GIỚI THIỆU VỀ ROBOT
Lịch sử phát triển của robot công nghiệp
Nhu cầu nâng cao sản xuất và chất lượng sản phẩm đang thúc đẩy việc ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa Xu hướng hiện nay là phát triển các dây chuyền thiết bị tự động linh hoạt, thay thế dần các máy tự động "cứng" chỉ phục vụ một công việc cụ thể Thị trường không ngừng thay đổi về chủng loại, kích cỡ và tính năng sản phẩm, dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng nhu cầu ứng dụng Robot trong việc chế tạo hệ thống sản xuất tự động linh hoạt.
Thuật ngữ Robot xuất hiện vào năm 1920 trong một tác phẩm văn học của nhà văn tiệp khắc có tên là Karel Capek.
Thuật ngữ "robot công nghiệp" (IR) lần đầu tiên được giới thiệu tại Mỹ bởi công ty AMF (American Machine and Foundry Company), với mục đích quảng bá một thiết bị có hình dáng và chức năng tương tự như tay người Thiết bị này, mang tên Versatran, được điều khiển tự động để thực hiện các thao tác sản xuất.
Quá trình phát triển của IR được tóm tắt như sau:
- Từ những năm 1950 ở mỹ xuất hiện nhiều viện nghiên cứu đầu tiên
- Vào những năm 1960 xuất hiện sẳn phẩm đầu tiên gọi là versatran của công ty AMF.
- Ở Anh người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR theo bản quền của Mỹ từ những năm 1967.
- Ở các nước tây Âu khác như: Đức, ý, Pháp, Thụy Điển thì bắt đầu chế tạo IR từ những năm 1970.
Nhật Bản là quốc gia đầu tiên ở Châu Á nghiên cứu ứng dụng công nghệ IR từ năm 1968 Hiện nay, trên toàn thế giới có hơn 200 công ty sản xuất thiết bị IR, trong đó Nhật Bản chiếm 80 công ty, Tây Âu có 90 công ty, Mỹ có 30 công ty, cùng với một số công ty từ Nga và Tiệp Khắc.
Tính năng làm việc của Robot ngày càng được cải thiện, đặc biệt là khả năng nhận biết và xử lý thông tin Vào năm 1967, tại trường Đại học Stanford (Mỹ), một mẫu Robot đã được phát triển theo mô hình “mắt-tay”, cho phép nhận biết và định hướng bàn kẹp dựa vào vị trí của vật kẹp thông qua các cảm biến Năm 1974, Công ty
Cincinnati, Mỹ, đã giới thiệu Robot điều khiển bằng máy vi tính mang tên T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai), có khả năng nâng vật nặng lên đến 40kg.
Robot là sự kết hợp giữa khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa và hệ thống điều khiển số ngày càng phong phú Sự phát triển của các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và trí tuệ nhân tạo đã góp phần nâng cao "tri thức" của robot, tạo ra những hệ chuyên gia thông minh hơn.
Trong những năm gần đây, sự phát triển của Robot ngày càng mạnh mẽ với việc nâng cao tính hoạt động thông qua việc trang bị các bộ cảm biến đa dạng để nhận biết môi trường xung quanh Những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực Tin học và Điện tự đã cho ra đời những Robot với nhiều tính năng đặc biệt Số lượng Robot ngày càng gia tăng, trong khi giá thành ngày càng giảm, giúp Robot công nghiệp trở thành một phần quan trọng trong các hệ thống dây chuyền sản xuất hiện đại.
Một vài số liệu về số lượng Robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp phát triển như sau:
Nước sản xuất Năm 1990 Năm 1994 Năm 1998
Mỹ là nước đầu tiên phát minh ra Robot, nhưng nước phát triển cao nhất trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo và sử dụng Robot lại là Nhật
Phân loại Robot (IR)
Theo loại hình, mức độ điều khiển và khả năng nhận biết thông tin của tay máy - người máy, các IR trên thế giới có thể được phân loại thành các thế hệ khác nhau.
- Thế hệ 1: thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dưới dạng chương trình cứng không có khả năng nhận biết thông tin.
- Thế hệ 2: thế hệ có điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình mềm bước đầu có khả năng tiếp nhận thông tin.
- Thế hệ 3: Thế hệ có kiểu điều khiển dạng tinh khôn, có khả năng nhận biết thông tin và bước đầu có khả năng lý trí của con người.
1.2.1 Phân loại tay máy theo cấu trúc sơ đồ động:
Cấu trúc chấp hành của tay máy công nghiệp thường được mô hình hóa dưới dạng chuỗi động, bao gồm các khâu và khớp, dựa trên nguyên lý máy với những giả thiết cơ bản.
- Chỉ sử dụng các khớp động loại 5 (khớp quay, khớp tịnh tiến, khớp vít).
- Trục quay hướng tịnh tiến của các khớp thì song song hay vuông góc với nhau.
- Chuỗi động chỉ là chuối động hỏ đơn giản.
Tay máy công nghiệp có 6 bậc tự do được mô tả qua chuỗi động với các khớp A, B, F là khớp tổng quát, cho phép quay hoặc tịnh tiến, trong khi các khớp D, E, K chỉ là khớp quay Các khâu được đánh số từ 0 cho giá cố định, tiếp theo là các khâu động từ 1 đến n, với khâu tổng quát ký hiệu là khâu I (i=1,2,…n), và khâu n cuối cùng mang bàn kẹp Giống như tay người, bàn kẹp của tay máy có 3 loại chuyển động, tương ứng với 3 dạng sơ đồ cấu trúc máy khác nhau.
Cấu trúc chuyển động toàn bộ của chân người giúp đưa tay máy đến vị trí làm việc một cách hiệu quả Cấu trúc này rất đa dạng và thường yêu cầu kiểm soát khi không phải là tay máy hoạt động trong hệ thống Tay máy thường được coi là đứng yên, với khâu 0 là giá cố định của tay máy.
Cấu trúc xác định bàn kẹp bao gồm các khớp A, B và F cùng với các khâu 1, 2 và 3, giúp điều khiển chuyển động của bàn kẹp đến vị trí làm việc Dựa trên giả thiết về loại khớp động sử dụng trong chế tạo máy thông thường, có thể xác định các phối hợp của các khớp, từ đó tạo ra những cấu trúc xác định vị trí của bàn kẹp trong không gian khác nhau.
Phối hợp TTT bao gồm 3 khớp tịnh tiến và 1 khớp quay Sơ đồ cấu trúc của hệ tọa độ Đề Các so với các tọa độ So cho thấy 3 điểm M nằm trên khâu của 3 khớp tịnh tiến cùng với một chuyển động quay, tương ứng với 2 tọa độ dài.
Phối hợp TRT, RTT, hay TTR bao gồm một khớp tịnh tiến và hai khớp quay, được thể hiện qua các sơ đồ cấu trúc 2, 3 và 4 Cấu trúc này hoạt động trong hệ tọa độ trụ, với điểm M nằm trên khâu 3, được xác định bởi hai chuyển động tịnh tiến và một chuyển động quay, tương ứng với hai tọa độ dài và một tọa độ góc.
Phối hợp RTR, RRT, hay TTR đại diện cho một khớp tịnh tiến kết hợp với hai khớp quay, thuộc các cấu trúc 5, 6, 7, 8, 9 và 10 Cấu trúc này hoạt động trong hệ tọa độ cầu so với hệ So, trong đó điểm M trên khâu 3 được xác định thông qua chuyển động tịnh tiến và hai chuyển động quay, tương ứng với một tọa độ dài và hai tọa độ góc.
Phối hợp RRR là cấu trúc gồm 3 khớp quay, hoạt động trong tọa độ góc so với tọa độ So Điểm M trên khâu 3 được xác định bởi 3 chuyển động quay, tương ứng với 3 tọa độ góc Cấu trúc này được gọi là cấu trúc phỏng sinh học.
Trong thực tế, đối với các tay máy chuyên dụng, việc chế tạo tay máy có đủ 3 khớp động không phải lúc nào cũng cần thiết, đặc biệt khi giá thành và đầu tư thấp Hiện nay, có hơn 250 loại tay máy công nghiệp, trong đó hơn 40% thuộc thế hệ thứ nhất với điều khiển đơn giản.
Sự phát triển của trí tuệ nhân tạo (IR) và vai trò ngày càng quan trọng của nó trong sản xuất và xã hội đã dẫn đến sự ra đời của ngành khoa học Robot học Trên thế giới, nhiều viện nghiên cứu chuyên về Robot đã được thành lập Tại Việt Nam, từ những năm 1980, đã có viện nghiên cứu về Robot, đánh dấu bước tiến trong lĩnh vực này.
Ứng dụng robot công nghiệp
1.3.1 Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp
Mục tiêu của việc ứng dụng Robot công nghiệp là tăng cường năng suất trong dây chuyền công nghệ, giảm chi phí sản xuất, cải thiện chất lượng sản phẩm và nâng cao khả năng cạnh tranh Ngoài ra, việc sử dụng Robot còn giúp cải thiện điều kiện lao động cho người lao động Những lợi ích nổi bật mà Robot công nghiệp mang lại bao gồm hiệu suất làm việc cao, giảm thiểu sai sót và tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Robot có khả năng thực hiện quy trình thao tác một cách ổn định và hiệu quả, thậm chí vượt trội hơn so với người thợ lành nghề Điều này không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn tăng cường khả năng cạnh tranh trên thị trường Hơn nữa, robot có thể nhanh chóng điều chỉnh công việc để thích ứng với sự thay đổi về mẫu mã và kích cỡ sản phẩm, đáp ứng nhu cầu thị trường.
Việc ứng dụng robot giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất nhờ vào việc cắt giảm chi phí lao động, đặc biệt ở các quốc gia có mức lương cao và các khoản phụ cấp lớn Theo số liệu từ Nhật Bản, chi phí mua một robot chỉ tương đương với chi phí lao động của một công nhân trong khoảng 3 đến 5 năm, tùy thuộc vào số ca làm việc của robot Tại Mỹ, mỗi giờ làm việc của robot mang lại lợi nhuận trung bình lên tới 13 USD.
Việc áp dụng Robot trong dây chuyền công nghệ có thể tăng năng suất sản xuất lên tới 3 lần, theo hãng Fanue, Nhật Bản Sự thay thế này giúp tăng nhịp độ làm việc mà không làm cho công nhân bị mệt mỏi Hơn nữa, ứng dụng Robot còn cải thiện điều kiện lao động, giảm thiểu sự tiếp xúc của người lao động với môi trường làm việc độc hại, bụi bặm, ẩm ướt và ồn ào Đây là những ưu điểm nổi bật mà chúng ta cần chú ý khi xem xét việc triển khai Robot trong sản xuất.
1.3.2 Một số lĩnh ứng dụng Robot công nghiệp
Kỹ nghệ đúc là một lĩnh vực đa dạng với điều kiện làm việc nóng nực và bụi bặm, nơi chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào quy trình thao tác Việc tự động hóa quá trình đúc bằng các dây chuyền tự động và máy móc chuyên dụng yêu cầu đầu tư lớn vào thiết bị phức tạp Hiện nay, nhiều quốc gia đã áp dụng robot để tự động hóa công nghệ đúc, chủ yếu phục vụ cho máy đúc áp lực Robot thực hiện nhiều công việc như rót kim loại nóng chảy vào khuôn, lấy vật đúc ra, cắt mép thừa, làm sạch và tăng độ bền cho sản phẩm Sử dụng robot trong quy trình này mang lại nhiều lợi ích như ổn định chế độ làm việc, chuẩn hóa thời gian thao tác và điều kiện tháo vật đúc, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm.
Trong ngành gia công áp lực, công việc nặng nề và mệt mỏi thường gặp, đặc biệt tại các xưởng rèn và dập, đòi hỏi việc áp dụng robot công nghiệp Tại phân xưởng rèn, robot có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ như đưa phôi vào lò nung, lấy phôi ra, mang đến máy rèn, chuyển lật phôi trong quá trình rèn và sắp xếp lại sản phẩm đã rèn Việc sử dụng robot, ngay cả loại đơn giản, có thể tăng năng suất từ 1.5 đến 2 lần và giảm nhẹ sức lao động cho công nhân So với các phương tiện cơ giới và tự động khác, robot vượt trội về tốc độ, độ chính xác và tính cơ động.
Các quá trình hàn và nhiệt luyện thường đòi hỏi nhiều công việc nặng nhọc, độc hại và diễn ra ở nhiệt độ cao, vì vậy việc áp dụng robot công nghiệp là cần thiết để nâng cao hiệu quả và đảm bảo an toàn cho người lao động.
Robot được sử dụng rộng rãi nhất là trong việc tự động hoá quá trình hàn, đặc biệt trong kỹ nghệ ô tô.
Robot đóng vai trò quan trọng trong gia công và lắp ráp, thường được sử dụng để tháo lắp phôi và sản phẩm cho các máy gia công như máy khoan, máy tiện và máy gia công bánh răng bán tự động.
Trong ngành chế tạo máy và dụng cụ đo, chi phí lắp ráp chiếm tới 40% giá thành sản phẩm, trong khi mức độ cơ khí hóa lắp ráp chỉ đạt từ 10% đến 15% đối với sản phẩm hàng loạt Do đó, việc phát triển và ứng dụng robot trong quy trình lắp ráp là vô cùng quan trọng để tối ưu hóa chi phí và nâng cao hiệu quả sản xuất.
Các xu thế sử dụng robot trong tương lai
Robot ngày càng thay thế nhiều lao động.
Trong tương lai, công nghệ Robot sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ nhờ vào những thành tựu khoa học liên ngành, cả về phần cứng lẫn phần mềm, và sẽ ngày càng chiếm lĩnh nhiều lĩnh vực trong ngành công nghiệp Sự gia tăng số lượng Robot thay thế lao động là do chi phí sản xuất Robot ngày càng giảm, trong khi đó, chi phí tiền lương và các khoản phụ cấp cho người lao động lại không ngừng tăng lên.
Robot càng chở nên chuyên dụng
Khi Robot công nghiệp ra đời, nhiều người cố gắng khai thác tối đa khả năng của chúng, dẫn đến sự phát triển của các Robot vạn năng có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ trên dây chuyền sản xuất Tuy nhiên, thực tế cho thấy Robot chuyên dụng lại đơn giản hơn, chính xác hơn và có khả năng học hỏi nhanh hơn, đồng thời giá thành cũng thấp hơn so với Robot vạn năng Các Robot chuyên dụng hiện đại thường được cấu thành từ các mô-đun vạn năng, và xu hướng mô-đun hóa Robot ngày càng phát triển, nhằm chuyên môn hóa việc chế tạo các mô-đun để tạo ra những kiểu Robot khác nhau phù hợp với từng loại công việc.
Robot ngày càng đảm nhận được nhiều loại công việc lắp ráp
Công đoạn lắp ráp đóng vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất, chiếm tỷ lệ lớn trong tổng thời gian Để đảm bảo chất lượng sản phẩm, công việc lắp ráp yêu cầu sự cẩn thận, nhẹ nhàng và chính xác, do đó cần những thợ có tay nghề cao và khả năng làm việc dưới áp lực trong suốt cả ngày.
Khả năng thay thế con người trong các quy trình lắp ráp đang trở nên khả thi nhờ vào việc áp dụng nhiều thành tựu khoa học tiên tiến trong thiết kế và chế tạo robot.
Robot công nghiệp hiện nay được thiết kế với các cấu hình đơn giản nhưng chính xác, sử dụng vật liệu bền và nhẹ Chúng áp dụng kỹ thuật nhận và biến đổi tín hiệu, đặc biệt là trong lĩnh vực xử lý ảnh và tin học với các ngôn ngữ lập trình cao cấp Nhờ đó, robot công nghiệp đã trở thành một phần quan trọng trong nhiều công đoạn lắp ráp phức tạp.
Robot di động càng trở nên phổ biến.
Trong các nhà máy hiện đại, phương tiện dẫn đường tự động AVG đã trở nên quen thuộc, với các xe vận chuyển nội bộ được điều khiển theo chương trình với quỹ đạo định sẵn Nhờ áp dụng các công nghệ hiện đại như kỹ thuật vision 3 chiều, cảm biến tín hiệu và thông tin vô tuyến, thiết bị này ngày càng linh hoạt hơn trong các phân xưởng Các Robot di động, hay còn gọi là Robocar, đang phát triển theo hướng mới, không chỉ di chuyển bằng bánh xe mà còn có khả năng di chuyển bằng chân, giúp thích nghi với mọi địa hình.
Robot đi bằng chân và tự leo bậc thang đang thu hút sự chú ý trong nghiên cứu Chúng không chỉ được ứng dụng trong ngành công nghiệp hạt nhân và quốc phòng, mà còn có tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực dân dụng.
Robot ngày càng trỏ nên tinh khôn hơn
Trí khôn nhân tạo đang thu hút sự chú ý trong nghiên cứu với nhiều mục đích khác nhau, đặc biệt là trong lĩnh vực kỹ thuật robot Các ứng dụng công nghiệp đã bắt đầu tích hợp các kết quả nghiên cứu về trí khôn nhân tạo thông qua việc sử dụng hệ chuyên gia, hệ thị giác nhân tạo, mạng nơron và nhận biết giọng nói Nhờ vào những thành tựu này, robot ngày càng có khả năng thực hiện nhiều nguyên công trên dây chuyền sản xuất, đáp ứng yêu cầu về sự tinh khôn trong công việc.
Thiết bị cảm biến đang thu hút sự chú ý từ nhiều ngành kỹ thuật và đã đạt được nhiều thành tựu mới trong thời kỳ phát triển mạnh mẽ của công nghệ vi xử lý Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng vào kỹ thuật robot, từ đó nâng cao khả năng thông minh của các thiết bị.
Trong ngành công nghiệp, các loại robot thông minh đang được chú trọng, bao gồm robot có cảm biến nhận biết khoảng cách để tránh vật cản, cảm biến màu sắc để phân loại, và cảm biến lực cho quá trình lắp ráp Khi được trang bị các modul này, robot sẽ mang những tên gọi mới như robot “nhìn được”, robot “lắp ráp”, và robot “cảnh báo” Để nâng cao tính thông minh của robot, ngoài việc lắp đặt các modul cảm biến nội và ngoại tín hiệu, việc phát triển phần mềm tự thích nghi và tự xử lý tình huống cũng đóng vai trò quan trọng.
Bằng cách bổ sung các mô-đun cảm biến và phần mềm phù hợp, nhiều loại robot có thể được nâng cấp để thông minh hơn Tuy nhiên, các robot này cần có cơ cấu chấp hành linh hoạt và chính xác Hiện nay, có nhiều loại robot thông minh không chỉ hoạt động hiệu quả trong các xưởng công nghiệp mà còn có khả năng thao tác trên các địa hình phức tạp, bao gồm robot vũ trụ, robot tự hành và robot cần cẩu, được tạo ra từ các mô-đun robot song song.
TÌNH HÌNH TIẾP CẬN VÀ ỨNG DỤNG ROBOT CÔNG NGHIỆP Ở VIỆT NAM
Trước năm 1990, kỹ thuật robot hầu như chưa được du nhập vào Việt Nam và thông tin về lĩnh vực này rất hạn chế Tuy nhiên, nhằm tiếp cận công nghệ mới, Việt Nam đã triển khai các đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước, bao gồm đề tài 58.01.03 (1981-1985) và 52B0.03.01 (1986-1989) Những kết quả từ các đề tài này không chỉ đáp ứng yêu cầu tiếp cận công nghệ mà còn có những ứng dụng ban đầu trong lĩnh vực bảo hộ lao động và đào tạo cán bộ.
Giai đoạn 1990 đánh dấu sự đổi mới trong các ngành công nghiệp trong nước, khi nhiều cơ sở bắt đầu nhập khẩu dây chuyền thiết bị mới Đặc biệt, một số doanh nghiệp liên doanh với nước ngoài đã đưa vào sử dụng các loại robot để phục vụ cho nhiều công việc khác nhau.
- Tháo lắp các dụng cụ cho các trung tâm gia công hoặc các máy CNC.
- Lắp ráp các linh kiện điện tử.
- Tháo sản phẩm ở các máy ép nhựa tự động trong đó có loại thao tác phối hợp với hệ thống giám sát, điều khiển bằng camera.
- Phun phủ các bề mặt.
Nhiều cơ sở trong nước khi mua dây chuyền sản xuất đã không đưa robot vào danh mục thiết bị cần thiết Tuy nhiên, một số cơ sở nhận ra rằng việc có robot là cần thiết để đảm bảo chất lượng sản phẩm đúng như thiết kế ban đầu Do đó, nhu cầu về các robot này đã gia tăng đáng kể.
Vào tháng 4 năm 1998, nhà máy Rorze/Robotech chính thức hoạt động tại khu công nghiệp Nomura Hải Phòng, trở thành nhà máy đầu tiên ở Việt Nam chuyên chế tạo và lắp ráp robot Những robot này có cấu trúc đơn giản nhưng chính xác, phục vụ cho sản xuất chất bán dẫn.
Rozre/Robotech có vốn đầu tư 46 triệu USD do Nhật Bản đầu tư.
Trong những năm gần đây, việc ứng dụng Robot trong dây chuyền sản xuất ngày càng trở nên phổ biến tại các doanh nghiệp, đặc biệt trong ngành sản xuất và lắp ráp ô tô cũng như linh kiện điện tử Các loại Robot như Robot hàn và Robot phun sơn được sử dụng rộng rãi do yêu cầu về độ chính xác cao và công việc lặp lại có thể gây mệt mỏi cho con người Hơn nữa, nhiều phân xưởng sản xuất hiện nay cũng áp dụng xe Robocar và Robot trong những môi trường độc hại, nơi thường xuyên tiếp xúc với hóa chất độc hại, nhằm thay thế con người trong các công việc nguy hiểm.
Hiện nay, nhiều trường Đại học như Bách Khoa Hà Nội, Bách Khoa TPHCM và Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM đã thành lập bộ môn chuyên ngành về Robot, thu hút sự quan tâm của sinh viên Kể từ năm 2002, VTV3 đã tổ chức cuộc thi sáng tạo Robot châu Á Thái Bình Dương, tạo cơ hội cho sinh viên các trường kỹ thuật tham gia Tại Đại học Nha Trang, bộ môn Cơ Điện Tử cũng đã được thành lập, nhưng do mới ra đời, lĩnh vực Robot vẫn chưa phát triển mạnh mẽ và chưa thu hút nhiều sinh viên tìm hiểu Đây là nghiên cứu đầu tiên về lĩnh vực này, nên trong quá trình thực hiện gặp không ít khó khăn.
THIẾT KẾ CẤU TRÚC ROBOT TÍNH TOÁN- THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC
Phân tích nhiệm vụ tay máy và đặc điểm của phôi
Tay máy có nhiệm vụ chuyển phôi từ vị trí cấp phôi đến vị trí gia công, sau khi gia công hoàn tất, sẽ di chuyển chi tiết vừa gia công đến vị trí thành phẩm và lặp lại quy trình này.
Phôi là khối vật thể hình trụ tròn, hoặc hình khối lập phương.
Phôi là khối trụ tròn, được xác định bởi tọa độ tâm và bán kính của các tiết diện hình tròn Sự tiếp xúc giữa phôi và tay kẹp có thể diễn ra dưới dạng tiếp xúc đường hoặc tiếp xúc theo mặt cung tròn.
Phôi hình khối lập phương được đặc trưng bởi tọa độ tâm và kích thước chiều dài, chiều rộng của các tiết diện tiếp xúc giữa phôi và tay kẹp, trong trường hợp này là mặt phẳng.
Từ việc phân tích nhiệm vụ tay máy và đặc điểm của phôi ta có thể có nhiều phương án thiết kế robot.
Chọn phương án thiết kế
2.2.1 Phân tích các phương án.
Phương án 1 và phương án 2 là hai giải pháp phổ biến trong thực tế, trong đó phương án 1 được ưa chuộng hơn nhờ cấu trúc đơn giản với toàn bộ khớp quay Điều này cho phép chỉ cần sử dụng một loại cảm biến vị trí góc, giúp việc lập trình điều khiển trở nên dễ dàng hơn.
Hai phương án này chỉ thực sự linh hoạt khi có thêm một bậc tự do ở cổ bàn tay nắm bắt công cụ, dẫn đến tổng cộng là bốn bậc tự do.
Phương án 3 và phương án 4 là hai dạng ít được sử dụng hơn vì độ linh hoạt của robot không cao, không gian làm việc thường bị giới hạn.
Phương án 4 có hai khớp quay, mang lại kết cấu đơn giản hơn so với Phương án 2 và Phương án 3 Khi so sánh với Phương án 1, mặc dù kết cấu của Phương án 1 đơn giản hơn, nhưng không thể thực hiện yêu cầu sử dụng truyền động vít me-đai ốc Do đó, Phương án 4, với hai khớp quay và một khớp tịnh tiến, là lựa chọn phù hợp cho đề tài.
2.2.2: Sơ đồ động và hệ tọa độ tay máy.
Tay máy có 3 bậc tự do với cấu hình RTR, bao gồm hai khớp quay và một khớp tịnh tiến, trong đó các trục khớp được sắp xếp theo phương thẳng đứng Sơ đồ động và hệ tọa độ được gắn trên các khâu của robot thể hiện rõ ràng cấu trúc hoạt động của nó.
Hình 2: Gắn hệ tọa độ lên các khâu của robot Bảng 2.1: Bảng thông số D-H của Robot.
Trong đó - là góc quay của toàn tay máy quanh trục
- là góc quay của cánh tay quay trục như hình vẽ.
- ,là độ dài đường vuông góc chung giữa 2 trục khớp động.
- là độ dịch chuyển theo phương thẳng đứng của cánh tay.
Chọn kích thước cơ bản cho robot với miền làm việc được xác định trong vùng diện tích hình vành khăn, có bán kính ngoài là R500 và bán kính trong là R176.
- Chiều cao làm việc là 400mm.
- Chiều cao tối thiểu đặt phôi là 400 mm.
- Góc quay của các khớp tay là : 0 180 0 ,0180 0
- Đường kính phôi có thể kẹp là 25 d 50 mm.
- Tải trọng vật nâng chọn 0,1kg.
TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC TAY MÁY
2.3.1 Giải bài toán động học thuận. Để mô tả quan hệ về hướng và vị trí của hệ tọa độ gắn trên hai khâu liền nhau ta biểu diễn bằng một ma trận Ai Ta có thể thiết lập mối quan hệ giữa các hệ tọa độ nối tiếp nhau bởi các phép quay và tịnh tiến sau đây:
Quay quanh Zn-1 một góc n Tịnh tiến dọc theo Zn-1 một đoạn dn.Tịnh tiến dọc theo Xn một đoạn an.Quay quanh Xn một góc n
Khi đó ma trận Ai có dạng như sau:
Ai = Rot (z, 0 ) Trans(a,0,0) Trans (0,0, d) Rot (x, ) Hay : Ai Qui ước viết tắt các hàm lượng giác như sau :
-Ma trận chuyển đổi hệ tọa độ từ khâu 0 sang khâu 1:
-Ma trận chuyển đổi hệ toạ độ từ khâu 1 sang khâu 2:
- Ma trận chuyển đổi hệ toạ độ từ khâu 2 sang khâu 3:
Phương trình động học của tay máy.
Từ đó ta có hệ phương trình: (1) n= n= n= 0 s= 0 a=
Để xác định vị trí và hướng của bàn tay robot, ta cần tính giá trị của biến khớp và các phần tử của ma trận T3 thông qua các phương trình trong hệ thống đã cho.
Ma trận T3 thể hiện hướng và vị trí của hệ tọa độ gắn trên khâu chấp hành cuối so với hệ tọa độ gốc Trong ma trận này, các véctơ chỉ phương đại diện cho hệ tọa độ gắn trên khâu chấp hành cuối, trong khi véctơ điểm chỉ ra vị trí của gốc hệ tọa độ trên khâu chấp hành cuối.
2.3.2 Giải bài toán động học ngược a) Dẫn dắt.
Trong quá trình điều khiển robot, chúng ta thường biết trước vị trí và hướng mà khâu chấp hành cuối cần đạt được Để xác định giá trị của các biến khớp như góc quay và độ dài tịnh tiến tại thời điểm đó, cần giải hệ phương trình động học ngược Khi đã có hướng và vị trí của hệ tọa độ gắn trên khâu chấp hành cuối, ta có thể tìm ra tập nghiệm (θ1, d) tương ứng với các biến khớp Hệ phương trình này sử dụng các véctơ để xác định giá trị các biến khớp, từ đó giải quyết bài toán động học ngược của robot.
Điều kiện tồn tại nghiệm: điều kiện này nhằm khẳng định có ít nhất một tệp nghiệm ( 1 , d, ) sao cho robot có hình thể cho trước.
Điều kiện duy nhất của tệp nghiệm: cần phân biệt rõ hai loại nghiệm.
- Nghiệm toán: Các nghiệm này thỏa mãn các phương trình cho trước của T3.
Nghiệm vật lý là các tệp con của nghiệm toán, được xác định bởi các giới hạn vật lý như góc quay và kích thước, nhằm tìm ra tệp nghiệm duy nhất Một phần quan trọng trong nghiên cứu này là giải bài toán động học ngược để phân tích chuyển động và xác định các yếu tố ảnh hưởng.
Ta xác định các kích thước của robot cho trước:
Vận chuyển sản phẩm hình trụ đường kính d@mm, chiều dài l`mm, nặng 0,5kg trên băng tải (băng tải cao 500mm) ở vị trí P2 đến để trên giá ở vị trí P5
Bảng 2.2: Thông số các điểm làm việc trên quỹ đạo chuyển động của tay kẹp P Điểm A14 A24 A34
- Ta có ma trận mô tả hướng và vị trí của vật trên băng tải so với hệ tọa độ O0 là:
X -Ta có ma trận mô tả hướng và vị trí đặt vật so với hệ tọa độ gốc O0 là:
Ma trận R mô tả hướng và vị trí của điểm đặt vật trên băng tải so với hệ tọa độ gắn với bàn tay kẹp, trong khi ma trận P thể hiện hướng và vị trí của vật so với hệ tọa độ tương tự.
Sử dụng Matlap để tìm hai ma trận R và P, ta có:
Ma trận P là : c) Phương pháp giải bài toán
- Input: Ma trận T là tích các ma trận thành phần đã tính ở phần 1
Ma trận A là tọa độ thực đã biết.
- Output: Kết quả của biến khớp qi ( i = 1,2,3).
Bài toán động học thuận yêu cầu xác định chuyển động của các tọa độ khâu thao tác dựa trên chuyển động của các tọa độ khớp Để giải bài toán động học ngược cho robot gắp vật 3 bậc tự do, chúng ta sử dụng phần mềm EXCEL, đặc biệt là gói công cụ Solver Ngược lại, trong bài toán động học ngược, với chuyển động của các tọa độ thao tác đã biết, mục tiêu là xác định chuyển động của các tọa độ khớp Các phương pháp giải bài toán động học ngược được chia thành hai nhóm chính: phương pháp giải tích và phương pháp số.
Sau đây em sẽ trình bày phương pháp giải tích để giải bài toán động học ngược cho robot gắp vật 3 bậc tự do.
- Từ ma trận TE ta được hệ phương trình động học nghịch:
Với a14, a24, a34, là các tọa độ thực đã biết.
Vì Robot gắp vật có 3 bậc tự do,nên ta chỉ cần cần thiết lập 3 phương trình để giải ra 3 ẩn tương ứng. d) Giải bài toán trên EXCEL:
Bước 1: Nhập các dữ liệu cần thiết cho việc tính toán
+ Dữ liệu về Px,Py,Pz Vì robot có 3 bậc tự do nên ta lấy 3 phương trình + Khởi tạo các biến khớp q1, q2, q3 đều bằng 0
+ Khởi tạo các giá trị trong ma trận A: a14, a24, a34 đều bằng 0
+ Ta chọn giá trị các thông số: a2= 176, a3= 324, 0 180 0 ,0180 0 ,
Bước 2: Tính các giá trị Fi và tổng F của chúng
Bước 3: Dùng công cụ Solver tìm biến khớp q1, q2, q3
Trước tiên ta phải lấy gói công cụ Solver ra trước bằng đường dẫn sau:+ Thiết lập cơ bản
Hình 2.2: Thiết lập cơ bản trong Excel Ở đây ta dùng phương pháp GRG thực hiện trên Matlab và Excel:
Ta chọn giá trị các thông số : a2= 176, a3= 324
+ Khai báo nhãn cho các thông số đầu vào và gán giá trị ban đầu bằng 0.
Hình 2.3: Khởi tạo ban đầu
+ Thiết lập trong Solver ( các biến , hàm F, add, option)
Hình 2.4: Thiết lập trong solver
+ Tính các phần tử Fi và tính tổng F của chúng bằng hàm SUM.
Nhập chiều dài khâu và tọa độ điểm làm việc của tay kẹp, sau đó sử dụng công cụ tính toán Solver để xác định giá trị các biến khớp.
Ma trận toạ độ thực và ma trận toạ độ lí thuyết:
Giá trị thu được từ việc giải bài toán động học ngược là một tập hợp các thông số của các biến khớp tương ứng với điểm pi trong không gian làm việc.
Tọa độ và vị trí ở các thời điểm của cánh tay robot:
P1= , P2 P3= , P4 P5= , P6 Mô tả cách xác định các điểm keypoint trong chu trình như sau:
P1: (Home) đây là điểm khởi xuất làm việc từ tư thế nghỉ mở kẹp
P2: Bàn tay hiệu chỉnh góc, dịch xuống 70mm hướng thẳng đứng tiếp cận vật, kẹp chặt vật.
P3: Bàn tay di chuyển lên vị trí P1 thẳng đứng một đoạn 70mm tránh va đập với đồ gá.
P4: Bàn tay di chuyển qua điểm đặt vật
P5: bàn tay di chuyển xuống 70mm, mở kẹp nhả vật vào vị trí đã định
P6: treo bàn tay về điểm P4 như trước khi hạ vật xuống để tránh va đập. P1: Về lại vị trí home hoàn thành chu kỳ thao tác.
Hình 2.7: Toạ độ các điểm của tay kẹp và giá trị các biến khớp tương ứng
Sau khi xác định vị trí làm việc của cánh tay robot, chúng ta có thể sử dụng công cụ Solver trong Excel để tìm ra các bộ thông số tương ứng cho các biến khớp.
Bảng 2.3: Bộ thông số biến khớp tại các điểm làm việc tương ứng
Sau khi hoàn thành các bài toán động học cho Robot 3 bậc tự do, chúng ta có thể xác định hướng và vị trí của tay kẹp từ các biến khớp qi Từ đó, ta tìm được bộ biến khớp qi phù hợp với yêu cầu bài toán Sử dụng các phần mềm như Matlab, Excel và Word, việc giải quyết bài toán trở nên dễ dàng hơn, giúp xác định vị trí điểm tác động cuối, hướng và vận tốc của khâu cuối, cũng như gia tốc của bất kỳ khâu nào trong không gian, và phạm vi hoạt động của Robot.
QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT
Cơ sở lý thuyết
Quỹ đạo không gian khớp có dạng hàm bậc 3:
Phương trình tiếp tuyến với quỹ đạo U(t) hay phương trình vận tốc tại thời điểm t là :
- Điều kiện về vận tốc công nghệ tại điểm đầu và cuối quỹ đạo.
- Điều kiện chuyển tiếp trơn tại điểm chuyển tiếp:
Ta có hệ phương trình:
Giải hệ phương trình trên ta được các hệ số của phương trình
Một số câu lệnh trong M atlab
Hold on : giữ đồ thị trước đó vẽ tiếp vào.
Grid on: chia lưới đồ thị.
Plot ( t,u,’LineWidth’,3) : tăng độ nét dày hơn cho đường đồ thị lên 3 lần.
Phương trình nội suy
Bước 1: Tính các hệ số góc ( vận tốc trung bình trên các đoạn ):
Tính lần lượt từ k1 đến k5
Bước 2: Tìm hệ số góc chuyển tiếp tại các điểm chốt: (Kc ij)
Tính lần lượt từ Kc 12 đến Kc 45 theo điều kiện chuyển dấu của các Ki.
Bước 3: Xác định các hệ số cho đa thức nội suy dựa theo điều kiện đi qua và điều kiện vận tốc:
Mô tả cách xác định các điểm keypoint trong chu trình như sau:
P1: (Home) đây là điểm khởi xuất làm việc từ tư thế nghỉ mở kẹp
P2: Bàn tay hiệu chỉnh góc, dịch xuống 70mm hướng thẳng đứng tiếp cận vật, kẹp chặt vật.
P3 : Bàn tay di chuyển lên vị trí P1 thẳng đứng một đoạn 70mm tránh va đập với đồ gá.
P4: Bàn tay di chuyển qua điểm đặt vật
Bàn tay di chuyển xuống 70mm để mở kẹp và thả vật vào vị trí đã định Sau đó, treo bàn tay về điểm P4 như trước khi hạ vật xuống nhằm tránh va đập Cuối cùng, trở về vị trí home để hoàn thành chu kỳ thao tác.
Kết quả chuyển vị được thể hiện như một đặc tính điều khiển thay đổi theo thời gian, với các mốc thời gian được mô tả trên trục hoành.
Giải hệ phương trình ta được các hệ số của phương trình Ui(t) của khớp qi như sau:
3.3.2: Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của tay kẹp của robot
Sử dụng công cụ Matlab để vẽ đồ thị biến khớp q theo thời gian t