõng ngay khi chuçi xung ®iÒu khiÓn ®· ng¾t. C¸c lo¹i ®éng c¬ b­íc Tuú theo kiÓu cña roto, ®éng c¬ b­íc ®­îc chia ra thµnh c¸c lo¹i sau: - §éng c¬ b­íc lo¹i tõ trë biÕn ®æi ( VR). - §éng c¬ b­íc nam ch©m vÜnh cöu ( PM). - §éng c¬ b­íc kiÓu lai ( hybrid). Tuú theo sè cuén d©y ®éc lËp trªn stato ®éng c¬ b­íc ®­îc chia thµnh c¸c lo¹i: 2 pha, 3 pha hoÆc 4 pha. §éng c¬ b­íc cã thÓ ph©n theo c¸ch nèi d©y, kh«ng liªn quan ®Õn sè pha. a/ Hai pha: bèn ®Çu d©y. b/ Hai pha: 8 ®Çu d©y. c/ Bèn pha: 8 ®Çu d©y. d/ Hai pha: 6 ®Çu d©y. e/ Ba pha : 4 ®Çu d©y. f/ Bèn pha: 8 ®Çu d©y( nèi tiÕp). Roto cã nhiÒu cùc, cßn gäi lµ r¨ng. Sè cùc cña roto phèi hîp víi sè cùc cña stato x¸c ®Þnh gi¸ trÞ gãc b­íc . Nh­ biÓu thøc (1) cã gãc b­íc b»ng 3600 chia cho sè b­íc s. Gãc b­íc lín nhÊt lµ 900 øng víi ®éng c¬ cã 4 b­íc. PhÇn lín nh÷ng ®éng c¬ b­íc hiÖn nay cã sè b­íc s = 200, nªn = 1,80. H×nh 3 - 7: Pha cña ®éng c¬ vµ c¸c c¸ch nèi d©y Sè b­íc cµng lín, ®é ph©n gi¶i cµng cao vµ ®Þnh vÞ cµng chÝnh x¸c. Trong thùc tÕ còng kh«ng thÓ t¨ng sè b­íc lªn qu¸ cao. Tuy nhiªn, cã thÓ dïng c«ng nghÖ t¹o b­íc nhá ®Ó chia b­íc thµnh hai nöa b­íc hoÆc tõ 10 ®Õn 125 b­íc nhá. Cã thÓ lµm cho roto dõng l¹i ë nöa ®­êng nÕu cung cÊp dßng ®iÖn nh­ nhau cho c¶ hai cuén vµ . C«ng nghÖ t¹o b­íc nhá, ®«i khi cßn gäi lµ t¹o vi b­íc, chØ ®¬n gi¶n lµ më réng ph­¬ng ph¸p nãi trªn cho nhiÒu vÞ trÝ trung gian b»ng c¸ch cung cÊp nh÷ng gi¸ trÞ dßng kh¸c nhau cho mçi cuén d©y. KÝch th­íc b­íc nhá th­êng hay dïng nhÊt lµ 1/10, 1/16, 1/32, 1/125 cña b­íc ®Çy. VÝ dô, nÕu cã 125 b­íc nhá trong mét b­íc víi 200 b­íc trong mét vßng quay th× ®é ph©n gi¶i lµ 200x125 = 25000 b­íc nhá trong mét vßng quay. §éng c¬ b­íc lo¹i tõ trë biÕn ®æi ( VR). Roto cña ®éng c¬ b­íc VR lµm b»ng s¾t non cã nhiÒu r¨ng. Stato còng H×nh 3 - 8 : S¬ ®å ®éng c¬ b­íc VR cã c¸c r¨ng cïng cuén c¶m. Khi dßng ®iÖn ch¹y qua mét cuén c¶m trªn stato sinh ra mét tõ tr­êng lµm cho r¨ng trªn roto bÞ hót ®øng th¼ng hµng víi r¨ng t­¬ng øng trªn stato. Khi dßng ®iÖn ®­îc cÊp sang mét cuén c¶m kh¸c, roto chuyÓn dÞch mét gãc b­íc. Gãc b­íc cña ®éng c¬ VR th­êng lµ 7,50 hoÆc 150. §Æc ®iÓm cña ®éng c¬ b­íc VR lµ do roto s¾t non cã qu¸n tÝnh nhá h¬n c¸c lo¹i kh¸c, nªn cho phÐp ®¸p øng nhanh h¬n. Tuy nhiªn do roto kh«ng cã tõ tr­êng nªn kh«ng cã momen d­ do ®ã khi ngõng kÝch thÝch ®éng c¬ sÏ cßn quay tù do. §éng c¬ b­íc nam ch©m vÜnh cöu ( PM) §éng c¬ b­íc PM cã tõ tr­êng trong roto nªn cã momen gi÷ khi ®éng c¬ kh«ng ®­îc kÝch ho¹t. Mçi r¨ng cña tõ tr­êng ®Òu h­íng trôc cùc tÝnh lµ H×nh 3 - 9: S¬ ®å ®éng c¬ b­íc PM 4 pha nam hoÆc b¾c. Trong kü thuËt hiÖn ®¹i roto ®­îc lµm ë d¹ng ®Üa máng b»ng vËt liÖu tõ tÝnh ®Æc biÖt. §Üa ®­îc nhiÔm tõ tíi 50 cÆp cùc nam – b¾c xen kÏ nhau. Mét sè ®éng c¬ b­íc cã tõ tr­êng ®­îc ®­a vµo stato ®Ó t¨ng tõ tr­êng vµ t¹o ra momen lín h¬n. §éng c¬ b­íc PM ®ßi hái Ýt n¨ng l­îng kÝch ho¹t h¬n c¸c lo¹i ®éng c¬ b­íc kh¸c. Chóng cßn cã ®Æc tÝnh t¾t dao ®éng tèt h¬n. Gãc b­íc cña chóng bao gåm tÊt c¶ c¸c gãc b­íc chuÈn 1,80, 7,50, 150, 300, 450, 900. Trªn h×nh(3-7) lµ s¬ ®å ®éng c¬ b­íc PM 4 pha. §éng c¬ b­íc kiÓu lai ( hybrid) §éng c¬ b­íc kiÓu lai kÕt hîp c¸c ®Æc tÝnh cña ®éng c¬ b­íc VR vµ ®éng c¬ cã b­íc PM. §éng c¬ b­íc kiÓu lai cã nhiÒu r¨ng roto h¬n vµ H×nh 3 - 10 : S¬ ®å ®éng c¬ b­íc kiÓu lai momen lín h¬n. C¸c gãc b­íc th«ng dông cña ®éng c¬ b­íc kiÓu lai lµ 0,90 vµ 1,80. IV. c¶m biÕn. Trong tÊt c¶ c¸c hÖ thèng tù ®éng, thiÕt bÞ tiÕp nhËn th«ng tin vÒ diÔn biÕn cña m«i tr­êng vµ vÒ diÔn biÕn cña c¸c ®¹i l­îng vËt lý bªn trong hÖ thèng ®­îc gäi lµ c¶m biÕn. Kh¸i niÖm c¶m biÕn trong tiÕng ViÖt ch­a thËt chÝnh x¸c víi tiÕng Anh (sensor), hay tiÕng Ph¸p ( capteur), v× nghÜa c¶m biÕn trong tiÕng ViÖt cã phÇn hÑp h¬n. C¶m biÕn ®«i khi chØ lµ c¸c trang bÞ ®¬n gi¶n d¹ng nh­ c«ng t¾c mini, c¸c c«ng t¾c hµnh tr×nh, c¸c thanh l­ìng kiªn (bimetal)... §èi víi ng­êi sö dông, viÖc n¾m ®­îc nguyªn lý cÊu t¹o vµ c¸c ®Æc tÝnh c¬ b¶n cña c¶m biÕn lµ ®iÒu kiÖn tiªn quyÕt ®Ó ®¶m b¶o sù vËn hµnh tèt cña hÖ thèng tù ®éng. Trong c¸c hÖ thèng vËt lý, c¸c ®¹i l­îng ®iÒu khiÓn rÊt ®a d¹ng, do vËy c¸c lo¹i c¶m biÕn còng rÊt phong phó. Trong robot c«ng nghiÖp, c¸c thiÕt bÞ c¶m biÕn trang bÞ cho robot ®Ó thùc hiÖn viÖc nhËn biÕt vµ biÕn ®æi th«ng tin vÒ ho¹t ®éng cña b¶n th©n robot vµ cña m«i tr­êng, ®èi t­îng mµ robot phôc vô. Theo ph¹m vi øng dông c¸c lo¹i c¶m biÕn dïng trong kü thuËt robot cã thÓ ph©n ra hai lo¹i: - C¶m biÕn néi tÝn hiÖu (internal sensor) ®¶m b¶o th«ng tin vÒ vÞ trÝ, vÒ vËn tèc, vÒ lùc t¸c ®éng trong c¸c bé phËn quan träng cña robot. C¸c th«ng tin nµy lµ nh÷ng tÝn hiÖu ph¶n håi phôc vô cho viÖc ®iÒu chØnh tù ®éng c¸c ho¹t ®éng robot. - C¶m biÕn ngo¹i tÝn hiÖu ( external sensor) cung cÊp th«ng tin vÒ ®èi t¸c vµ m«i tr­êng lµm viÖc phôc vô cho viÖc nhËn d¹ng c¸c vËt xung quanh, thùc hiÖn di chuyÓn hoÆc thao t¸c trong kh«ng gian lµm viÖc. §Ó lµm ®­îc viÖc ®ã, cÇn cã c¸c lo¹i c¶m biÕn tÝn hiÖu xa, c¶m biÕn tÝn hiÖu gÇn, c¶m biÕn “Xóc gi¸c” vµ c¶m biÕn “ thÞ gi¸c” ... §Ó thùc hiÖn nhiÖm vô c¸c lo¹i c¶m biÕn néi tÝn hiÖu vµ ngo¹i tÝn hiÖu nãi trªn, cã thÓ dïng nhiÒu kiÓu c¶m biÕn th«ng dông hoÆc chuyªn dông. C¸c kiÓu c¶m biÕn th«ng dông kh«ng chØ dïng cho kü thuËt robot mµ cßn dïng nhiÒu trong c¸c thiÕt bÞ kü thuËt kh¸c. Cã nhiÒu tµi liÖu kü thuËt vÒ c¸c kiÓu c¶m biÕn nµy. Tuú theo c¸c d¹ng tÝn hiÖu cÇn nhËn biÕt mµ ph©n thµnh c¸c kiÓu c¶m biÕn kh¸c nhau: C¶m biÕn lùc, vËn tèc, gia tèc, vÞ trÝ, ¸p suÊt, l­u l­îng, nhiÖt ®é... Tuú theo c¸ch thøc nhËn tÝn hiÖu l¹i ph©n ra c¸c kiÓu kh¸c nhau. VÝ dô: còng lµ c¶m biÕn vÞ trÝ nh­ng cã kiÓu c¶m øng, kiÓu ®iÖn dung, kiÓu ®iÖn trë, kiÓu ®iÖn quang... Ch­¬ng IV HÖ thèng ®iÒu khiÓn robot I. Kh¸i niÖm chung vÒ hÖ ®iÒu khiÓn tù ®éng. 1. Kh¸i niÖm: HÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng lµ hÖ thèng ®­îc x©y dùng tõ 3 bé phËn chñ yÕu sau: ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn C ( Controller) §èi t­îng ®iÒu khiÓn O (Object) ThiÕt bÞ ®o l­êng M ( Measuring device) §ã lµ hÖ thèng cã ph¶n håi ( feedback) hay cã liªn hÖ ng­îc. S¬ ®å ®¬n gi¶n nhÊt vÒ hÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng : M O C U E X Y U – TÝn hiÖu vµo (input). Y – TÝn hiÖu ra ( output). X – TÝn hiÖu ®iÒu khiÓn t¸c ®éng lªn ®èi t­îng O. E – Sai lÖch ®iÒu khiÓn. Z – TÝn hiÖu ph¶n håi ( ph¶n håi ©m kÝ hiÖu b»ng dÊu (-) khi Z ng­îc dÊu víi tÝn hiÖu V ). 2.Nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn : a) Th«ng th­êng cã 3 nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn c¬ b¶n 1.Nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn theo ®é sai lÖch 2.Nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn theo ph­¬ng ph¸p bï nhiÔu 3.Nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn hçn hîp theo ®é sai lÖch vµ bï nhiÔu S¬ ®å vÒ hÖ thèng ®iÒu khiÓn theo nguyªn t¾c hçn hîp K M O C NhiÔu f(t) t¸c ®éng lªn ®èi t­îng ®iÒu khiÓn. VÝ dô theo chiÒu h­íng lµm t¨ng tÝn hiÖu ra Y(t). Trong hÖ cã chøa mét thiÕt bÞ bï K cã t¸c dông ng­îc dÊu víi f, nghÜa lµ V t¸c dông bï vÒ phÝa tr­íc thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn C ®Ó lµm tÝn hiÖu ra gi¶m bít.... b) Ngoµi c¸c nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn c¬ b¶n ng­êi ta cßn øng dông c¸c nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn kh¸c nh­: - Nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn theo ch­¬ng tr×nh. - Nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn thich nghi. II. Ph©n lo¹i hÖ thèng ®iÒu khiÓn: 1.Ph©n lo¹i th«ng th­êng: HÖ thèng tuyÕn tÝnh HÖ thèng phi tuyÕn HÖ thèng liªn tôc: khi c¸c tÝn hiÖu trong hÖ lµ hµm liªn tôc theo thêi gian HÖ th«ng rêi r¹c: Trong ®ã chØ cÇn cã mét tÝn hiÖu lµ hµm rêi r¹c theo thêi gian HÖ thèng tiÒn ®Þnh lµ hÖ thèng trong ®ã tÊt c¶ c¸c tÝn hiÖu truyÒn lµ hµm theo thêi gian x¸c ®Þnh ( kh«ng cã tÝn hiÖu ngÉu nhiªn) HÖ thèng ngÉu nhiªn lµ hÖ thèng trong ®ã chØ cÇn cã 1 tÝn hiÖu lµ hµm ngÉu nhiªn HÖ thèng tèi ­u lµ hÖ thèng ®iÒu khiÓn trong ®ã thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn cã chøc n¨ng tæng hîp ®­îc mét tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn U(t) t¸c ®éng lªn ®èi t­îng ®iÒu khiÓn ®Ó ®¹t mét tr¹ng th¸i tèi ­u theo mét chØ tiªu nµo ®ã HÖ thèng thÝch nghi hay cßn gäi lµ hÖ thèng tù chØnh lµ hÖ thèng cã kh¶ n¨ng mét c¸ch tù ®éng thÝch øng víi nh÷ng biÕn ®æi cña ®iÒu kiÖn m«i tr­êng vµ ®Æc tÝnh cña ®èi t­îng ®iÒu khiÓn b»ng c¸ch thay ®æi tham sè vµ cÊu tróc c¶u s¬ ®å cña thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn 2. Trong kÜ thuËt ng­êi m¸y: §iÒu khiÓn ch­¬ng tr×nh : ViÖc ®iÒu khiÓn ®­îc thùc hiÖn theo mét ch­¬ng tr×nh ®Þnh s½n. §iÒu khiÓn thÝch nghi : viÖc ®iÒu khiÓn tuú thuéc vµo th«ng tin nhËn biÕt ®­îc trong qu¸ tr×nh lµm viÖc vÒ hiÖn tr¹ng cña m«i tr­êng thao t¸c vµ cña b¶n th©n ng­êi m¸y 3. Theo kh¶ n¨ng chuyÓn ®éng cña c¸c ng­êi m¸y: §iÒu khiÓn theo chu tuyÕn: chuyÓn ®éng thùc hiÖn theo mét ®­êng liªn tôc §iÒu khiÓn theo vÞ trÝ: chuyÓn ®éng ®­îc b¶o ®¶m theo mét sè vÞ trÝ nhÊt ®Þnh ®iÒu khiÓn theo chu kú: chuyÓn ®éng ®­îc x¸c ®Þnh b»ng c¸c vÞ trÝ ®Çu vµ cuèi hµnh tr×nh cña mçi bËc tù do III. HÖ thèng chÊp hµnh. ChuyÓn ®éng cña c¸c khíp tay m¸y ®­îc thùc hiÖn bëi hÖt hèng chÊp hµnh. Nã gåm c¸c bé phËn sau: Nguån ®iÖn KhuyÕch ®¹i c«ng suÊt §éng c¬ TruyÒn ®éng c¬ khÝ H×nh 4.1 lµ s¬ ®å nèi ghÐp hÖ thèng chÊp hµnh, trong ®ã cã thÓ hiÖn sù chuyÓn ®æi n¨ng l­îng Nguån ®iÖn TruyÒn dÉn C¬ khÝ §éng c¬ KhuyÕch ®¹i c«ng suÊt Pc Pa Pm Pu Pda Pds Pdt H×nh 4 - 1 : S¬ ®å hÖ thèng chÊp hµnh §Ó thùc hiÖn quan hÖ chung, kÝ hiÖu Pc lµ tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn (th­êng lµ tÝn hiÖu ®iÖn); Pu lµ c«ng suÊt c¬ häc cÇn thiÕt ®Ó lµm chuyÓn ®éng khíp. C¸c ®¹i l­îng trung gian, gåm c«ng suÊt ®iÖn cung cÊp cho ®éng c¬ (®iÖn, thuû lùc hoÆc khÝ nÐn) Pa : c«ng suÊt nguån Pp (th­êng cã cïng b¶n chÊt vËt lý víi Pa); c«ng suÊt c¬ häc do ®éng c¬ ph¸t ra Pm ngoµi ra cßn cã c¸c lo¹i c«ng suÊt tæn hao trªn c¸c kh©u trung gian: khuyÕch ®¹i c«ng suÊt, ®éng c¬ vµ truyÒn dÉn Pda, Pds, Pdt . XuÊt ph¸t ®iÓm ®Ó chän c¸c kh©u trong hÖ thèng chÊp hµnh lµ c«ng suÊt cã khÝ P ®Ó ®¶m b¶o lùc vµ vËn tèc chuyÓn ®éng cña khíp. PhÇn sau ®©y tr×nh bµy kh¸i qu¸t chøc n¨ng cña c¸c côm chÝnh: 1. TruyÒn dÉn c¬ khÝ ChuyÓn ®éng t¹i c¸c khíp cña tay m¸y th­êng cã vËn tèc thÊp vµ momen lín, trong khi c¸c ®éng c¬ th­êng lµm viÖc víi vËn tèc lín vµ momen nhá. V× vËy, gi÷a ®éng c¬ vµ khíp th­êng cã bé phËn biÕn tèc sö dông vïng lµm viÖc cã lîi nhÊt cña ®éng c¬, th«ng qua bé phËn truyÒn dÉn nµy, c«ng suÊt Pm trë thµnh Pu vµ bÞ tæn hao mét l­îng Pdt do ma s¸t. khi chän bé phËn truyÒn dÉn cÇn c¨n cø vµo c«ng suÊt cÇn thiÕt, lo¹i chuyÓn ®éng cña khíp vµ vÞ trÝ ®Æt ®éng c¬ so víi khíp, v× bé phËn truyÒn dÉn kh«ng chØ biÕn ®æi gi¸ trÞ c«ng suÊt mµ c¶ d¹ng chuyÓn ®éng, vÝ dô biÕn chuyÓn ®éng quay cña trôc ®éng c¬ thµnh chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn trong khíp. NÕu khÐo bè trÝ ®éng c¬ vµ bé phËn truyÒn dÉn cã thÓ gi¶m tiªu hao n¨ng l­îng. VÝ dô, nÕu ®Æt ®éng c¬ vµ bé ph©n truyÒn dÉn gÇn th©n m¸y th× cã thÓ t¨ng tû sè c«ng suÊt tiªu hao/ träng l­îng c¬ cÊu. Trong robot th­êng sö dông c¸c lo¹i truyÒn dÉn sau: C¬ cÊu trôc vÝt – b¸nh vÝt cã tû sè truyÒn lín, cho phÐp ®æi ph­¬ng trôc vµ thay ®æi ®iÓm t¸c dông cña lùc. C¬ cÊu vÝt me- ®ai èc cho phÐp biÕn chuyÓn ®éng quay cña trôc ®éng c¬ thµnh chuyÓn ®éng th¼ng t¹i khíp tr­ît. VÝt me- ®ai èc bi th­êng ®­îc dïng ®Ó gi¶m ma s¸t. Th­êng c¬ cÊu nµy ®uîc l¾p cã bé ®«i ®Ó gi¶m khe vµ t¨ng ®é cøng v÷ng. TruyÒn ®éng ®ai r¨ng vµ truyÒn ®éng xÝch cho phÐp ®Æt ®éng c¬ xa trôc khíp. Lùc c¨ng ®ai g©y t¶i träng phô nªn ®ai th­êng ®­îc dïng khi vËn tèc chuyÓn ®éng lín vµ lùc nhá. Ng­îc l¹i, xÝch hay bÞ dao ®éng nªn th­êng dïng khi vËn tèc nhá. Víi gi¶ thuyÕt chuyÓn ®éng kh«ng cã khe hë vµ kh«ng cã tr­ît, tû sè truyÒn cña c¸c bé truyÒn ®éng cã khÝ lµ kh«ng ®æi. Ngµy nay, ng­êi ta g¾n trùc tiÕp rotor cña ®éng c¬ lªn trôc quay cña khíp mµ kh«ng dïng truyÒn dÉn c¬ khÝ trung gian. §iÒu ®ã lo¹i trõ ®­îc ¶nh h­ëng cña biÕn d¹ng c¬ khÝ vµ khe hë, gi¶m tæn hao n¨ng l­îng. Tuy nhiªn nã ®ßi hái c¸c gi¶i ph¸p ký thuËt ®iÒu khiÓn ®Ó duy tr× quan hÖ tuyÕn tÝnh truyÒn ®éng trong d¶i réng. TruyÒn ®éng trùc tiÕp cßn ch­a phæ biÕn trong kü thuËt robot v× lý do kÕt cÊu 2. §éng c¬ §éng c¬ lµ nguån t¹o ®éng lùc chuyÓn ®éng cho c¸c khíp. Tuú thuéc d¹ng n¨ng l­îng sö dông, ng­ßi ta dïng c¸c lo¹i ®éng c¬ khÝ nÐn, ®éng c¬ thuû lùc vµ ®éng c¬ ®iÖn. C«ng suÊt vµ ®éng c¬ P lµ do tæn hao c¬ khÝ, thuû lùc hoËc khÝ nÐn. Trong kü thuËt robot ng­êi ta th­êng dïng c¸c ®éng c¬ c«ng su¸t tõ vµi chôc wats ®Õn hµng chôc kilowat. Do ®Æc ®iÓm sö dông trong robot, ch¼ng h¹n yªu cÇu ‘b¸m s¸t” quü ®¹o thiÕt kÕ, ®Þnh vÞ chÝnh x¸c ... c¸c ®éng c¬ ph¶i cã c¸c tÝnh chÊt sau: Qu¸n tÝnh nhá vµ tû sè n¨ng luîng tiªu hao/träng l­îng cao Cã kh¶ n¨ng chÞu qu¸ t¶i vµ lùc xung Cã kh¶ n¨ng gia tèc tèt D¶i tèc ®é lµm viÖc réng ( 1÷ 10.000v/ph) §é chÝnh x¸c ®Þnh vÞ cao (Ýt nhÊt 1/1000 vßng trßn) Cã thÓ lµm viÖc tr¬n tru ë vËn tèc thÊp §éng c¬ khÝ nÐn khã ®¸p øng c¸c yªu cÇu trªn, v× kh«ng thÓ kh¾c phôc tÝnh nÐn ®­îc cña m«i truêng thÓ khÝ. Chóng th­êng chØ ®­îc dïng cho c¸c chuyÓn ®éng ®ãng më, vÝ dô dïng cho tay khíp hoÆc chuyÓn ®éng ®iÓm §éng c¬ ®iÖn gåm c¸c lo¹i ®éng c¬ mét chiÒu, xoay chiÒu th«ng dông vµ ®éng c¬ servo, trong ®ã ®éng c¬ servo ®­îc dïng phæ biÕn h¬n c¶. §éng c¬ servo kh¸c c¸c lo¹i ®éng c¬ b×nh th­êng kh¸c ë chç nã ®­îc ®iÒu khiÓn tù ®éng b»ng 1 hÖ thèng ®iÒu khiÓn ®iÖn tõ cã ph¶n håi. TÝn hiÖu ph¶n håi ®­îc lÊy tõ sensor vËn tèc hoÆc sensor vÞ trÝ, gi¸m s¸t liªn tôc chuyÓn ®éng t­¬ng ®èi gi÷a rotor vµ stator, tõ ®ã sinh ra tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn tèc ®é vµ chiÒu quay cña rotor. §éng c¬ servo cã ®Æc tÝnh ®éng lùc häc tèt, ®ång thêi kÕt cÊu ®¬n gi¶n, lµm viÖc tin cËy nªn ngµy cµng ®­îc ­u dïng. §éng c¬ ®iÖn mét chiÒu cæ ®iÓn kh«ng ®­îc ­a chuéng v× cã bé gãp ®iÖn g©y nhiÒu phiÒn phøc khi sö dông ®· ®­îc thay b»ng ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu kh«ng cæ gãp (Brushless DC Servomotor). §éng c¬ b­íc, do ®ã c«ng suÊt nhá, ®é chÝnh x¸c thÊp ( do kh«ng cã m¹ch ph¶n håi vÞ trÝ, do ®Æc tÝnh ®éng lùc häc phô thuéc t¶i träng, thËm chÝ cã hiÖn t­îng “bá b­íc” khi t¶i träng lín), nh­ng l¹i rÎ tiÒn nªn ®­îc dïng cho nh÷ng n¬i kh«ng ®ßi hái ®é chÝnh x¸c ®iÒu khiÓn cao. §éng c¬ thuû lùc cã c¸c ®Æc tÝnh ®éng lùc häc t­¬ng ®­¬ng víi ®éng c¬ ®iÖn, cã thÓ trôc tiÕp sinh ra chuyÓn ®éng th¼ng vµ chuyÓn ®éng quay. MÆc dï, vÒ ®¹i thÓ, b¶n th©n ®éng c¬ ®iÖn vµ ®éng c¬ thuû lùc cã ®Æc tÝnh ®éng lùc häc t­¬ng ®­¬ng nhau, nh­ng chóng kh¸c nhau vÒ ®Æc ®iÓm sö dông. VÒ ph­¬ng diÖn ®ã, ®éng c¬ ®iÖn cã ­u ®iÓm sau: - DÔ cung cÊp n¨ng l­îng, v× hÖ thèng cÊp ®iÖn cã ë kh¾p n¬i. - Gi¸ rÎ, chñng lo¹i phong phó vµ d¶i c«ng suÊt réng. - HiÖu suÊt biÕn ®æi n¨ng l­îng cao. - DÔ sö dông vµ dÔ ch¨m sãc. - Kh«ng g©y « nhiÔm m«i tr­êng. Bªn c¹nh ®ã chóng cã c¸c nh­îc ®iÓm sau: - Ph¸t nãng ë tr¹ng th¸i tÜnh hoÆc khÝ ë tèc ®é thÊp, v× vËy th­êng ph¶i dïng phanh. - CÇn b¶o vÖ ®Æc biÖt nÕu lµm trong m«i tr­êng dÔ ch¸y. Ng­îc l¹i ®éng c¬ thuû lùc cã c¸c ­u ®iÓm sau: - Lµm viÖc tèt ë tr¹ng th¸i tÜnh vµ tèc ®é thÊp mµ kh«ng ph¸t nãng. - Tù b«i tr¬n vµ t¶n nhiÖt tèt nhê l­u th«ng cña chÊt láng trong khi lµm viÖc. - An toµn trong mäi m«i tr­êng. - Cã c«ng suÊt riªng theo träng l­îng cao. Bªn c¹nh ®ã, chóng cã c¸c nh­îc ®iÓm sau: - CÇn tr¹m cung cÊp thuû lùc riªng. - §¾t tiÒn, Ýt chñng lo¹i, khã l¾p ®Æt, khã ch¨m sãc vµ b¶o tr×. - HiÖu suÊt biÕn ®æi n¨ng l­îng thÊp. -DÔ g©y « nhiÔm m«i tr­êng do dÇu trong hÖ thèng bÞ rß khi vËn hµnh hoÆc cã dÇu th¶i khi b¶o d­ìng, söa ch÷a. XÐt vÒ khÝa c¹nh ®iÒu khiÓn vµ vËn hµnh, ®éng c¬ ®iÖn dÔ ®iÒu khiÓn vµ cã thÓ thay ®æi chÕ ®é lµm viÖc mét c¸ch linh ho¹t. §Æc tÝnh ®éng lùc hoÆc cña ®éng c¬ thuû lùc cßn phô thuéc vµo nhiÖt ®é dÇu. §éng c¬ ®iÖn lµm viÖc tèt ë tèc ®é cao vµ t¶i träng nhá nªn th­êng truyÒn ®éng trùc tiÕp. 3. KhuyÕch ®¹i c«ng suÊt. Bé khuyÕch ®¹i c«ng suÊt cã nhiÖm vô biÕn ®æi tr¹ng th¸i n¨ng l­îng (goi chung lµ l­u vµ ¸p) cña nguån cung cÊp sao cho phï hîp víi yªu cÇu cña ®éng c¬. C«ng suÊt cung cÊp tû lÖ víi tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn Pc vµ th­êng lín h¬n c«ng suÊt ®iÒu khiÓn nªn bé biÕn ®æi nµy cã tªn lµ bé khuyÕch ®¹i c«ng suÊt. Mét bé phËn c«ng suÊt vµo, gåm Pc vµ Pp , sau khi biÕn ®æi ®­îc cung cÊp cho ®éng c¬ (Pa). PhÇn kh¸c (Pda) bÞ tæn thÊt trªn b¶n th©n bé biÕn ®æi. §èi víi ®éng c¬, bé biÕn ®æi th­êng ph¶i tiÕn hµnh biÕn ®iÖn n¨ng d­íi d¹ng xoay chiÒu th«ng dông, vÝ dô 230/380V - 50Hz thµnh ®iÖn mét chiÒu (cho ®éng c¬ mét chiÒu) hoÆc thµnh ®iÖn xoay chiÒu víi ®iÖn ¸p vµ tÇn sè thÝch hîp ( cho ®éng c¬ xoay chiÒu). C¸c bé biÕn ®æi dïng cho ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu ®­îc gäi lµ AC vµ DC converter, hay lµ chopper. Lo¹i dïng cho ®éng c¬ mét chiÒu kh«ng chæi than ®­îc gäi lµ DC to AC converter hay inverter. §Ó ®iÒu khiÓn ®éng c¬ xoay chiÒu kh«ng ®ång bé, cã thÓ dïng bé biÕn ®æi bÒ réng (pulse width modulatá) hoÆc bé biÕn ®æi tÇn sè (frequency modulator hay frequencys inverter). C¸c th«ng sè quan träng nhÊt cña bé biÕn ®æi lµ hiÖu suÊt biÕn ®æi Pa/(Pc + Pp) vµ tû sè truyÒn Pa/Pc . Gi¸ trÞ cña chóng th­êng vµo kho¶ng 0,9 vµ 106 . §éng c¬ thuû lùc ®­îc ®iÒu khiÓn b»ng c¸ch thay ®æi l­u l­îng chÊt láng cung cÊp cho nã. C¬ cÊu ®iÒu khiÓn th­êng lµ c¸c van tiÕt l­u, cho phÐp thay ®æi l­u l­îng cung cÊp theo tÝn hiÖu ®iÖn. 4. Nguån cung cÊp chÝnh. NhiÖm vô cña nguån cung cÊp chÝnh lµ nguån n¨ng l­îng tíi ®Çu vµo cña bé biÕn ®æi. NÕu lµ ®iÖn n¨ng th× nguån cung cÊp th­êng lµ biÕn ¸p. NÕu dïng dßng ®iÖn mét chiÒu th× ph¶i cã chØnh l­u. Nguån cung cÊp cho c¸c ®éng c¬ thuû lùc lµ tr¹m b¬m c¸c lo¹i, nh­ b¬m b¸nh r¨ng, c¸nh g¹t, piston,... TruyÒn ®éng cho chóng lµ c¸c ®éng c¬ s¬ cÊp, th­êng lµ ®éng c¬ ®iÖn xoay chiÒu kh«ng ®ång bé. Ngoµi ra, trong hÖ thèng cung cÊp cßn cã bÓ chøa (®Ó tr¸nh hiÖn t­îng m¹ch ®Ëp), bé läc, van an toµn, an trµn... gióp cho hÖ thèng lµm viÖc æn ®Þnh, an toµn, vai trß cña chóng gièng nh­ tô ®iÖnlµ ph¼ng vµ c¸c kiÓu bé läc kh¸c trong hÖ thèng nguån ®iÖn. iv. HÖ thèng ®iÒu khiÓn. c¸c phÇn trªn ®· tr×nh bµy vÒ hÖ thèng c¬ khÝ (x­¬ng cèt) vµ hÖ thÇn kinh ngo¹i vi. Muèn ®iÒu khiÓn ®­îc robot cÇn mét hÖ thèng thÇn kinh trung ­¬ng, tøc lµ bé n·o. §ã lµ hÖ thèng ®iÒu khiÓn. 1. KiÕn tróc chøc n¨ng. HÖ thèng ®iÒu khiÓn robot cÇn cã c¸c kh¶ n¨ng sau: §iÒu khiÓn chuyÓn ®éng cña c¸c c¬ cÊu c¬ khÝ (manipulation ability) Thu nhËn th«ng tin vÒ tr¹ng th¸i cña hÖ thèng vµ vÒ m«i tr­ên c«ng t¸c (sensory ability) Ph©n tÝch th«ng tin vµ ph¶n øng tr­íc ®iÒu kiÖn thùc tÕ trong ph¹m vi x¸c ®Þnh (inteligent behavior ability) L­u tr÷, xö lý vµ cung cÊp th«ng tin vÒ hÖ thèng (data processing ability) Muèn vËy, bé ®iÒu khiÓn cÇn cã c¸c khèi (modul) c¬ b¶n: Modul c¶m biÕn thu nhËn, biÕn ®æi, hiÖu chØnh, tæng hîp th«ng tin vÒ tr¹ng th¸i cña hÖ thèng vµ vÒ m«i tr­êng. Modul tæng hîp, thiÕt lËp m« h×nh tæng hîp vÒ hÖ thèng vµ m«i tr­êng trªn c¬ së th«ng tin do modul c¶m biÕn cung cÊp. Modul ra quyÕt ®Þnh, ®­a ra ph­¬ng thÝch hµnh ®éng. Tõ chiÕn l­îc hµnh ®éng, lËp kÕ ho¹ch, ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng cña c¬ cÊu ®Ó thùc hiÖn nhiÖm vô theo t×nh huèng cô thÓ. C¸c modul trªn tù ®éng liªn kÕt víi nhau theo nhiÖm vô, ®­îc quy ®inh trong ch­¬ng tr×nh vµ cã tÝnh dÕn kh¶ n¨ng thÝch øng cña hÖ thèng trong t×nh huèng cô thÓ. Tuy vËy vÉn cÇn cã giao diÖn víi ng­êi vËn hµnh ®Ó khi cÇn con ng­êi cã thÓ kiÓm tra, gi¸m s¸t, can thiÖp vµo hÖ thèng. TÝnh ®Õn c­êng ®é trao ®æi th«ng tin gi÷a c¸c modul víi nhau vµ gi÷a hÖ thèng víi ng­êi vËn hµnh cÇn cã bé nhí chung dÓ l­­ tr÷ c¸c th«ng tin ban ®Çu vµ th«ng tin cËp nhËt cña hÖ thèng vµ m«i tr­êng. CÊu tróc chøc n¨ng trªn ®­îc ph©n cÊp theo thø bËc. CÊu tróc bËc thÊp liªn quan ®Õn c¸c dÞch chuyÓn vËt lý . CÊu tróc bËc cao g¾n víi chøc n¨ng ph©n tÝch logic. C¸c bËc liªn hÖ víi nhau th«ng qua dßng d÷ liÖu. S¬ ®å trªn h×nh 4-2 cho phÐp nh×n nhËn tæng quan vÒ cÊu tróc, chøc n¨ng vµ cÊu tróc thø bËc cña hÖ ®iÒu khiÓn robot. Tuú theo yªu cÇu ®èi víi ho¹t ®éng cña robot, c¸c chøc n¨ng ®­îc ph©n cÊp víi møc dé kh¸c nhau. Nãi chung, cã thÓ ph©n thµnh 4 cÊp chÝnh: CÊp nhiÖm vô (task level) gi¶i quyÕt c¸c vÊn ®Ò chung vª nhiªmj vô. So s¸nh yªu cÇu ®Æt ra víi kh¶ n¨ng chÊp nhËn cña hÖ thèng, t×nh tr¹ng hiÖn t¹i cña hÖ thèng vµ m«i tr­êng... CÊp chiÕn l­îc (action level) gi¶i quyÕt ph­¬ng thøc hµnh ®éng chung, vÝ dô hÖ to¹ ®é, vÞ trÝ cña phÇn c«ng t¸c, c¸c ®iÓm ph¶i ®i qua mµ néi suy sÏ sö dông. CÊp kÕ ho¹ch (primitive level) thiÕt lËp quü ®¹o, tÝnh to¸n vËn ®éng häc vµ vËn ®éng häc ng­îc, ph©n tÝch t×nh tr¹ng hÖ chÊp hµnh... CÊp thõa hµnh (servo level), liªn quan ®Õn c¸c ho¹t ®éng cô thÓ nh­ gi¶i m· lÖnh, néi suy, xö lý lçi, giao diÖn víi c¬ cÊu chÊp hµnh. Bé nhí toµn côc Bé nhí toµn côc D M S Xö lý tÝn hiÖu tõ M« h×nh chiÕn l­îc  Tõ sensor tri thøc ra quyÕt ®Þnh   cÊp  nhiÖm vô S M D CÊp  t¸c ®éng S D M  CÊp  ®èi t­îng S M D CÊp servo   sensors actuatos H×nh 4 - 2: CÊu chóc chøc n¨ng vµ thø bËc cña hÖ ®iÒu khiÓn robot S¬ ®å trong h×nh 4-2 cho phÐp h×nh dung chi tiÕt vÒ sù ph©n cÊp ®iÒi khiÓn. Trªn thùc tÕ, kh«ng ph¶i hÖ ®iÒu khiÓn robot nµo còng cã ®Çy ®ñ nhiÖm vô. Ng­îc l¹i, mét sè lo¹i robot, nh­ robot dïng trong vò trô, trong qu©n sù, trong y häc... cã nhiÒu cÊp ®iÒu khiÓn h¬n. T¸c ®éng M D ®èi t­îng h×nh häc tr¹ng th¸i t­¬ng t¸c ®éng häc ®éng häc ng­îc ®éng lùc häc Gi¶i m· lÖnh T¹o quü ®¹o ®éng häc ng­îc ph©n tÝch tr¹ng th¸i xö lý sù cè  HÖ to¹ ®é kh«ng gian khíp vïng c«ng t¸c tr¹ng th¸i quü ®¹o inquiry c¸c hµm néi suy c¸c hµm ®iÒu khiÓn S primitive d÷ liÖu kh«ng gian khíp vïng c«ng t¸c D Gi¶i m· lÖnh Microinterpolation Xö lý lçi LuËt ®iÒu khiÓn Giao diÖn servomotor S Xö lý tÝn hiÖu Tr¹ng th¸i cña tay m¸y Tr¹ng th¸i t­¬ng t¸c víi m«i tr­êng M ®éng häc jacibian ®éng lùc häc ng­îc inquiry c¸c hµm néi suy   servo d÷ liÖu  sensor lÖnh ra c¬ cÊu lùc chÊp hµnh camera   transducer transducer  vËn tèc vÞ trÝ 4 - 3: Ph©n cÊp ®iÒu khiÓn robot 2.Bé ®iÒu khiÓn. a.Bé xö lý trung t©m Trung t©m cña bé ®iÒu khiÓn lµ CPU chÞu tr¸ch nhiÖm qu¶n lý th«ng tin vÒ bé nhí , qu¶n lý xuÊt nhËp , xö lý th«ng tin tÝnh to¸n, ®iÒu khiÓn vµ ®­a ra c¸c tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn. Robot trë nªn phæ biÕn tõ khi c¸c m¸y tÝnh - bit nh­ lo¹i Apple 2E trë nªn th«ng dông. Nh­îc ®iÓm c¬ b¶n cña bé ®iÒu khiÓn nµy lµ tèc ®é xö lý chËm, dung l­îng bé nhí thÊp ®iÒu nµy lµm h¹n chÕ kh¶ n¨ng lËp tr×nh còng nh­ h¹n chÕ sè vÞ trÝ trong vïng kh«ng gian lµm viÖc cña robot Robot hiÖn nay ®ùoc trang bÞ bé xö lý 16-bit cã kÌm theo bé ®ång xö lý ®Ó phôc vô cho viÖc tÝnh to¸n ®­îc sö dông nhiÒu nhÊt lµ c¸c bé xö lý hä Intel 8086 vµ 8088. §iÒu nµy kh¾c phôc c¸c h¹n chÕ cña m¸y tÝnh 8- bit C¸c bé vi xö lý 42 -bit lµ bé n·o cho c¸c bé ®iÒu khiÓn cña thÕ hÖ robot hiÖn ®¹i nhê ë kh¶ n¨ng t¨ng tèc ®é xö lý vµ dung l­îng cña bé nhí. M¸y tÝnh 42 – bit cho phÐp ghi nhí ®­îc mét sè l­îng lín c¸c vØ trÝ, ®iÒu nµy cÇn thiªt cho c¸c robot ®iÒu khiÓn theo ®­êng dÉn liªn tôc b.Bé nhí Bé nhí dïng ®Ó l­u gi÷ ch­¬ng tr×nh vµ nh÷ng fh«ng tin ph¶n håi tõ m«i tr­êng thao t¸c Cac bé nhí Rom ®ùoc cung cÊp cho c¸c robot chiÕm gi÷ 1 phÇn bé nhí, c¸c ch­¬ng tr×nh xuÊt / nhËp c¬ b¶n n»m trong bé nhí Rom. C¸c ch­¬ng tr×nh nµy cho phÐp m¸y tÝnh nhËn vµ chuyÓn th«ng tin víi c¸c m¹ch giao tiÕp c¶m biÕn, m¹ch giao tiÕp cña c¸c c­ cÊu t¸c ®éng, m¹ch truyÒn th«ng nèi tiÕp. Rom còng chøa c¸c ch­¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn servo, sö dông tÝn hiÖu ph¶n håi tõ c¸c c¶m biÕn ®Ó tÝnh to¸n vµ x¸c ®Þnh sai lÖch gi÷a vÞ trÝ (vËn tèc, gia tèc, momen) hiÖn t¹i víi vÞ trÝ yªu cÇu. HÇu hÕt c¸c bé ®iÒu khiÓn robot cã kÌm theo c¸c ch­¬ng tr×nh trong bé nhí Rom cho phÐp qu¶n lý ®­îc toµn bé chuyÓn ®éng cña robot Rom ph¶i chøa c¸c ch­¬ng tr×nh khëi ®éng hÖ thèng. HÖ thèng khëi ®éng cho phÐp ng­êi sö dông ®­a ra c¸c lÖnh nh­ run, learn, edit... Cuèi cïng Rom cßn kÌm theo ch­¬ng tr×nh øng dông ®Ó ®¸p øng viÖc h­íng dÉn cho ng­êi viÕt ch­¬ng tr×nh. Bé nhí Rom cã c«ng dông l­u ch­¬ng tr×nh cña ng­êi sö dông. Sö dông trong chÕ ®é huÊn luyÖn, l­u tr÷ gi¸ trÞ c¸c biÕn hiÖn hµnh c¸c th«ng sè cµi ®Æt vµ c¸c d÷ liÖu lµm viÖc ®­îc yªu cÇu bëi ch­¬ng tr×nh bé nhí Rom. c.Bé xuÊt / nhËp Bé xuÊt nhËp dïng ®Ó ®­a ch­¬ng tr×nh vµo bé xö lý vµ kiÓm tra theo dâi ho¹t ®éng trong qu¸ tr×nh thao t¸c. CÊu h×nh cña bé xuÊt / nhËp bao gåm bµn phÝm, mµn kÝnh, c¸c bo m¹ch ®­îc bè trÝ c¸c cæng giao tiÕp xuÊt / nhËp d¹ng nèi tiÕp vµ song song Cæng m¸y in/ cæng song song TruyÒn th«ng m¹ng Bé nhí EPROM æ ®Üa mªm TruyÒn th«ng víi PLC vµ robot kh¸c LËp tr×nh offline Bé giao tiÕp xuÊt/nhËp song song Bé chuyÓn ®æi A/D vµ D/A Bo ®iÒu khiÓn trôc Panen ®iÒu khiÓn Mµn h×nh HÖ thèng thu nhËn h×nh ¶nh C¶m biÕn Analog   C¬ cÊu t¸c ®éng Analog   C¶m biÕn  C¬ cÊu t¸c ®éng Bo ®iÒu khiÓn trôc ChuyÓn ®éng xoay quanh eo Bo ®iÒu khiÓn trôc CPU ChuyÓn ®éng xoay quanh vai ChuyÓn ®éng l¾c cña khuû Bé nhí Bo ®iÒu khiÓn trôc Bo ®iÒu khiÓn trôc ChuyÓn ®éng gËp cæ tay ChuyÓn ®éng l¾c cæ tay Bo ®iÒu khiÓn trôc ChuyÓn ®éng xoay bµn tay H×nh 4-4: S¬ ®å minh ho¹ kh¶ n¨ng xuÊt / nhËp cña bé ®iÒu khiÓn robot d.C¸c lo¹i bé ®iÒu khiÓn *) Bé ®iÒu khiÓn trong hÖ thèng hë Robot ho¹t ®éng trong hÖ thèng hë kh«ng nhËn biÕt ®­îc vÞ trÝ khi nã dÞch chuyÓn tõ ®iÓm nµy sang ®iÓm kh¸c. Trªn mçi trôc chuyÓn ®éng th­êng cã ®iÓm dõng ë mét vµi vÞ trÝ x¸c ®Þnh ®Ó kiÓm tra ®é chÝnh x¸c cña dÞch chuyÓn. CÊu t¹o : gåm c¬ cÊu khÝ bªn trong robot, dïng thiÕt lËp vÞ trÝ chÝnh x¸c vµ c¸c thiÕt bÞ bªn ngoµi xö lý vµ truyÒn dÉn tÝn hiÖu. C¸c c¬ cÊu ®Þnh vÞ bªn trong gåm: +) c¸c cö chÆn h¹n chÕ hµnh tr×nh cè ®Þnh giíi h¹n sù dÞch chuyÓn cña c¬ cÊu t¸c ®éng thuû lùc hay khÝ nÐn ë cuèi hµnh tr×nh hay ë m«t kho¶ng c¸ch x¸c ®Þnh nµo ®ã. +) C¸c cö chÆn h¹n chÕ hµnh tr×nh cã thÓ ®iÒu chØnh vÞ trÝ +) C¸c c«ng t¾c h¹n chÕ hµnh tr×nh +) §éng c¬ b­íc cã gãc quay tuú vµo sè xung cung cÊp. §éng c¬ b­íc Ýt dïng trong c«ng nghiÖp nh­ng th­êng dïng trong phÇn cøng phô nh­ bµn ®Þnh vÞ, ®Ó xoay cho robot.... +) ThiÕt bÞ ®¶m b¶o sù tuÇn tù cña robot +) Bé lËp tr×nh trèng : ng­êi ta ®iÒu khiÓn tuÇn tù b»ng c¸ch xÕp ®Æt c¸c cam lªn bÒ mÆt tang trèng. C¸c cam nµy t¸c ®éng lªn c«ng t¾c ®iÖn hay c¸c van thuû lùc ( khÝ nÐn) chÝnh c¸c cam nµy kiÓm so¸t sù dich chuyÓn cña mçi trôc robot. KiÓm so¸t b»ng sè l­îng cam vµ tèc ®é cña tang trèng. +) Logic khÝ nÐn vµ c¸c phÇn tö logic khÝ nÐn: thêi gian tuÇn tù dich chuyÓn cña robot ®­îc x¸c ®Þnh b»ng c¸ch liªn kÕt hîp lý c¸c phÇn tö khÝ nÐn. §iÒu khiÓn Workcell Khëi t¹o chu kú Thö kiÓm tra thiÕt bÞ ngo¹i vi Bé ®iÒu khiÓn lËp tr×nh Robot khÝ nÐn: - C¬ cÊu t¸c ®éng - Hµm kÑp M« ®un xuÊt Van khÝ HiÓn thÞ t×nh tr¹ng ho¹t ®éng cña hÖ thèng: - C¬ cÊu t¸c ®éng- §Ìn b¸o- Mµn h×nh-B¸o ®éng cßi M« ®un nhËp ThiÕt bÞ lËp tr×nh HÖ thèng c¶m biÕn: - C«ng t¾c hµnh tr×nh- C¶m biÕn tiÖm cËn- C¶m biÕn quay- C¶m biÕn qu¸ tr×nh ( Lùc, ¸p suÊt, nhiÖt ®é, l­u l­îng) - C¶m biÕn kh¸c  H×nh4 - 5: S¬ ®å khèi ®iÒu khiÓn kiÓu vßng hë kÕt hîp víi c¸c c«ng t¾c hµnh tr×nh *) §iÒu khiÓn robot trong hÖ thèng kÝn S¬ ®å sau lµ s¬ ®å khèi cña mét hÖ thèng ®iÒu khiÓn kÝn (hÖ thèng servo) sö dông trßn ®iÒu kiÖn vÞ trÝ. ë ®©y m¹ch ®iÒu khiÓn ®­îc trang bÞ hai lo¹i c¶m biÕn lµ c¶m biÕn vÞ trÝ vµ c¶m biÕn vËn tèc ®Ó kiÓm so¸t liªn tôc sù thay ®æi vÞ trÝ vµ vËn tèc trªn mét trong s¸u trôc cña robot. Trôc Bé so s¸nh Bé so s¸nh van servo hay  vÞ trÝ tèc ®é SCR §éng c¬  VÞ trÝ  yªu cÇu  Bé khuÕch ®¹i Bé khuÕch ®¹i Ph¶n håi tèc ®é Ph¶n håi M¸y ph¸t tèc  vÞ trÝ Bé m· ho¸ vÞ trÝ H×nh 4-6: S¬ ®å khèi cña mét hÖ thèng kÝn ¦u ®iÓm cña hÖ thèng servo; Kh¶ n¨ng ®Þnh vÞ tèt cña robot nhê hÖ thèng ®iÒu khiÓn servo sÏ gi¶m ®i ®é phøc t¹p cña tay g¾t. Robot cã kh¶ n¨ng thùc hiÖn nhiÒu chuyÓn ®éng cã yªu cÇu phøc t¹p ®ång thêi cã kh¶ n¨ng thùc thi nhiÒu ch­¬ng tr×nh ®Ó ®¸p øng theo c¸c yªu cÇu s¶n xuÊt cã tr×nh tù thay ®æi kh¸c nhau, gióp cho hÖ thèng s¶n xu¸t cã tÝnh linh ho¹t cao. 3. Hµm truyÒn chuyÓn ®éng mçi khíp ®éng. Trong c¬ cÊu tay m¸y mçi bËc tù do th­êng ®­îc ®iÒu khiÓn b»ng mét hÖ thèng truyÒn ®éng riªng. TruyÒn ®éng cã thÓ lµ thuû lùc, khÝ nÐn nh­ng nhiÒu h¬n c¶ lµ b»ng ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu S¬ ®å sau lµ s¬ ®å ®éng c¬ ®iÖn mét chiÒu víi tÝn hiÖu vµo lµ ®iÖn ¸p Va ®Æt vµo phÇn øng, tÝn hiÖu ra lµ gãc quay θm cña trôc ®éng c¬ cã kÝch tõ cho ®éng c¬ vµ kÝch tõ tõ ®éc lËp Trôc ®éng c¬ th­êng nèi liÒn víi hép gi¶m tèc råi tíi trôc phô t¶i. Gäi n lµ tû sè truyÒn, θL lµ gãc quay cña trôc phô t¶i, ta cã: (1) Momen trªn trôc ®éng c¬ b»ng tæng momen cÇn ®Ó ®éng c¬ quay céng víi momen phô t¶i quy vÒ trôc ®éng c¬ M(t) = Mm(t) + ML* (t) (2) Ký hiÖu Jm - momen qu¸n tÝnh cña ®éng c¬ JL - momen qu¸n tÝnh cña phô t¶i Ta cã : Mm (t) = Jm (t) + fm (t) (3) ML (t) = JL (t) + fL (t) (4) Trong ®ã Fm vµ F2 lµ hÖ sè c¶n cña ®éng c¬ vµ cña phô t¶i Theo ®Þnh luËt b¶o toµn n¨ng l­îng, c«ng do phô t¶i sinh ra tÝnh trªn trôc phô t¶i lµ M2θ2 ph¶i b»ng c«ng quy vÒ trôc ®éng c¬ M2θm. Tõ ®ã ta cã: (5) tÝnh tíi (1) vµ (4) ta cã: (6) thay (3) vµ (6) vµo (2) ta cã: M(t) = (Jm + n2JL ) m (t) + (fm + n2fL) m (t) (7) M(t) = Jm (t) + fm (t) (8) Víi J = Jm + n2JL f = fm + n2fL Trong ®ã : J - momen qu¸n tÝnh tæng hiÖu dông F - hÖ sè tæng hiÖu dông Bëi v× momen trªn trôc ®éng c¬ phô thuéc tuyÕn tÝnh víi c­êng ®é dßng ®iÖn phÇn øng vµ kh«ng phô thuéc vµo gãc qua vµ vËn tèc gãc. M(t) = Kaia (t) (9) Víi ia – c­êng ®é dßng ®iÖn Ka – hÖ sè tØ lÖ momen §èi víi m¹ch ®iÖn phÇn øng (10) Víi Ra, La - ®iÖn trë vµ ®iÖn c¶m phÇn øng eb - søc ph¶n ®iÖn ®éng cña ®éng c¬ eb(t) = Kbm (t) (11) Ke – hÖ sè tû lÖ víi søc ph¶n ®iÖn ®éng Dïng phÐp biÕn ®æi laplace, tõ (10) ta cã : Ia (s) = (12) Ta cã : M(s) = s2Jm (s) + sfm (s) (13) Tõ (9) ta cã : M(s) = KaIa(s) = Ka (14) Tõ (13) vµ (14) ta cã: (15) §©y lµ hµm truyÒn cÇn x¸c ®Þnh, nã lµ tû sè gi÷a tÝn hiÖu ra (gãc quay θm) vµ tÝn hiÖu vµo cña hÖ thèng (®iÖn ¸p Va) BiÕn ®æi (15) d­íi d¹ng sau: (16) Bëi v× hÖ hrèng gåm cã c¶ ®éng c¬ vµ phô t¶i nªn tÝn hiÖu ra lµ gãc quay cña trôc phô t¶i θL nh­ trong c«ng thøc (1). Cuèi cïng hµm truyÒn chuyÓn ®éng mét bËc tù do cña tay m¸y lµ : (17) vµ s¬ ®å khèi t­¬ng øng: n ua(s)+ qL(s) - Hµm truyÒn chuyÓn ®éng cña mét bËc tù do §Ó ®¬n gi¶n ho¸ cã thÓ kh«ng xÐt ®Õn ¶nh h­ëng cña ®iÖn c¶m phÇn øng lµ La v× nã th­êng qu¸ nhá so víi c¸c nh©n tè ¶nh h­ëng c¬ khÝ kh¸c. Ph­¬ng tr×nh (17) cßn l¹i: (18) 4. §iÒu khiÓn chuyÓn ®éng mçi khíp ®éng. NhiÖm vô ®iÒu khiÓn lóc nµy lµ lµm sao cho ®éng c¬ dÞch chuyÓn ®i mét gãc b»ng gãc quay ®· tÝnh to¸n ®Ó ®¶m b¶o theo quü ®¹o ®· chän, ®Ó ®iÒu khiÓn theo quü ®¹o ph¶i ®Æt ®iÖn ¸p vµ ®éng c¬ tû lÖ thuËn víi ®é sai lÖch gãc quay cña khíp ®éng (19) Víi Kp _- hÖ sè truyÒn tÝn hiÖu ph¶n håi vÒ vÞ trÝ e(t) - ®é sai lÖch gãc quay : e(t)= (t) - (t) Gi¸ trÞ gãc quay tøc thêi (t) ®­îc ®o b¸o b»ng c¶m biÕn quang häc hoÆc chiÕt ¸p BiÕt ®æi laplace (19): (20) Thay (20) vµo (18) (21) Sau khi biÕn ®æi ®¹i sè ®¬n gi¶n ta cã hµm truyÒn (22) Tõ pt (22) hÖ ®iÒu chØnh tû lÖ dÞch chuyÓn mçi khíp ®éng lµ hÖ bËc 2. NÕu c¸c hÖ sè ph­¬ng tr×nh bËc 2 nµy lµ d­¬ng th× hÖ sÏ æn ®Þnh. §Ó n©ng sao ®Æc tÝnh ®éng lùc häc cña hÖ vµ ®Ó gi¶m sai sè tÜnh cã thÓ t¨ng hÖ sè Kp vµ xÐt tíi ®¹o hµm cña ®é sai lÖch dÞch chuyÓn qua hÖ sè k. Muèn thÕ th× ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn ®éng c¬ sÏ tØ lÖ thuËn víi ®é sai lÖch dÞch chuyÓn vµ ®¹o hµm cña nã: (23) Nh­ vËy khi cã liªn hÖ ph¶n håi hÖ thèng trë thµnh khÐp kÝn Sau khi biÕn ®æi laplace biÓu thøc (23) vµ thay Uavµo (21) ta cã hµm truyÒn: (24) Tõ ®ã cã: (25) n Ua(s) qL(s)  - S¬ ®å ®iÒu khiÓn chuyÓn dÞch 1 khíp ®éng cã liªn hÖ ph¶n håi 5. §¸nh gi¸ ®Æc tÝnh ®éng lùc cña hÖ ®iÒu khiÓn. Tr­íc hÕt cÇn nghiªn cøu ph¹m vi thay ®æi hÖ sè truyÒn ph¶n håi vÒ vih trÝ vµ vËn tèc (hÖ sè Kp vµ hÖ sè Kv) Nh­ ®· biÕt, ph­¬ng tr×nh ®Æc trung cña hÖ bËc 2 cã d¹ng chuÈn nh­ sau: S2 + 2xwns + wn2 = 0 (26) Víi e vµ wn - hÖ sè gi¶m chÊn vµ tÇn sã riªng cña hÖ dao ®éng §èi chiªu gi÷a 2 ph­¬ng tr×nh (25) vµ (26) ta cã: (27) 2xwn (28) §Ó ®¶m b¶o chÕ ®é lµm viÖc cã gi¶m chÊn cÇn thiÕt th× x ³ 1. Do vËy : x (29) Tõ ®iÒu kiÖn (29): (30) §Ó tr¸nh dßng ®iÖn céng h­ëng cÇn chän wn £ 0,5wr  (31) TÇn sè céng h­ëng cña hÖ kÕt cÊu chñ yÕu phô thuéc vµo vËt liÖu chÕ t¹o m¸y. NÕu gäi ®é cøng v÷ng cña hÖ khíp ®éng lµ Ker th× momen g©y nªn Kevθm(t) , c©n b»ng víi momen qu¸n tÝnh cña ®éng c¬ Jm (t) + Kevθm (t) = 0 (32) Pt ®Æc tr­ng cña biÓu thøc (32) sau khi biÕn ®æi laplace lµ : Js2 + Kev = 0 (33) Gi¶i ph­¬ng tr×nh trªn r×m tÇn sè céng h­ëng (34) NÕu w0 lµ tÇn sè céng h­ëng ®o ®­îc øng víi momen qu¸n tÝnh s0 ®· biÕt th× ®èi víi momen qu¸n tÝnh S1 tÇn sè céng h­ëng t­¬ng øng lµ : (35) Theo ®iÒu kiÖn (31), (27) cã: (36) TÝnh thªm biÓu thøc (34) ta cã: (37) BiÕt Kp thay vµo (30) nhËn ®­îc:  (38) 6. §iÒu khiÓn chuyÓn ®éng robot nhiÒu bËc tù do NhiÖm vô quan träng ®Çu tiªn cña ®iÒu khiÓn robot lµ ®¶m b¶o sao cho ®iÓm t¸c ®éng cuèi E ( End- effector) cña c¬ cÊu tay m¸y ph¶i dich chuyÓn b¸m theo mét quü ®¹o ®Æt tr­íc. Kh«ng nh÷ng thÕ, hÖ to¹ ®é xe, ye , ze g¾n liÒn t¹i ®iÓm E ®ã ph¶i duy tr× theo mét ®Þnh h­íng nµo ®ã. Tuy nhiªn ë ®©y ta ph¶i tÝnh tíi c¸c ®iÒu kiÖn thùc tÕ khi lµm viÖc, nh­ lµ cã sù t¸c ®éng cña momen lùc, cña m«i tr­êng lµm viÖc... C¸c yÕu tè nµy sÏ lÇn l­ît ®­îc tÝnh tíi vµ ph­¬ng ph¸p ®iÒu khiÓn còng trë nªn ®a d¹ng vµ phong phó h¬n, tuú theo yªu cÇu n©ng cao chÊt l­îng ®iÒu khiÓn. Nh­ ®· biÕt c¸c khíp ®éng cña robot ®Òu cã nguån ®éng lùc riªng, nªn ®iÒu khiÓn robot lµ ®iÒu khiÓn c¸c nguån ®éng lùc ®éc lËp ®ã. S¬ ®å khèi tæng qu¸t cña hÖ thèng ®iÒu khiÓn robot ®­îc m« t¶ trªn h×nh sau: FM Robot Bé ®iÒu khiÓn qd e q S¬ ®å hÖ thèng ®iÒu khiÓn qd : vect¬ vÞ trÝ ®Æt cña biÕn khíp : lµ vect¬ tèc ®é thay ®æi biÕn khíp t­¬ng øng FM : vect¬ lùc ®éng t¹o nªn ë khíp ®éng. §ã lµ lùc hoÆc momen t¹o nªn bëi nguån ®éng lùc ë khíp ®éng. Ph­¬ng tr×nh ®éng lùc häc cña Robot ®· ®­îc viÕt d­íi d¹ng ma trËn: (39) CÊu tróc bé ®iÒu khiÓn vso thÓ lùa chän lµ luËt ®iÒu khiÓn tû lÖ ®¹o hµm (PD – prportional – Derivative): (40) Trong ®ã : e - sai sè vÞ trÝ cña khíp ®éng : e = qd – q - sai sè tèc ®é : Kp - ma trËn ®­ßng chÐo c¸c hÖ sè khuyÕch ®¹i cña n líp ®éng : Kp = diag (Kp1, Kp2, ... , Kpn) KD- ma trËn ®­êng chÐo cña hÖ sè ®¹o hµm cña n khíp ®éng : KD = diag (KD1, KD2, ... , KDn) S¬ ®æ hÖ thèng ®iÒu khiÓn ph¶n håi víi cÊu tróc ®iÒu khiÓn PD cã d¹ng ®¬n gi¶n : KP qD e Robot KD S¬ ®å cÊu tróc hÖ thèng víi bé ®iÒu khiÓn PD cã ®é t¾t dÇn Trªn s¬ ®å trªn tÝn hiÖu ®Æt vÞ trÝ qd ®­îc so s¸nh víi vÞ trÝ tøc thêi q vµ ®é sai lÖch e t¸c ®éng vµo kh©u khuyÕch ®¹i víi hÖ sè Kp. TÝn hiÖu ra cña kh©u tû lÖ ®­îc céng ®¹i sè víi tÝn hiÖu t¾t dÇn tû lÖ víi tèc ®é cña khíp ®éng Fm = Kp (qd - q ) + KD (41) HÖ thèng víi cÊu tróc luËt ®iÒu kiÓn PD cã ®é t¾t dÇn sÏ kh«ng thÝch hîp víi mét sè kiÓu robot. Mét d¹ng hÖ thèng ®iÒu khiÓn kh¸c giíi thiÖu trªn h×nh trªn cã bæ sung thªm tÝn hiÖu ®Æt tèc ®é qd vµ ®é sai lÖch tèc ®é e t¸c ®éng vµo kh©u khuyÕch ®¹i KD KP - qD q Robot FM KD - - §é chÝnh x¸c tÜnh cña hÖ thèng ®iÒu khiÓn cã thÓ n©ng cao b»ng c¸ch t¨ng hÖ sè khuyÕch ®¹i Kp. Tuy nhiªn hÖ sè Kp lín sÏ lµm gi¶m ®é æn ®Þnh cña hÖ thèng còng nh­ lµm t¨ng ®é nhiÔu. Bé ®iÒu khiÓn cã cÊu tróc PID sÏ kh¾c phôc ®­îc nh­îc ®iÓm ®ã cña bé ®iÒu khiÓn PD. Khi ®ã ph­¬ng tr×nh lùc ®éng FM t¸c ®éng lªn khíp ®éng sÏ cã d¹ng : (42) Trong ®ã : Ki – ma trËn ®­êng chÐo c¸c hÖ sè tÝch ph©n cña n khíp ®éng Ki = diag ( Ki1, Ki2, ... , Kin) Nh­ vËy tuú thuéc cÊu tróc ®· lùa chän bé ®iÒu khiÓn, ta ®em ®èi chiÕu ph­¬ng tr×nh (41) , (42) víi ph­¬ng tr×nh Lagrange, tõ ®ã nhËn ®­îc c¸c ph­¬ng tr×nh cña hÖ ®iÒu khiÓn t­¬ng øng. Tõ c¸c ph­¬ng tr×nh cña hÖ ®iÒu khiÓn nµy cã thÓ lùa chän Kp, KD vµ Ki sao cho sai lÖch vÞ trÝ e sÏ tiÕn tíi 0. 7. §iÒu khiÓn ®éng c¬ thuû lùc C¸c ®éng c¬ thuû lùc ®­îc ®iÒu khiÓn b»ng c¸ch thay ®æi l­u l­îng dÇu qua b¬m. BÊt kÓ sù kh¸c nhau vÒ cÊu tróc vËt lý, c¸c mèi quan hÖ c¬ b¶n gi÷a l­u l­îng vµ ¸p suÊt, chuyÓn ®éng cña chÊt láng vµ chuyÓn ®éng cña c¸c chi tiÕt, sù c©n b»ng c¬ häc cña c¸c chi tiÕt ®Õu xuÊt ph¸t tõ ®¹o hµm quan hÖ vµo/ra. Gi¶ sö Q lµ l­u l­îng cung cÊp, Qm lµ l­u l­îng vµo cña ®éng c¬, Qt lµ l­u l­îng tæn hao do lät dÇu trªn b¬m, Qc lµ l­u l­îng tæn hao do tÝnh nÐn ®­îc cña dÇu, ta nhËn ®­îc ph­¬ng tr×nh c©n b»ng l­u l­îng nh­ sau: Q = Qm + Ql + Qc (43) C¸c ®¹i l­îng tæn hao Ql vµ Qc ®­îc tÝnh ®Õn khi hÖ thèng lµm viÖc d­íi ¸p suÊt cao, cì hµng tr¨m atmosphe. Gäi P lµ chªnh lÖch ¸p suÊt gi÷a ®Çu ra vµ ®Çu vµo cña b¬m do t¶i, ta cã quan hÖ: Ql = klP (44) Tæn hao n¨ng l­îng do tÝnh nÐn ®­îc cña chÊt láng tû lÖ víi thÓ tÝch tøc thêi cña chÊt láng V vµ ¸p suÊt P hÖ sè nÐn g vµ biÕn thøc s : Qc = g,VsP (45) Tõ (6.12) thÊy r»ng hÖ sè tû lÖ kc = Υ.V gi÷a ®¹o hµm theo thêi gian cña ¸p suÊt P vµ l­u l­îng Qc phô thuéc vµo thÓ tÝch V cña chÊt láng.V× vËy ®èi víi ®éng c¬ quay th× kc lµ h»ng sè, cßn ®èi víi ®éng c¬ tÞnh tiÕn th× V thay ®æi nªn ph¶n øng cña hÖ thèng tuú thuéc ®iÓm c«ng t¸c. L­u l­îng chÊt láng vµo ®éng c¬ tû lÖ víi l­îng biÕn thiªn trong mét ®¬n vÞ thêi gian cña tÓ tÝch chÊt láng trong bÓ chøa. MÆt kh¸c l­îng biÕn thiªn nµy tû lÖ víi vËn tèc gãc cña ®éng c¬. Cuèi cïng nhËn ®­îc: Qm = kqw (46) §iÒu kiÖn c©n b»ng c¬ häc cña c¸c chi tiÕt chuyÓn ®éng ®­îc m« t¶ b»ng ph­¬ng tr×nh t­¬ng tù nh­ (3.3) Cm = (sIm + Fm)w +Cr (47) Cuèi cïng th× momen cña ®éng c¬ tû lÖ víi ®é chªnh lªch ¸p suÊt cña b¬m: Cm = ktP (48) §èi víi van ®iÒu khiÓn, hµm truyÒn gi÷a vÞ trÝ X cña van vµ ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn Vc ®­îc x¸c ®Þnh nh­ sau: (49) V× h»ng sè thêi gian Ts rÊt nhá (cì mili gi©y) so víi c¸c h»ng sè thêi gian kh¸c cña hÖ thèng, nªn Gs ®­îc coi lµ hÖ sè truyÒn t­¬ng ®­¬ng cña van vµ quan hÖ gi÷a Vc vµ X lµ tuyÕn tÝnh. Qm Kq+   X Q Qc P Cm W + + + - - - kq H×nh 4 – 7: S¬ ®å khèi hÖ ®iªu khiÓn ®éng c¬ thuû lùc Trªn c¬ së c¸c ph­¬ng tr×nh ®· nªu, cã thÓ x©y dùng s¬ ®å khèi cña hÖ thèng ®iÒu khiÓn cña ®éng c¬ thuû lùc, gåm van, bé ph©n phèi, ®éng c¬ nh­ trong h×nh 4-7. So s¸nh h×nh 4-2 víi h×nh 4-7 cã thÓ nhËn ra sù t­¬ng tù vÒ h×nh thøc gi÷a ®Æc tÝnh ®éng lùc häc cña ®éng c¬ thuû lùc vµ ®éng c¬ ®iÖn. Tuy nhiªn ®iÒu ®ã kh«ng cã nghÜa lµ cã thÓ dïng ®éng c¬ thuû lùc ®Ó ®iÒu khiÓn vËn tèc vµ ®iÒu khiÓn m«men thay cho ®éng c¬ ®iÖn. VÒ h×nh thøc th× m¹ch ph¶n håi ¸p suÊt cña ®éng c¬ ®iÖn, nh­ng kh«ng thÓ thay ®æi kÕt cÊu cña panel thuû lùc mét c¸ch dÔ dµng nh­ ®èi víi mét b¶ng m¹ch ®iÖn. Ch­¬ng V Ng«n ng÷ lËp tr×nh cña robot I. Giíi thiÖu chung vÒ lËp tr×nh cho robot. Khi xem xÐt vÊn ®Ò lËp tr×nh cho robot, kh«ng nh÷ng cÇn quan t©m ®Õn chuyÓn ®éng cña b¶n th©n robot mµ cßn ph¶i l­u ý ®Õn sù ho¹t ®éng cña c¶ hÖ thèng s¶n xuÊt, mµ robot lµ mét thµnh viªn. HÖ thèng s¶n xuÊt gåm nhiÒu ®¬n nguyªn hoÆc m«®un thiÕt bÞ s¶n xuÊt (Workceell). §ã lµ mét côm thiÕt bÞ, bao gåm mét hoÆc mét vµi robot, m¸y c«ng t¸c hoÆc thanh b¨ng chuyÓn, c¸c c¬ cÊu cÊp tho¸t ph«i hoÆc ®å g¸ phô trî kh¸c v.v… Th«ng th­êng ®Ó lËp tr×nh ®iÒu khiÓn robot tr­íc hÕt ph¶i m« pháng sù ho¹t ®éng cña nã “workcell” cô thÓ. Cã thÓ ph©n t¸ch thµnh 2 ph­¬ng ph¸p lËp tr×nh: lËp tr×nh trùc tuyÕn (on – line programming) vµ lËp tr×nh ngo¹i tuyÕn (off-line programming). Khi lËp tr×nh trùc tuyÕn, ng­êi vËn hµnh robot trùc tiÕp tiÕn hµnh lËp tr×nh trªn b¶n th©n r«bot hoÆc thiÕt bÞ phô trî kÌm theo. Cã ph­¬ng ph¸p lËp tr×nh thñ c«ng (manual input), ph­¬ng ph¸p lËp tr×nh theo kiÓu dËy häc b»ng dÉn d¾t(teach by lead through) vµ ph­¬ng ph¸p lËp tr×nh theo kiÓu d©þ häc b»ng thiÕt bÞd¹y häc gäi lµ “teach pendant” LËp tr×nh thñ c«ng lµ ph­¬ng ph¸p ®¬n gi¶n nhÊt lµ thÝch hîp nhÊt víi c¸c lo¹i robot kh«ng ®­îc trang bÞ thiÕt bÞ phô tr¬ ®éng (non – servo – controlled robots), kh«ng cã tÝn hiÖu ph¶n håi. §Ó lËp tr×nh cã thÓ dïng c¸c c÷ tú, c¬ cÊu cam, b¶ng æ c¾m ®iÖn, c¸c c«ng t¸c hµnh tr×nh v.v… c¸c lo¹i nµy tuy ®¬n gi¶n nh­ng l¹i cã nhiÒu øng dông. Thùc tiÔn s¶n xuÊt ®· chøng tá r»ng cã thÓ chÕ t¹o ra nh÷ng ch­¬ng tr×nh thao t¸c kh«ng ®¬n gi¶n b»ng c¸ch thøc ®¬n gi¶n ®ã. Ph­¬ng ph¸p dÉn d¾t ®Ó “d¹y häc” cho robot cã thÓ thùc hiÖn ®­îc nh÷ng c«ng viÖc tinh tÕ h¬n. Ng­êi vËn hµnh dÉn d¾t robot lµ c¸c thao t¸c theo yªu cÇu vµ ë nh÷ng vÞ trÝ cÇn thiÕt, c¸c tÝn hiÖu ®­îc nhËn biÕt tõ c¸c c¶m biÕn (servo) l¾p trªn robot sÏ ®­îc ghi l¹i. Khi lµm viÖc c¸c th«ng tin tÝn hiÖu ®· ghi nhí nµy sÏ t¸c ®éng vµo c¬ cÊu chÊp hµnh lµm cho robot hoµn toµn lÆp l¹i mét c¸ch tù ®éng c¸c thao t¸c ®· “häc” ®­îc. Cã thÓ “d¹y häc” cho robot theo ph­¬ng ph¸p dïng hép ®iÒu khiÓn “teach pendant”. ®ã lµ mét hép nhá cÇm tay cã c¸c nót bÊm ®iÒu khiÓn. Khi bÊm c¸c nót ®iÒu khiÓn nµy, c¸c khíp ®éng cña robot chuyÓn dÞch mét ®¹i l­îng nµo ®ã theo ý ng­êi ®iÒu khiÓn vµ c¸c gi¸ trÞ ghi l¹i ®Ó lËp tr×nh khi chuyÓn sang chÕ ®é tù ®éng. BiÓu thÞ c¸c ph­¬ng ph¸p lËp tr×nh kÓ trªn nh­ c¸c b­íc ph¸t triÓn hiÖn ®¹i dÇn. LËp tr×nh ngo¹i tuyÕn vµ mét b­íc ph¸t triÓn cao h¬n vÒ chÊt. LËp tr×nh ngoai tuyÕn (off – line programming) kh«ng tiÕn hµnh trùc tiÕp trªn thiÕt bÞ robot, mµ tiÕn hµnh gi¸n tiÕp trªn m¸y tÝnh. §Ó thùc hiÖn ®­îc viÖc trao ®æi th«ng tin gi÷a ng­êi vµ robot ph¶i dïng ®Õn ng«n ng÷ mµ c¶ hai ®Òu hiÓu ®­îc. C¸c ng«n ng÷ ch­¬ng tr×nh lµ ng«n ng÷ t­êng minh (expelicit languages) cho phÐp ng­êi lËp tuyÒn tÝn hiÖu cho m¸y c«ng t¸c thùc hiÖn c¸c thao t¸c cÇn thiÕt. M¸y tÝnh lµ mét thiÕt bÞ v¹n n¨ng, tæ hîp c¸c lÖnh ®Ó m¸y hoµn thµnh c¸c c«ng viÖc rÊt ®a d¹ng. Ng«n ng÷ m¸y cho phÐp dïng c¸c ng«n ng÷ bËc cao, gäi lµ ng«n ng÷ ph¸t triÓn. Trong tin häc cã nhiÒu l¹i ng«n ng÷. tuy nhiªn trong ®iÒu khiÓn nãi chung vµ ®iÒu khiÓn robot nãi riªng cÇn quan t©m tíi sù tiÖn lîi vµ nhanh chãng ®Ó ®¶m b¶o thêi gian thùc. V× thÕ xuÊt hiÖn nhiÒu lo¹i h×nh ng«n ng÷ chuyªn dông, ®Þnh h­íng cho mét lo¹i vÊn ®Ò nµo ®ã. Nh­ vËy, khi lËp tr×nh ngo¹i tuyÕn ®Ó cÇn dïng ng«n ng÷ lËp tr×nh. Møc th«ng th­êng dïng c¸c ng«n ng÷ t­êng minh (explicit language). Møc cao h¬n lµ dïng ng«n ng÷ kh«ng t­êng minh (implicit language). Nh÷ng ng«n ng÷ nµy cho phÐp ng­êi sö dông ra lÖnh ®Ó robot thùc hiÖn c¸c c«ng viÖc mong muèn mét c¸ch trùc tiÕp mµ kh«ng cÇn chØ ra chi tiÕt c¸c ho¹t ®éng cña robot nh­ ng«ng ng÷ lËp tr×nh th«ng th­êng. VÝ dô, ng«n ng÷ AML cña h·ng IBM, Karel cña h·ng General Motor, Fanuc, Rai, cña tËp ®oµn Automatix, Jas cña NASAvµ RPL cña SRI Inte rnational . C¸c ng«n ng÷ nµy cßn ®ang ë giai ®o¹n ph¸t triÓn . VËy ph¹m vi øng dông ng«n ng÷ t­êng minh còng cã 2 møc - Ng«n ng÷ robot chuyªn dông. Nh÷ng ng«n ng÷ lËp tr×nh nµy ®­îc x©y dùng nh­ mét nh«n ng÷ míi có ph¸p (syntax) vµ ng÷ nghÜa (sematics) cöa c¸cng«n ng÷ nµy cÇn ph¶i ®¬n gi¶n v× ng­êi lËp tr×nh cho c¸c øng dông c«ng nghiÖp kh«ng ph¶i lµ c¸c chuyªn gia l©p tr×nh. VÝ dô, ng«n ng÷ VAL 2 cña Unimation, Al cña ®¹i häc Stan®fod. Ng«n ng÷ ph¸t triÓn. Ng«n ng÷ nµy t¹o ra c¸c th­ viÖn robot cho ng«n ng÷ lËp tr×nh bËc cao ®· cã s½n. Nh÷ng ng«n ng÷ nµy ®­îc x©y dùng b»ng c¸ch dùa trªn c¸c ng«n ng÷ lËp tr×nh bËc cao th«ng dông (vÝ dô nh­ Pascal) vµ thªm vµo mét th­ viÖn c¸c thñ tôc vÒ hµm ®Æc biÖt dïng cho robot. Khi viÕt ch­¬ng tr×nh Pascal ®Ó ®iÒu khiÓn robot, ng­êi sö dông gäi c¸c hµm hoÆc c¸c thñ tôc ®· ®Þnh nghÜa tr­íc trong th­ viÖn ®Ó xö lý c¸c néi dung cã liªn quan ®Õn viÖc tÝnh to¸n hoÆc ®iÒu khiÓn robot. VÝ dô, PASRO (Pascal for robot) lµ mét th­ viÖc dïng cho lËp tr×nh robot, cung cÊp nhiÒu thñ tôc vµ hµm ®Æc biÖt ®Ó tÝnh to¸n vµ ®iÒu khiÓn eb dïng trong m«i tr­êng ng«n ng÷ Turbo Pascal, hoÆc Pasro/ C lµ ph¸t triÓn cña Pasro, nh­ng ®­îc biÕt trªn c¬ së ng«n ng÷ Turbo C II. M« t¶ c¸c vËt thÓ vµ nhiÖm vô. 1. M« t¶ c¸c vËt thÓ. C¸c vËt thÓ gäi lµ c¸c ®èi t¸c cña robot trong c«ng viÖc vµ c¸c thiÕt bÞ vµ ®å dïng trong m«i tr­êng lµm viÖc, chóng rÊt ®a d¹ng vµ phong phó. Tuy nhiªn cã thÓ dùa vµo c¸c khèi c¬ b¶n sau ®©y ®Ó m« t¶ chóng : - Khèi h×nh vËt thÓ trßn xoay (rotative) H×nh 5 – 1 :M« t¶ chi tiÕt h×nh trô - Khèi h×nh vËt thÓ l¨ng trô (prismatic) H×nh 5 -2 : M« t¶ vËt thÓ h×nh ®a diÖn C¸c vËt thÓ cã cÊu tróc hçn hîp (combination) cã thÓ m« t¶ b»ng c¸ch ghÐp nèi c¸c khèi c¬ b¶n. Khèi h×nh vËt thÓ xoay trßn ®­îc ®Æc tr­ng b»ng to¹ ®é t©m vµ b¸n kÝnh cña h×nh trßn c¸c tiÕt diÖn. VÝ dô, trªn h×nh 5-1 m« t¶ mét chi tiÕt m¸y h×nh trô b¸n kÝnh r = 0,5; chiÒu dµi l = 6; n»m däc theo trôc z. Khèi h×nh vËt thÓ ®a diÖn ®­îc ®Æc tr­ng b»ng to¹ ®é c¸c ®iÓm gãc c¹nh cña nã. Khi m« t¶ c¸c vËt thÓ trong m«i tr­êng lµm viÖc, còng nh­ khi m« t¶ qu¸ tr×nh thao t¸c cña robot vµ dÞch chuyÓn c¸c ®èi t¸c, cã thÓ dïng c¸c phÐp biÕn ®æi thuÇn nhÊt. XÐt vÝ dô sau ®©y: Cho mét vËt thÓ ®a diÖn trong hÖ to¹ ®é c¬ së xyz nh­ h×nh 5-2. Cã thÓ lËp ma trËn mµ mçi cét lµ mét vÐct¬ më réng biÓu thÞ mét ®iÓm gãc cña tam trô. Cô thÓ ®èi víi h×nh 5-2 cã 6 ®iÓm gãc, ta cã : (5.1) Thùc hiÖn phÐp biÕn ®æi : H = Tp(4,0,0).R(y,900) (5.2) sÏ lÇn l­ît ®­îc c¸c kÕt qu¶ sau : - TÞnh tiÕn vËt thÓ däc theo trôc x mét ®o¹n ng¾n b»ng 4 ®¬n vÞ t­¬ng øng víi phÐp biÕn ®æi H1 = Tp(4,0,0), h×nh 5-4 - Råi cho vËt thÓ quay quanh trôc y gãc 900 vµ kÕt qu¶ cña hai phÐp biÕn ®æi trªn H2 = Tp(4,0,0). R(y, 900) h×nh 5-5 TiÕp tôc quay vËt thÓ quanh trôc z 900 vµ kÕt qu¶ cña phÐp biÕn ®æi H theo (5.2), h×nh 5-3 H×nh 5 -4 : VËt thÓ sau phÐp biÕn ®æi H1 = Tp(4,0,0) H×nh 5-5 :. VËt thÓ sau phÐp biÕn ®æi H2 = Tp(4,0,0).R(y,900) H×nh 5 - 6 :. VËt thÓ sau c¸c phÐp biÕn ®æi H = Tp(4,0,0).R(y,900).R(x,900) Ma trËn H theo biÓu thøc (5.2) cã thÓ x¸c ®Þnh b»ng tÝch ma trËn quen biÕt ®èi víi c¸c phÐp biÕn ®æi c¬ b¶n nãi trªn, ta cã : (5.3) Nh­ vËy dÔ dµng x¸c ®Þnh ma trËn V biÓu thÞ vËt thÓ sau c¸c phÐp biÕn ®æi (5.2) (5.4) 2. M« t¶ nhiÖm vô NhiÖm vô giao cho robot thùc hiÖn th­êng ®­îc m« t¶ b»ng c¸c thao t¸c chuyÓn dÞch. Cã thÓ t×m hiÓu néi dung nµy th«ng qua mét vÝ dô cô thÓ nh­ tr×nh bµy trªn h×nh vÏ 5-4 ë ®©y robot lÊy trªn b¨ng chuyÒn c¸c chiÕc chèt h×nh trô ®­îc m« t¶ trªn h×nh 5-2, ®Ó l¾p vµo c¸c lç trªn th©n m¸y h×nh hép. H×nh 5 – 7 : M« t¶ nhiÖm vô NhiÖm vô nãi trªn cã thÓ m« t¶ b»ng mét d·y liªn tôc c¸c vÞ trÝ thao t¸c sau ®©y. P1 : H­íng tíi chèt P2 : KÑp vµo chèt KÑp chÆt chèt P3 : N©ng cao chèt P4: H­íng tíi lç víi c¸c gãc nghiªng nµo ®ã P5: Dõng l¹i khi ch¹m lç P6: §iÒu chØnh l¹i h­íng gãc nghiªng P7: L¾p chÆt vµo lç Nh¶ chèt ra P8: Rêi ®i. Dïng ph­¬ng ph¸p to¸n ®å chuyÓn ®æi ®Ó m« t¶ nhiÖm vô t¹i c¸c vÞ trÝ thao t¸c, nh­ tr×nh bµy trªn h×nh 5- 8. H×nh 5 - 8. To¸n ®å chuyÓn ®æi m« t¶ nhiÖm vô t¹i c¸c vÞ trÝ. T­¬ng øng: P1: ZT6E = P PA (5.5) P2: ZT6E = P PG (5.6) P3: ZT6E = P PD PG (5.7) P4: ZT6E = H HRi PHA PG (5.8) P5: ZT6E = H HRi PCH PG (5.9) P6: ZT6E = H HRi PAL PG (5.10) P7: ZT6E = H HRi PN PG (5.11) P8: ZT6E = H HRi PN PG (5.12) Trong ®ã ë mçi vÞ trÝ thao t¸c ®­îc m« t¶ b»ng ZT6E (xem h×nh 5-11) víi : Z - M« t¶ vÞ trÝ tr¹ng th¸i cña robot trong hÖ to¹ ®é gèc nµo ®ã T6 - M« t¶ vÞ trÝ tr¹ng th¸i cña ®iÓm cuèi cña c¸nh tay robot trong hÖ to¹ ®é cè ®Þnh g¾n víi gi¸ ®ì cña robot E - M« t¶ vÞ trÝ tr¹ng th¸i ®iÓm cuèi cña c«ng cô kÌm theo. Nãi ®Õn vÞ trÝ tr¹ng th¸i lµ nãi ®Õn vÞ trÝ vµ h­íng cña hÖ to¹ ®é g¾n víi vÞ trÝ ®ang kh¶o s¸t. Víi c¸ch m« t¶ ®ã, khi m« t¶ vÞ trÝ robot th× chØ cÇn thay ®æi Z vµ khi thay ®æi c«ng cô thao t¸c th× chØ cÇn thay ®æi E. §Ó m« t¶ cÊu tróc vÒ nhiÖm vô, ë ®©y còng dïng phÐp biÕn ®æi t­¬ng øng sau ®©y: P- M« t¶ vÞ trÝ tr¹ng th¸i cña chiÕu chèt trong hÖ to¹ ®é gèc PA- M« t¶ vÞ trÝ tr¹ng th¸i cña bµn kÑp ®ang h­íng tíi chèt PG- M« t¶ vÞ trÝ tr¹ng th¸i cña bµn kÑp ®ang kÑp chèt so víi chèt PD- M« t¶ vÞ trÝ tr¹ng th¸i cña bµn kÑp b¾t ®Çu mang chèt ®i H- M« t¶ vÞ trÝ tr¹ng th¸i cña hép th©n m¸y cã hai lç HRi- M« t¶ vÞ trÝ tr¹ng th¸i cña lç thø i trong hép th©n m¸y so víi hÖ to¹ ®é H. PHA- M« t¶ vÞ trÝ tr¹ng th¸i cña chèt ®ang h­íng tíi lç thø i PCH- M« t¶ vÞ trÝ tr¹ng th¸i cña chèt khi ch¹m vµo lç PAL- M« t¶ vÞ trÝ tr¹ng th¸i lóc b¾t ®Çu ®­îc l¾p vµo lç PN- M« t¶ vÞ trÝ tr¹ng th¸i cña chèt khi l¾p vµo lç ViÖc thùc hiÖn c¸c nhiÖm vô trªn cã thÓ trë nªn phøc t¹p h¬n nÕu trong ®ã ngoµi nh÷ng b­íc ®i x¸c ®Þnh, vÝ dô nh­ HRi hoµn toµn cã thÓ x¸c ®Þnh b¶n vÏ kü thuËt, cßn cã c¸c b­íc ®i kh¸c cÇn th«ng tin ®Ó ®iÒu chØnh. Trong tr­êng hîp nµy th­êng sö dông kÕt hîp víi c¸c biÖn ph¸p kh¸c, vÝ dô, ph­¬ng ph¸p d¹y häc cho robot. Trªn h×nh 5-9 tr×nh bµy 3 hÖ to¹ ®é Z, P vµ H g¾n liÒn t­¬ng øng víi robot, chiÕc chèt vµ th©n hép cã hai lç. H×nh 5 - 9: C¸c hÖ to¹ ®é Z, P vµ H ThiÕt lËp quan hÖ cña c¸c hÖ to¹ ®é Z, P vµ H víi nhau vµ víi c¸c hÖ to¹ ®é gèc. VÝ dô, trong hÖ to¹ ®é gèc nÕu chän gèc cña hÖ Z ë to¹ ®é x = - 30, y = 0, z = 50 nh­ trªn h×nh 5 - 9, ta cã: (5.13) Trªn h×nh 5-10 cã 2 hÖ to¹ ®é: T6 g¾n víi ®iÓm cuèi cña c¸nh tay robot vµ E víi t©m cña bµn kÑp. §iÓm gèc cña hÖ E n»m ë vÞ trÝ (0,0,10) trong hÖ to¹ ®é T6. Do vËy, ta cã: ( 5.14) H×nh5 – 10: C¸c hÖ to¹ ®é T6 vµ E. Trªn h×nh 5 - 11 tr×nh bµy c¸ch bè trÝ c¸c hÖ to¹ ®é: H gÇn víi h«p th©n m¸y> HR1 gÇn víi c¸c lç, theo ®ã ta cã: ; (5.15) H×nh 5 – 11: Hép th©n m¸y vµ c¸c hÖ to¹ ®é H×nh 5-12 m« t¶ vÞ trÝ tr¹ng th¸i khi chèt ®· l¾p vµo lç. Khi ®ã trôc Z cña chèt ph¶i trïng víi ®­êng trôc cña lç. V× chèt cã h×nh trô trßn ®èi xøng nªn ph­¬ng cña trôc x vµ y cã thÓ tuú ý. Chän ph­¬ng trôc xz th¼ng ®øng tøc lµ gi÷ nguyªn nh­ ph­¬ng th¼ng ®øng lóc chèt tõ vÞ trÝ n»m ë b¨ng t¶i võa ®­îc n©ng lªn. VËy vÞ trÝ tr¹ng th¸i cña chèt khi ®· l¾p vµo lç cã ®é s©u lµ 4 ®­îc m« t¶ bëi ma trËn chuyÓn ®æi sau so víi HR: (5.16) H×nh 4.13 m« t¶ vÞ trÝ bµn kÑp trªn chiÕc chèt, cßn ma trËn chuyÓn ®æi sau ®©y m« t¶ vÞ trÝ tr¹ng th¸i cña bµn kÑp chèt so víi chèt. H×nh 5 – 12: Chèt l¾p vµo lç (5.17) H×nh 5 – 13: Chèt l¾p vµo lç TiÕp theo x¸c ®Þnh c¸c ma trËn chuyÓn ®æi kh¸c c¸c tõ quan hÖ cÊu tróc ë c¸c vÞ trÝ thao t¸c kh¸c nhau cña robot nh­ ®· ®­îc m« t¶ ë trªn. øng víi vÞ trÝ p1 (5.5) tøc lµ lóc bµn kÑp h­íng tíi chèt: ZT6E = P PA Tõ ®ã : PA = P-1 ZT6E (5.18) øng víi vÞ trÝ p2(5.6) tøc lµ lóc bµn kÑp chÆt chèt : ZT6E = P PG Tõ ®ã : PD = P-1 ZT6E PG-1 (5.19) øng víi vÞ trÝ p3 (5.4) tøc lµ lóc n©ng cao chèt : ZT6E = P PD PG Tõ ®ã : PD = P-1 ZT6E PG-1 (5.20) øng víi vÞ trÝ p4 (5.6) tøc lµ lóc h­íng tíi lç : ZT6E = H HR1 PHA PG Tõ ®ã : PHA = (H HR1) ZT6E PG-1 (5.21) øng víi vÞ trÝ p5 (5.9) tøc lµ lóc dõng l¹i khi ch¹m vµo lç : ZT6E = H HR1 PAL PG Tõ ®ã: PCH = (H HR1)-1 ZT6E PG-1 (5.22) øng víi vÞ trÝ p6 (5.10) tøc lµ lóc ®iÒu chØnh h­íng gãc nghiªng: ZT6E = H HR1 PN PG Tõ ®ã : H = ZT6E( HR1 PN PG)-1 H×nh 5 – 14: C¸c vÞ trÝ thao t¸c p4, p5 vµp6 3.HÖ thèng robot lµm viÖc víi camera. 3.1 BiÕn ®æi chiÕu h×nh BiÕn ®æi chiÕu h×nh lµ phÐp biÕn ®æi quang häc ®Ó chiÒu c¸c ®iÓm trong kh«ng gian 3 chiÒu lªn mét mÆt ph¼ng. PhÐp biÕn ®æi nµy rÊt cÇn thiÕt khi trao ®æi th«ng tin gi÷a c¸c vËt thÓ 3 chiÒu vµ h×nh cña nã trªn c¸c mÆt ph¼ng. Trªn h×nh 5-15 m« t¶ s¬ ®å phÐp chiÒu quang häc H×nh 5 – 15: S¬ ®å hÖ thèng chiÕu hµnh HÖ t¹o ®é x, y, z g¾n liÒn víi camera vµ mÆt ph¼ng xy lµ mÆt ph¼ng chiÕu, trôc z trïng víi trôc chÝnh qua t©m thÊu kÝnh. Nh­ vËy gèc cña hÖ to¹ ®é xyz qua t©m cña mÆt ph¼ng chiÕu, cßn t©m thÊu kÝnh cã to¹ ®é lµ (0,0, l) Víi l lµ kho¶ng c¸ch tiªu cù, ë ®©y, hÖ to¹ ®é x, y, z trïng víi hÖ to¹ c¬ b¶n X, Y, Z. Gi¶ sö X, Y, Z lµ to¹ ®é cña mét ®iÓm bÊt kú trong kh«ng gian 3 chiÒu. NÕu Z > l tøc lµ tr­êng hîp vËt thÓ ®ang quan s¸t n»m tr­íc thÊu kÝnh tõ c¸c quan hÖ gi÷a c¸c h×nh tam gi¸c trªn h×nh 5 - 15 ta cã: (5.25) (5.26) Tõ ®ã: (5.24) (5.28) L­u ý r»ng c¸c ph­¬ng tr×nh trªn lµ phi tuyÕn tÝnh v× cßn tån t¹i phÐp chia cho Z. ë ®©y còng cã thÓ dïng ma trËn thuÇn nhÊt 4x4 ®Ó m« t¶ sù biÕn ®æi chiÕu h×nh. Tuy nhiªn sù kh¸c biÖt c¬ b¶n so víi khi dïng c¸c phÐp biÕn ®æi kh¸c tr­íc ®©y (xem ch­¬ng III) lµ sù kh«ng tuyÕn tÝnh nãi trªn. Mét ®iÓm M bÊt kú cã thÓ x¸c ®Þnh b»ng vect¬ r trong hÖ to¹ ®é X, Y, Z. R = (X, Y, Z)T (5.29) Cßn ë trong kh«ng gian to¹ ®é thuÇn nhÊt (homogeneous coordinate) ®iÓm M cã thÓ x¸c ®Þnh b»ng mét vÐct¬ më réng r: (5.30) Nh­ ®· tr×nh bµy trong ch­¬ng III, k lµ hÖ sè tû lÖ cã gi¸ trÞ kh¸c sè kh«ng vµ khi k = 1 th× c¸c to¹ ®é biÓu diÔn b»ng to¹ ®é cã thùc. Nh­ vËy, ®Ó x¸c ®Þnh to¹ ®é thùc cña ®iÓm M chia 3 thµnh phÇn ®Çu cña vect¬ më réng (5.30) cho thµnh phÇn thø 4: Ma trËn biÕn ®æi chiÕu h×nh cã thÓ x¸c ®Þnh nh­ sau: (5.31) VËy tÝch cña Ac lµ mét vect¬ (5.32) C¸c thµnh phÇn cña vect¬ më réng lµ to¹ ®é cña camera trong kh«ng gian gÇn to¹ ®é thuÇn nh©t. §Ó x¸c ®Þnh c¸c thµnh phÇn thùc trong hÖ to¹ ®é g¾n liÒn víi camera tøc lµ c¸c thµnh phÇn cña vect¬ rc (x,y,z) chia 3 thµnh phÇn ®Çu cña vect¬ më réng cho thµnh phÇn thø 4, ta cã: (5.33) §èi chiÕu víi (5.24) vµ (5.28) nhËn thÊy hai thµnh phÇn ®Çu cña vect¬ rc chÝnh lµ h×nh chiÕu cña ®iÓm M (X,Y,Z) lªn mÆt ph¼ng cña camera. Thµnh phÇn thø 3 kh«ng tån t¹i trªn mÆt ph¼ng chiÕu vµ lµ biÕn sè tù do khi biÕn ®æi ng­îc. BiÕn ®æi ng­îc khi chiÕu h×nh lµ phÐp biÕn ®æi c¸c ®iÓm tõ h×nh chiÕu trªn mÆt ph¼ng chiÕu thµnh c¸c ®iÓm t­¬ng øng trong kh«ng gian 3 chiÒu, tõ ph­¬ng tr×nh (5.32) ta cã: (5.34) Víi: (5.35) Gi¶ sö r»ng (x0, y0, 0) lµ to¹ ®é cña ®iÓm ®ang xÐt trªn h×nh chiÕu. Gi¸ trÞ 0 theo to¹ ®é Z chøng tá r»ng mÆt ph¼ng chiÕu n»m ë to¹ ®é Z = 0. cã thÓ biÓu diÔn ®iÓm nµy trong kh«ng gian to¹ ®é thuÇn nhÊt (5.36) Thay vµo (5.34) ta cã: (5.37) Vµ trong hÖ täa ®é X, Y, Z ta cã: r = (5.38) §©y lµ tr­êng hîp kh«ng chØ lµ h×nh chiÕu cña mét ®iÓm mµ lµ cña tÊt c¶ c¸c ®iÓm trong kh«ng gian X, Y, Z n»m trªn cïng mét ®­êng th¼ng- ®­êng th¼ng ®i qua c¸c ®iÓm (x0, y0, 0) vµ (0,0,l). Nh­ vËy tõ (5.24) vµ (5.25) ta cã ph­¬ng tr×nh cña ®­êng th¼ng nµy trong hÖ to¹ ®é X, Y, Z nh­ sau : (5.39) (5.40) Râ rµng lµ nÕu chØ biÕt to¹ ®é h×nh chiÕu cña mét ®iÓm (x0, y0) trªn mÆt ph¼ng chiÕu th× ch­a ®ñ ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña ®iÓm ®ã trong kh«ng gian 3 chiÒu, mµ cÇn ph¶i bæ sung thªm th«ng tin kh¸c, vÝ dô, to¹ ®é Z. Bëi thÕ thµnh phÇn thø 3 cña vect¬ rc ph¶i lµ biÕn sè tù do thay v× sè 0 tøc lµ : (5.41) VËy thay vµo (5.35) ta cã : (5.42) Sau khi chia thµnh 3 thµnh phÇn ®Çu cña vect¬ më réng r cho thµnh phÇn thø 4 ®Ó biÕn ®æi vÒ to¹ ®é X, Y, Z ta cã : (5.43) (5.44) (5.45) Tõ (5.45) rót ra Z vµthay vµo (5.43) vµ (5.44) ta cã: X = (5.46) Y = (5.47) 3.2. C¸c ph­¬ng tr×nh c¬ b¶n cña hÖ thèng camera. C¸c ph­¬ng tr×nh (5.32) vµ (5.33) lµ c¸c ph­¬ng tr×nh c¬ b¶n cña hÖ H×nh 5 -16 : S¬ ®å bè trÝ hÖ thèng camera.HÖ thèng camera. Tuy nhiªn khi thµnh lËp c¸c ph­¬ng tr×nh trªn ta ®· xem tr­êng hîp ®Æc biÖt lµ hÖ to¹ ®é camera x, y, z trïng víi hÖ to¹ ®é c¬ b¶n X, Y, Z d­íi ®©y xem xÐt tr­êng hîp chung khi x, y, z kh«ng trïng X, Y,Z. Trªn h×nh 5-16 ký hiÖu M lµ mét ®iÓm kh«ng gian ®­îc x¸c ®Þnh trong hÖ to¹ ®é c¬ b¶n X, Y, X vµ ®iÓm gèc hÖ toa ®é x, y, z ®Æt ë tam mÆt ph¼ng chiÕu, c¸ch t©m khíp quay mét kho¶ng c¸c biÓu thÞ b»ng rp (r1, r2,r3). Vậy điểm gốc của hệ tọa độ x,y,z xác định trong hệ tọa độ X,Y,Z bằng véc tơ r0 r0 = rk + rp (5.48) Khớp quay ở điểm đặt camera đảm bảo góc quay a giữa các trục x và X, góc nghiêng q giữa các trục z và Z. Từ đó ma trận biến đổi hệ tọa độ giữa x,y,z và X,Y,Z như đã trình bày ở chương III, có thể xác định như sau: Trong đó: (5.49) A0 = R(x,a) . R(z,q) - ( Xk + r1 ) - ( Yk + r2 ) - ( Zk + r3 ) 0 0 0 1 1 0 0 0 (5.50) R(x,a) = 0 Cosa sina 0 0 - sina cosa 0 0 0 0 1 cosq sinq 0 0 (5.51) R(z,q) = - sinq cosq 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 Sau phép biến đổi (4.49) có thể áp dụng trường hợp (4.31), (4.32) ta có: =Ac.A0. (5.52) 3.3. Phép chiếu hình lập thể (stereo). Như ở phần trên đây đã đề cập tới, một điểm trên mặt phẳng chiếu có thể là hình chiếu của nhiều điểm trong không gian, vì thế chưa thể xác định được vị trí thực của nó trong không gian ba chiều. Để hình dung được chiều sâu của hình ảnh cần đến phép chiếu lập thể (stereo). Phép chiếu lập thể cần đến 2 chiếu x1, y1 và x2, y2 của cùng một điểm M trong không gian (hình 4.17). Khoảng cách giữa hai tiêu cự của 2 thấu kính gọi là khoảng chuẩn B. Hình 5 - 17. Sơ đồ phép chiếu lập thể Nhiệm vụ đặt ra là phải xác định được tọa độ X,Y,Z của điểm M thông qua các tọa độ hình chiếu x1, y1 và x2, y2 của nó. Giả sử rằng các camera như nhau và cả hai hệ tọa độ gắn liền với camera hoàn toàn trùng khớp nhau, chỉ khác vị trí gốc ban đầu. Cũng như ở phần trên, khi cho các hệ tọa độ gắn liền với các camera trùng với hệ tọa độ cơ bản thì mặt phẳng chiếu xy trùng với mặt phẳng ZY. Khi làm như vậy tọa độ Z của điểm M được giữ như nhau đối với cả hai hệ tọa độ camera. Khi cho hệ tọa độ camera thứ nhất trùng với hệ tọa độ cơ bản X, Y, Z như hình 5-18 ta có: X1 = (l -Z1) (5.53) Tương tự làm như vậy đối với camera thứ hai ta có: X2 = (l -Z2) (5.54) Hình 5-18: hình5-17 nhìn từ trên xuống khi cho trùng hệ tọa độ camera Nhờ có các điều kiện, như đã nêu ở trên X2 =X1 + B (5.55) Z2 =Z1 = Z Từ (5.53) - (5.54) ta có: X2 = X1 + B = ( l - Z1) (5.56) Từ (5.55) - (5.56) ta có: Z = l - (5.57) Như vậy các tọa độ X, Y, Z của điểm M trong không gian 3 chiều hoàn toàn được xác định bằng (5.39), (5.40), (5.57) 3.4. Mô tả quan hệ robot và camera. Phương trình (5.34) cho biết tọa độ điểm của vật thể trong không gian 3 chiều X, Y, Z (véctơ ) thông qua thông tin về hình chiếu của điểm đó (véctơ ) trên mặt phẳng chiếu của camera. Ma trận (5.35) mô tả sự chuyển đổi từ hệ tọa độ gắn liền với camera sang hệ tọa độ cơ bản và có thể biểu thị tổng quát hơn cho cả vật thể là ma trận CAM. Theo các ký hiệu đã trình bày ở phần ví dụ trong phần 5.22 thì P mô tả vị trí trạng thái (vị trí và định hướng) của chiếu chốt vật thể trong hệ tọa độ gốc (hệ tọa độ cơ bản X, Y, Z). Vậy ở đây có thể biểu thị: P = CAM PC (5.58) với PC mô tả vật thể đang trong vị trí trạng thái của vật thể được xác định theo mối quan hệ bố trí không gian của robot, ví dụ (4.19) thì từ (4.60) có thể xác định ma trận chuyển đổi từ hệ tọa độ gắn liền với camera sang hệ tọa độ cơ bản: CAM = PPC1 (5.59) 4. Thể hiện chương trình thao tác của robot. Chương trình thao tác của robot thực hiện các nhiệm vụ được giao. Nhiệm vụ đó được mô tả bằng một dãy liên tiếp các vị trí thao tác. Trong ví dụ là thao tác từ p1 đến p8 (hình 5.8). Các thao tác này được thể hiện bằn một chương trình, trong đó từ các phương trình từ (5.5) đến (5.12) tương ứng với các thao tác từ p1 đến p8, cần xác định ra T, ứng với mỗi vị trí trạng thái của điểm cuối của tay robot trong hệ tọa độ cơ bản (hệ tọa độ cố định). Ví dụ, ứng với thao tác p1, từ (5.5) ta viết: ZT6E= PPA (5.60) Tacó: T6E = Z-1PPA (5.61) Và cứ thế tiếp đến p2 cho đến p8 Nhưng trước khi thể hiện chương trình các thao tác đó, cần sử dụng thêm 2 biến: COORD – Mô tả hệ tọa độ ứng với vị trí đang xét TOOL – Mô tả dụng cụ đang được sử dụng. Như vậy tất cả các phương trình (tương tự 5.61) ứng với các vị trí thao tác đều có thể viết dưới dạng sau: T6TOOL = COORD POS (5.62) Ví dụ, ứng với thao tác p1 ta có : COORD : = - Z + p TOOL : = E Và thao tác là: MOVE PA: Trong cách viết trên, dùng dấu (+) để chỉ phép nhân ma trận và dấu (-) để chỉ phép nhân ma trận nghịch đảo. Theo đó, chương trình thể hiện các thao tác của robot từ p1 đến p8 có thể viết như sau: TOOL : = E Gắn dụng cụ FOR I : = 1,2 DO BEGIN READ (CAMERA, PC): Thông tin từ camera P : = CAM + PC Vị trí của chốt COORD : = - Z + P Tọa độ của chốt MOVE PA: Hướng tới chốt MOVE PG : Sắp kẹp chốt GRASP : Kẹp TOOL : = E – PG Dụng cụ bay giờ bao gồn bàn kẹp đã kép chốt. MOVE PD : Vị trí xuất phát (bắt đầu mang chốt đi) HT : = HR [I] Vị trí lắp vao lỗ COORD : = - Z + H + HT Tọa độ cua lỗ MOVE PHA : Hướng tới lỗ MOVE PCH : Chạm vào lỗ MOVE PAL : Đặt đồng tâm với lỗ (lúc chuẩn bị lắp ) MOVE PN : Lắp vào lỗ RELEASE : Dời đi COORD : = - Z + H + HT + PN Tọa độ của lỗ đã lắp TOOL : + E MOVE PA END 5. Chuyển động giữa các điểm tựa 5.1. Đặt vấn đề. Khi lập trình quỹ đạo chuyển động robot để thực hiện nhiệm vụ đặt ra, thông thường cần biết vị trí và định hướng các khâu tác động cuối của robot ở những điểm khác nhau trong không gian thao tác. Gọi chúng là các điểm tựa. Các điểm tựa này bao gồm các vị trí bắt buộc phải đi qua để thực hiện nhiệm vụ và cả những vị trí cũng phải đi qua để tránh chướng ngại vật trên đường đi. Tùy theo công việc và môi trường làm việc của robot mà quyết định số lượng các điểm tựa. Khi biết vị trí và định hướng của khâu tác động cuối theo các phương pháp giải bài toán động học ngược, xác định được các giá trị biến khớp (tọa độ suy rộng) để đ