Giáo trình Robot công nghiệp

TỔNG QUAN VỀ ROBOT

Sơ lƣợc về quá trình phát triển

Ngành công nghiệp đã trải qua bốn giai đoạn phát triển chính, bắt đầu từ những máy móc đơn giản nhất và tiến tới những thiết bị tinh vi, thông minh và phức tạp.

Hình 1.1: Lịch sử 4 cuộc cách mạng công nghiệp

Giai đoạn I của cuộc cách mạng công nghiệp diễn ra vào cuối thế kỷ 18 và đầu thế kỷ 19, bắt đầu với sự phát triển sản xuất hàng hóa trong ngành công nghiệp dệt Sự phát triển của thương mại đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng các kênh đào giao thông và đường sắt Đặc biệt, động cơ hơi nước đã dẫn đến sự gia tăng năng suất lao động đột biến Trong hai thập kỷ đầu của thế kỷ 19, sự phát triển của máy móc đã thúc đẩy việc chế tạo thiết bị phục vụ cho các ngành sản xuất khác.

Chương I: Tổng quan về Robot

Giáo trình : Robot công nghiệp

Hình 1.2: Động cơ hơi nước và tàu hỏa dùng hơi nước

(Tổng hợp tư liệu từ Internet)

James Watt (19 tháng 1 năm 1736 – 19 tháng 8 năm 1819) là một nhà phát minh và kỹ sư người Scotland, nổi tiếng với những cải tiến quan trọng cho máy hơi nước, góp phần làm nền tảng cho cuộc Cách mạng công nghiệp Ông cũng là người đầu tiên đưa ra khái niệm mã lực và đơn vị SI của năng lượng, watt, được đặt theo tên ông.

Nhà bác học James Watt đã có những đóng góp quan trọng trong việc cải tiến máy hơi nước Niucômanh, phát minh ra vào năm 1705 Dù máy hơi nước Niucômanh được sử dụng phổ biến, Watt nhận thấy nó còn nhiều hạn chế cần khắc phục để nâng cao hiệu suất và ứng dụng trong công nghiệp.

Giáo trình : Robot công nghiệp được cải tiến vì hơi nước chưa được sử dụng triệt để

Năm 1759 bạn của Watt, John Robison, kêu gọi sự chú ý của ông đến việc sử dụng hơi nước làm nguồn động lực Thiết kế động cơ Newcomen, được sử dụng gần 50 năm trong việc bơm nước từ các mỏ, hầu như không thay đổi từ bản đầu tiên Watt bắt đầu thí nghiệm với hơi nước mặc dù ông chưa bao giờ thấy động cơ hơi nước hoạt động Ông đã cố gắng xây dựng một mô hình Nó không làm việc tốt, nhưng ông vẫn tiếp tục thí nghiệm và bắt đầu đọc tất cả mọi thứ mà ông ta có thể tìm hiểu về chủ đề này Ông đã nhận ra tầm quan trọng của nhiệt ẩn trong việc tìm hiểu động cơ, mà ông không biết rằng bạn ông Joseph Black đã phát hiện ra vài năm trước đó

Năm 1782, ông đã phát minh ra một chiếc máy hơi nước mới với hiệu suất làm việc cao và tiêu hao than ít, đánh dấu sự thành công vượt bậc Sự ra đời của loại máy hơi nước này đã khiến cho máy hơi nước Niucômanh trở nên lạc hậu và không còn chỗ đứng trên thị trường.

Máy hơi nước do James Watt phát minh đã nhanh chóng trở thành công nghệ phổ biến, dẫn đến sự ra đời của nhiều phương tiện như tàu thuyền và tàu hỏa Sự phát triển này đã đánh dấu sự chuyển mình mạnh mẽ của ngành công nghiệp toàn cầu vào "thời đại máy hơi nước".

Giai đoạn II của cách mạng công nghiệp bắt đầu từ thập kỷ 1850 và kéo dài đến đầu thập kỷ 1900 Đến cuối thế kỷ 19, những phát minh nổi bật trong giai đoạn này bao gồm động cơ đốt trong và máy móc sử dụng điện.

Hình 1.3: Thomas Edison, người phát minh đèn điện

(Tổng hợp tư liệu từ Internet)

Năm 1820, nhà hóa học Đan Mạch Hans Christian Ørsted phát hiện ra hiện tượng điện từ Hai năm sau, vào năm 1821, nhà khoa học người Anh Michael Faraday đã phát minh nguyên lý chuyển đổi từ năng lượng điện sang năng lượng cơ bằng cảm ứng điện từ Ông công bố kết quả thí nghiệm về chuyển động quay điện từ, bao gồm chuyển động quay của dây dẫn trong từ trường và chuyển động của nam châm quanh một dây dẫn.

Michael Faraday cha đẻ kỹ thuật động co điện

- Năm 1822: Peter Barlow phát triển ra bánh xe Barlow

Năm 1828, Ányos Jedlink, nhà khoa học người Hungary, đã phát minh ra động cơ điện đầu tiên sử dụng nam châm điện cho cả rotor và stator Ông tiếp tục phát triển động cơ điện với công suất đủ mạnh để có thể đẩy một chiếc xe.

- Năm 1834: Thomas Davenport chế tạo ra động cơ chỉnh lưu

- Năm 1838: động cơ điện công suất 220 W được dùng cho thuyền chế tạo bởi Hermann Jacobi

- Năm 1866: Werner von Siemens sáng chế ra máy phát điện

Werner von Siemens Ôn lại lịch sử bóng đèn sợi đốt: Ai mới là cha đẻ thực sự của nó?

Bóng đèn sợi đốt vẫn được ưa chuộng nhờ vào giá thành rẻ và ánh sáng vàng ấm áp, nhưng có nhược điểm lớn là tiêu tốn điện năng và tuổi thọ chỉ khoảng 1000 giờ Hiện nay, nhiều người chuyển sang sử dụng các loại đèn tiết kiệm năng lượng hơn như đèn tuýp, compact và LED.

Trước năm 1800, lửa là nguồn sáng duy nhất của con người Đến giữa thế kỷ 19, nhiều hộ gia đình ở Anh đã bắt đầu sử dụng khí ga để chiếu sáng, với hệ thống ống dẫn ga được xây dựng đến tận nhà.

Giáo trình Robot công nghiệp đề cập đến việc nguồn sáng hiện tại còn yếu, không đáp ứng đủ nhu cầu sinh hoạt, đặc biệt là cho không gian ngoài trời Trước đây, để chiếu sáng không gian rộng, người ta sử dụng đèn hồ quang điện, nhưng loại đèn này quá sáng và không phù hợp cho hộ gia đình Do đó, các nhà khoa học đã nỗ lực phát minh ra một loại đèn thích hợp hơn cho việc chiếu sáng trong các hộ gia đình.

Thí nghiệm năm 1802 của nhà khoa học người Anh Humphry Davy đánh dấu sự khởi đầu cho những phát minh về bóng đèn sợi đốt Ông đã cho dòng điện chạy qua một sợi Platin mảnh, khiến sợi này nóng lên và phát sáng, mặc dù ánh sáng khá yếu và không kéo dài lâu Thí nghiệm của Davy đã tạo tiền đề và truyền cảm hứng cho hơn 20 nhà khoa học từ Anh, Nga, Bỉ, Pháp và nhiều quốc gia khác tiếp tục nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện bóng đèn sợi đốt.

Giáo trình : Robot công nghiệp nhất trong số đó phải kể đến nhà khoa học người Anh Joseph Swan

Từ năm 1850, Swan đã thiết kế bóng đèn sử dụng than chì trong bình thủy tinh chân không, nhờ vào tính chất điện trở cao và nhiệt độ nóng chảy lớn của nó Khi dòng điện chạy qua, than chì phát sáng mà không bị đốt cháy do môi trường chân không Tuy nhiên, bóng đèn vẫn gặp phải vấn đề bám muội than, làm giảm độ sáng Đến năm 1878, Swan cải tiến bóng đèn bằng cách sử dụng sợi bông để chế tạo dây tóc tốt hơn và phát triển kỹ thuật hút chân không Đến năm 1880, bóng đèn đã trở nên phổ biến ở Anh, và Swan đã đăng ký bản quyền cũng như thành lập công ty riêng để lắp đặt bóng đèn cho chính phủ và các hộ gia đình.

Các khái niệm về Robot

Các khái niệm về robot sẽ đƣợc đề cập đến trong phần này nhƣ : Robots, IR – Industrial Robot, Robotic, Android

- Vào năm 1921, từ “Robot” xuất hiện trong vở kịch “Rossum‟s Universal Robots” của nhà viết kịch viễn tưởng người Sec, Keral Capek Trong vở

Trong giáo trình "Robot công nghiệp", tác giả sử dụng thuật ngữ "Robot", một biến thể của từ gốc "Rabota", để chỉ một thiết bị lao công do con người, cụ thể là nhân vật Rossum, tạo ra.

Vào những năm 1940, nhà văn viễn tưởng Nga Isaac Asimov đã mô tả robot như một chiếc máy tự động có hình dáng giống con người, được điều khiển bởi hệ thống thần kinh Positron do con người lập trình Ông cũng đã đặt ra ba nguyên tắc cơ bản cho robot.

1 Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người

2 Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra Các quy tắc này không đƣợc vi phạm nguyên tắc thứ nhất

3 Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhƣng không đƣợc vi phạm hai nguyên tắc trước

- Các nguyên tắc cơ bản trên dần trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot

Robot, xuất phát từ trí tưởng tượng trong khoa học viễn tưởng, đang dần được hình dung bởi giới kỹ thuật như những cỗ máy đặc biệt Chúng được thiết kế dựa trên cấu tạo và hoạt động của con người, nhằm thay thế con người trong một số công việc cụ thể.

Để thực hiện nhiệm vụ, robot cần có khả năng cảm nhận các thông số trạng thái của môi trường và thực hiện các hoạt động giống như con người.

Khả năng hoạt động của robot phụ thuộc vào hệ thống cơ khí, bao gồm cơ cấu vận động để di chuyển và cơ cấu hành động để thực hiện công việc Thiết kế và chế tạo hệ thống này nằm trong lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu cơ khí Chức năng cảm nhận của robot, bao gồm việc thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trường và trạng thái của chính hệ thống, được thực hiện bởi các cảm biến và thiết bị liên quan, tạo thành hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu, hay còn gọi là hệ thống cảm biến.

Giáo trình về robot công nghiệp tập trung vào việc phối hợp hoạt động của hai hệ thống, giúp robot tự điều chỉnh "hành vi" và thực hiện chức năng đúng theo quy định, ngay cả khi môi trường thay đổi Để đạt được điều này, robot cần có hệ thống điều khiển, bao gồm các yếu tố thuộc lĩnh vực điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin.

- Robot còn có những cách định nghĩa khác nhƣ sau:

Tiêu chuẩn quốc tế ISO 8373 định nghĩa rô-bốt là một loại máy móc tự động, được lập trình sẵn và có khả năng vận động linh hoạt để phục vụ nhiều mục đích khác nhau.

3 trục, có thể cố định hoặc di động tùy theo những ứng dụng của nó trong công nghiệp tự động."

Joseph Engelberger, một người tiên phong trong lĩnh vực rô-bốt công nghiệp, đã từng nói: "Tôi không thể định nghĩa rô-bốt, nhưng tôi nhận ra máy móc nào là rô-bốt khi nhìn thấy nó." Câu nói này phản ánh sự phức tạp và đa dạng của công nghệ rô-bốt, cho thấy rằng việc nhận diện rô-bốt không chỉ dựa vào định nghĩa mà còn là cảm nhận trực quan.

Rô-bốt được định nghĩa bởi từ điển Cambridge trực tuyến là một loại máy có khả năng thực hiện công việc tự động dưới sự điều khiển của máy tính.

Rô-bốt là thiết bị cơ điện tử, thủy lực hoặc nhân tạo, được sử dụng để thay thế con người trong các ngành công nghiệp và môi trường nguy hiểm Ngoài ra, rô-bốt còn đóng vai trò quan trọng trong việc giải trí và nghiên cứu khoa học.

Nhật Bản hiện đang dẫn đầu thế giới về số lượng robot trong sản xuất công nghiệp, chiếm hơn 70% trong tổng số khoảng 300.000 robot toàn cầu Người Nhật có quan niệm rộng rãi về robot, coi chúng là bất kỳ thiết bị nào có khả năng thay thế lao động của con người Trong ngành công nghiệp Nhật Bản, cả những robot hay tay máy được điều khiển bằng cam cũng được xem là robot.

Hiệp Hội Robot Công Nghiệp Nhật Bản (JIRA) đã phân loại robot thành sáu loại khác nhau, bắt đầu từ những cánh tay máy được điều khiển trực tiếp bởi con người cho đến những robot thông minh tích hợp trí tuệ nhân tạo.

1- Robot hoạt động nhờ người điều khiển trực tiếp từng động tác, bằng bảng điều khiển (panen)

2- Robot hoạt động theo chu trình cố định (fixed sequence robots)

3- Robot hoạt động theo chu trình thay đổi đƣợc (variable sequence robots): người điều khiển có thể dễ dàng chỉnh sửa trình tự hoạt động 4- Robot hoạt động theo chương trình và lặp lại chương trình (playback robots): người điều khiển có thể lập trình cho robot trong chế độ huấn luyện (teaching mode)

5- Robot điều khiển theo chương trình số (numerically controlled robots)

6- Robot thông minh intelligent robots): robot có thể hiểu, nhận biết và tương tác với môi trường xung quanh

Lĩnh vực ứng dụng của robot đang ngày càng mở rộng, không còn giới hạn trong các khái niệm nguyên thủy Hiện nay, robot không chỉ được thiết kế với cấu trúc và chức năng giống con người mà còn có những hình dạng và khả năng vượt trội hơn Nhiều robot hiện đại có cấu trúc khác biệt so với cơ thể con người và có thể thực hiện những nhiệm vụ mà con người không thể làm được.

Robotics là một lĩnh vực khoa học liên ngành, kết hợp giữa cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin Nó được hiểu là một ngành khoa học có nhiệm vụ phát triển và ứng dụng các hệ thống tự động hóa.

Phân loại robot

Trong ngành công nghiệp, robot được phân loại dựa trên bốn yếu tố chính: (1) không gian làm việc, (2) thế hệ robot, (3) bộ điều khiển, và (4) nguồn dẫn động.

1.3.1 Theo không gian làm việc: Để dịch chuyển khâu tác động cuối cùng của robot đến vị trí của đối tƣợng thao tác được cho trước trong không gian làm việc cần phải có ba bậc chuyển động chuyển dời hay chuyển động định vị (thường dùng khớp tịnh tiến và khớp quay loại 5)

Robot công nghiệp thường chỉ cần tối đa bốn bậc chuyển động, không tính đến chuyển động kẹp của tay gắp Thông thường, ba bậc chuyển động định vị là đủ cho hầu hết các ứng dụng, trong khi bốn bậc chuyển động định vị rất hiếm khi được sử dụng Các robot này được phân loại dựa trên sự phối hợp giữa ba trục chuyển động.

Giáo trình : Robot công nghiệp động cơ bản rồi sau đó đƣợc bổ sung để mở rộng thêm bậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt

Vùng giới hạn tầm hoạt động của robot đƣợc gọi là không gian làm việc

1 Robot tọa độ vuông góc (cartesian robot):

Robot này có ba bậc chuyển động cơ bản, bao gồm ba chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vuông góc, tạo ra không gian làm việc hình hộp chữ nhật Cấu hình này thường được áp dụng trong các trường hợp cần không gian làm việc lớn hoặc khi yêu cầu về độ chính xác và nhất quán từ robot là rất cao.

Hình 1.9: Sơ đồ và nguyên lý robot tọa độ vuông góc

2 Robot toạ độ trụ (cylindrical robot):

Robot có ba bậc chuyển động cơ bản gồm hai trục chuyển động tịnh tiến và một trục quay

Hình 1.10: Sơ đồ và nguyên lý robot tọa độ trụ

3 Robot toạ độ cầu (spherical robot):

Robot hình cầu là loại robot được thiết kế với hai khớp quay và một khớp lăng trụ, bao gồm hai trục quay và một trục tuyến tính Với cấu trúc này, robot hình cầu sở hữu cánh tay có khả năng hoạt động trong không gian theo tọa độ hình cầu.

Hình 1.11: Sơ đồ và nguyên lý robot tọa độ cầu

4 Robot khớp bản lề (articular robot):

Robot khớp nối, hay còn gọi là robot với khớp bản lề, là loại robot sở hữu các khớp quay Chúng có thể được thiết kế từ cấu trúc đơn giản với hai khớp cho đến các hệ thống phức tạp hơn với 10 khớp hoặc nhiều khớp tương tác lẫn nhau.

Ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba trục quay, cả kiểu robot SCARA

Hình 1.12: Sơ đồ và nguyên lý robot khớp bản lề

Hình 1.13: Hình dạng và ứng dụng của robot bản lề

SCARA stands for Selective Compliance Assembly Robot Arm or Selective Compliance Articulated Robot Arm Most SCARA robots are based on a serial structure, meaning the first motor must support all other motors The architecture of SCARA robots features two arms, with two motors fixed at the base.

Hình 1.14: Hình dạng và nguyên lý robot SCADA

1.3.2 Phân loại theo thế hệ

Theo quá trình phát triển của robot, ta có thể chia ra theo các mức độ sau đây:

1 Robot thế hệ thứ nhất:

Bao gồm các dạng robot hoạt động lặp lại theo một chu trình không thay đổi (playback robots), theo chương trình định trước Chương trình ở đây

Giáo trình Robot công nghiệp bao gồm hai dạng: chương trình “cứng” không thể thay đổi, như điều khiển bằng hệ thống cam, và chương trình có thể thay đổi theo yêu cầu công nghệ thông qua bảng điều khiển hoặc máy tính Đặc điểm nổi bật của robot công nghiệp bao gồm việc sử dụng tổ hợp các cơ cấu cam với công tác giới hạn hành trình, điều khiển vòng hở, và khả năng sử dụng băng từ hoặc băng đục lỗ để đưa chương trình vào bộ điều khiển, mặc dù loại này không cho phép thay đổi chương trình Robot công nghiệp thường được áp dụng trong công việc gắp - đặt (pick and place).

2 Robot thể hiện thứ hai

Robot được trang bị cảm biến giúp cung cấp tín hiệu phản hồi về trạng thái và vị trí không gian của chúng, cũng như thông tin môi trường như vị trí đối tượng thao tác và nhiệt độ Điều này cho phép hệ thống điều khiển chọn lựa thuật toán phù hợp để robot thực hiện các thao tác xử lý Đây là loại robot điều khiển theo chương trình nhưng có khả năng tự điều chỉnh để thích ứng với các thay đổi môi trường, được gọi là robot điều khiển thích nghi cấp thấp Các robot thế hệ này sử dụng cảm biến trong điều khiển, cho phép tạo ra các vòng điều khiển kín kiểu servo.

Giáo trình Robot công nghiệp bao gồm việc điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy, cho phép robot tự ra quyết định lựa chọn chương trình dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến Điều này được thực hiện nhờ các chương trình đã được cài đặt trước Hơn nữa, hoạt động của robot có thể được lập trình thông qua các công cụ như bàn phím và bảng điều khiển.

3 Robot thế hệ thứ ba Đây là dạng phát triển cao nhất của robot tự cảm nhận Các robot ở đây đƣợc trang bị những thuật toán xử lý các phản xạ logic thích nghi theo những thông tin và tác động của môi trường lên chúng; nhờ đó robot tự biết phải làm gì để hoàn thành đƣợc công việc đã đƣợc đặt ra cho chúng Hiện nay cũng đã có nhiều công bố về những thành tựu trong lĩnh vực điều khiển này trong các phòng thí nghiệm và được đưa ra thị trường dưới dạng những robot giải trí có hình dạng của các động vật máy Robot thế hệ này bao gồm các robot đƣợc trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh trong điều khiển (Vision - controlled robots) cho phép nhìn thấy và nhận dạng các đối tƣợng thao tác Đặc điểm: o Có những đặc điểm nhƣ loại trên và điều khiển hoạt động trên cơ sở xử lý thông tin thu nhận đƣợc từ hệ thống thu nhận hình ảnh (Vision systems - Camera) o Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp nhƣ phân biệt các đối tƣợng có hình dạng và kích thước khá khác biệt nhau

4 Robot thế hệ thứ tƣ

Bao gồm các robot sử dụng các thuật toán và cơ chế điều khiển thích nghi (adaptively controlled robot) được trang bị bước đầu khả năng lựa

Giáo trình Robot công nghiệp tập trung vào việc phát triển các robot có khả năng tự động hóa và thích ứng với môi trường thao tác thông qua các mô hình tính toán đã được xác định Những robot này mang đặc điểm tương tự như thế hệ thứ hai và thứ ba, cho phép tự động lựa chọn và lập trình lại các hoạt động dựa trên tín hiệu từ cảm biến Để giải quyết các bài toán tối ưu trong điều kiện biên không xác định, bộ điều khiển cần có bộ nhớ lớn, từ đó tạo ra các tín hiệu điều khiển cho các phản ứng của robot.

5 Robot thế hệ thứ năm

Là tập hợp những robot đƣợc trang bị trí tuệ nhân tạo (artificially intelligent robot)

Robot AIBO được trang bị các kỹ thuật trí tuệ nhân tạo như nhận dạng tiếng nói, hình ảnh và xác định khoảng cách, cho phép nó đưa ra quyết định và giải quyết các vấn đề Với mạng Neuron tự học, AIBO có khả năng cải thiện hiệu suất theo thời gian Ngoài ra, robot này còn sử dụng các thuật toán Neuron Fuzzy/Fuzzy để nâng cao khả năng xử lý thông tin và tương tác với môi trường.

Logic giúp chúng ta tự suy nghĩ và đưa ra quyết định phù hợp với các tín hiệu từ môi trường, dựa trên các thuật toán tối ưu cho một hoặc nhiều mục tiêu cùng lúc.

Trong lĩnh vực giải trí hiện nay, nhiều loại robot thế hệ mới đang được phát triển, bao gồm robot Aibo - chú chó robot của Sony và robot hai chân biết khiêu vũ của Honda.

1.3.3 Phân loại theo bộ điều khiển

Ứng dụng Robot

Hiện nay, robot đã trở thành một phần quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong công nghiệp, nơi chúng chiếm ưu thế lớn Bên cạnh đó, các lĩnh vực khác như quốc phòng, dân sinh và y tế cũng đang ngày càng chú trọng đến việc ứng dụng công nghệ robot.

Robot đã được ứng dụng trong công nghiệp từ lâu, với nhiều loại hình và chức năng khác nhau, bao gồm nâng, kéo, thả, mang vật nặng, cũng như phân loại và sắp xếp sản phẩm.

Vinaxuki, công ty sản xuất ô tô đầu tiên tại Việt Nam, đã áp dụng công nghệ tự động hóa với việc sử dụng rô bốt ABB tại nhà máy ở Đông Anh và Thanh Hóa Các rô bốt này được triển khai trong các quy trình dập, cắt plasma và laser, giúp tăng tốc độ sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm, đáp ứng tiêu chuẩn quốc tế.

Hình 1.24: Robot Handle có thể chạy, nhảy, mang vật nặng

Ngoài ra còn có robot dùng để lắp ráp, sơn, hàn, đủ chủng loại từ lớn tới nhỏ

Hình 1.25: Robot hàn của Panasonic

 Thực hiện theo chế độ lập trình, hàn gia công chi tiết tự động

 Lập trình đường hàn, điều khiển Robot thực hiện quá trình hàn tự động

 Khả năng dịch chuyển theo 6 phương tự do

Hình 1.26: Robot sơn , lắp ráp

Hình 1.27: Robot hàn bán tự động nhà máy Hyundai Thành Công

Vào ngày 3/12/2016, nhà máy Hyundai Thành Công đã ra mắt dây chuyền Robot hàn tự động tiên tiến nhất, với 6 chiếc Robot hàn do Hyundai Hàn Quốc cung cấp Toàn bộ quy trình hàn được lập trình trước, cho phép Robot tự động mài sạch mỏ hàn sau mỗi 200 điểm hàn Hoạt động của Robot được giám sát bởi hệ thống cảm biến, tự động dừng và báo lỗi khi phát hiện sai lệch Việc áp dụng Robot hàn bán tự động không chỉ nâng cao năng suất, mà còn đảm bảo chất lượng xe đạt tiêu chuẩn cao hơn.

Trong những năm gần đây, nhiều quốc gia đã đạt được những thành tựu đáng kể trong việc phát triển khoa học và công nghệ, đặc biệt là trong lĩnh vực robot quân sự tiên tiến Những ứng dụng này đang được triển khai rộng rãi trong quân đội, góp phần nâng cao khả năng tác chiến và bảo vệ an ninh quốc gia.

Giáo trình : Robot công nghiệp sự, tăng khả năng làm việc và tính hiệu quả trên chiến trường, thu hút nhiều sự quan tâm của cả thế giới

Hình 1.28: Robot chiến đấu Gladiator của lực quân Mỹ

Hệ thống camera cho phép robot quan sát 360 độ mọi lúc, kết hợp với điện đàm 2 chiều và thiết bị phóng laser, lựu đạn, cùng khả năng vận chuyển đạn và hàng hóa Robot còn có chức năng cấp cứu thương binh, do thám và chiến đấu Đặc biệt, việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống robot mô đun có thể mở rộng, bao gồm robot điều khiển không dây và robot đa chức năng, đang được chú trọng.

Robot phát hiện và gỡ bom được trang bị công nghệ tiên tiến nhằm tối ưu hóa nhiều nhiệm vụ như dọn dẹp, phá hủy IED, EOD, cũng như trinh sát và phát hiện CBRNE, ISR và loại bỏ vật liệu nguy hiểm Những robot này sử dụng các bộ cảm biến hiện đại để nâng cao hiệu quả và bảo vệ an toàn cho người lính trên chiến trường.

Hình 1.30: Robot cứu thương trong quân đội

Robot hiện nay có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ chuyên môn, bao gồm kiểm tra các dấu hiệu quan trọng như nhịp tim, nhịp thở và huyết áp Chúng cũng có thể chụp ảnh và đọc hồ sơ bệnh án của bệnh nhân Tất cả thông tin này sẽ được gửi đến bác sĩ để đảm bảo quá trình điều trị chính xác và hiệu quả.

Hình 1.31 : Robot phẫu thuật Mirosiger Bên cạnh đó, cũng có "robot" có thể can thiệp sâu hơn vào quá trình chữa bệnh

Hình 1.32 : Robot định vị trong phẩu thuật cột sống

Nhờ sự đổi mới tuyệt vời của khoa học và công nghệ sẽ làm cho robot trở thành một người bạn thân của con người trong tương lai

Các nhà khoa học đang nỗ lực phát triển robot có khả năng giao tiếp và hỗ trợ con người trong công việc hàng ngày.

Một số ứng dụng khác của Robot

Dọn dẹp nhà cửa đã mệt mỏi, nhưng việc diệt sạch vi khuẩn còn phức tạp hơn Trong tình huống này, robot vệ sinh trở nên cần thiết Công ty Xenex Disinfection Services đã phát triển robot diệt khuẩn sử dụng tia UV, giúp tiêu diệt vi khuẩn và nấm mốc tại các bệnh viện ở miền Nam California.

Chúng ta đã thấy robot chạy và ném đồ vật, nhưng chưa từng chứng kiến sự cạnh tranh giữa chúng Nhiều robot được thiết kế để chơi bóng đá, tuy nhiên, chúng có kích thước nhỏ và chỉ thích hợp cho các trận đấu đối kháng Bên cạnh đó, có những robot được lập trình để chơi bóng bàn, trong khi một nhóm nhà khoa học Nhật Bản đang phát triển khả năng bắt, đánh và chạy cho các robot Tuy nhiên, các động tác này hiện chỉ được thực hiện trên từng robot riêng lẻ.

 Y tá hoặc hộ lý trong bệnh viện

Công việc của y tá và hộ lý thường rất nặng nhọc, khi họ phải chăm sóc nhiều bệnh nhân và di chuyển giường bệnh cùng các vật dụng khác Để hỗ trợ công tác này, robot giường bệnh đã được phát triển, trong đó sản phẩm EPush của công ty Abacus Global Technology ra mắt vào đầu năm 2014 tại bệnh viện Khoo Teck Puat, Singapore Giường EPush không chỉ được trang bị động cơ giúp di chuyển dễ dàng mà còn thông minh, duy trì vận tốc an toàn và tự điều chỉnh khi gặp phải thay đổi.

Giáo trình : Robot công nghiệp về địa hình nhƣ thảm, hoặc gạch

Người bán hàng thường không thể cung cấp thông tin chính xác về vị trí sản phẩm trong kho, nhưng một chú robot có khả năng nhận diện và xác định mọi thứ một cách nhanh chóng và hiệu quả Chú robot này không chỉ giúp bạn tìm kiếm sản phẩm mà còn làm việc với sự nhiệt tình và chính xác, vượt trội hơn hẳn so với con người.

Công ty Lowes đã thử nghiệm dịch vụ robot bán hàng tại cửa hàng Orchard Supply Store với chú robot OSHbot, giúp khách hàng tìm sản phẩm hiệu quả OSHbot được trang bị bản đồ cửa hàng và bộ định vị GPS Tương tự, tại Nhật Bản, robot Pepper được thiết kế để hiểu cảm xúc của khách hàng và sẵn sàng phục vụ họ một tách Nescafe.

Khi bạn lưu trú tại khách sạn Aloft ở Cupertino, California, đừng quên gặp gỡ robot SaviOne Robot này sẽ hỗ trợ bạn giống như những nhân viên hướng dẫn khách sạn thông thường, nhưng không yêu cầu bạn phải trả tiền tip.

CẤU TRÚC CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP

Sơ đồ khối cấu trúc Robot

Robot được cấu tạo từ các khối cơ khí và hoạt động nhờ các cơ cấu tác động, cho phép thực hiện những công việc phức tạp Các cơ cấu này có thể phối hợp với nhau dưới sự điều khiển của bộ phận tương tự như máy tính, được gọi là bộ điều khiển dựa trên PC.

- Robot đƣợc xây dựng từ các thành phần cơ bản nhƣ sau:

Hình 2.1: Cấu trúc của robot công nghiệp

Cảm biến giám sát môi trường Điều khiển bằng tay Điều khiển tự động

Cơ cấu Chấp hành Điều khiển

Cảm biến trạng thái hệ thống Đối tƣợng tác động

Trang 56 Giáo trình : Robot công nghiệp

Chương II: Cấu trúc Robot công nghiệp

Cơ cấu cơ khí bao gồm các khâu và khớp, tạo thành cánh tay để thực hiện những chuyển động cơ bản Cổ tay mang lại sự khéo léo và linh hoạt, trong khi bàn tay (End Effector) trực tiếp thực hiện các thao tác trên đối tượng.

Hình 2.2: Các loại tay máy công nghiệp

Hệ thống chấp hành trong tay máy tạo ra chuyển động cho các khâu thông qua nguồn động lực từ động cơ điện, thủy lực, khí nén hoặc sự kết hợp giữa chúng Các khớp của tay máy được điều khiển bởi hệ thống này, bao gồm các bộ phận thiết yếu như nguồn điện, bộ khuếch đại công suất, động cơ và truyền động cơ.

Hình 2.3: Cánh tay robot truyền động điện

Hình 2.4: Cánh tay robot truyền động khí nén

Hình 2.5: Hệ thống tay máy truyền động thủy lực trong máy xúc đào

Cảm biến là thiết bị dùng để nhận giá trị của đại lượng vật lý cần đo và chuyển đổi nó thành tín hiệu mà thiết bị đo hoặc điều khiển có thể xử lý.

Chương II: Cấu trúc Robot công nghiệp trị tín hiệu xuất ra của các cảm biến thường được chuẩn hóa để dễ ghép nối vào các mạch xử lí tiếp theo (điện áp, dòng điện, điện trở…) Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu khác Các hệ thống robot cần có sensor trong là để nhận biết trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot và các sensor ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường

Cảm biến gia tốc MEMS ADXL345 có khả năng đo các góc nghiêng Roll và Pitch của máy bay, đồng thời được sử dụng để đo lường khả năng tăng tốc của xe Thiết bị này cũng có ứng dụng trong việc đo độ rung trên máy móc, nhà xưởng và hệ thống điều khiển, góp phần vào việc thiết lập an toàn Ngoài ra, cảm biến còn được sử dụng để theo dõi các hoạt động địa chấn, độ nghiêng, độ rung của máy móc, cũng như khoảng cách và tốc độ mà không bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn Một trong những ứng dụng phổ biến khác của gia tốc kế là trong việc phát triển máy đo trọng lực trong lĩnh vực kỹ thuật.

Hình 2.7 Cảm biến tốc độ IR FC-03

Cảm biến góc nghiêng SW520 được thiết kế với một quả lắc bên trong và hai bên có nam châm hút, giúp phát hiện sự thay đổi góc nghiêng một cách chính xác.

Khi robot đứng thẳng, quả lắc bên trong cảm biến sẽ ở vị trí trung tâm Khi cảm biến nhận dòng điện dương và âm, nó sẽ tạo ra dòng điện âm để kích hoạt rơle ngừng động cơ Nếu robot bị ngã hoặc nghiêng quá 65 độ trong quá trình hoạt động, quả lắc sẽ bị lệch, dẫn đến việc ngừng hoạt động của robot.

Rơle ngừng động cơ sẽ tự động ngắt dòng điện âm (-) của robot, giúp tắt động cơ một cách an toàn trong quá trình hoạt động.

Khi robot dựng đứng trở lại, quả lắc vẫn giữ nguyên trạng thái và không cung cấp điện cho rơle Để khởi động lại xe, cần phải tắt nguồn và bật lại, lúc đó robot mới có điện để khởi động.

Hình 2.9: Cảm biến góc nghiêng đƣợc dùng trên xe

Cảm biến góc nghiêng đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển robot giữ cân bằng và duy trì vị trí ban đầu Thiết bị này giúp xác định góc nghiêng và điều khiển hai bánh xe di chuyển về phía trước một cách hiệu quả.

4 Hệ thống điều khiển (Controller)

Hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot hoặc dùng vi xử lý, vi điều khiển, PLC

Hình 2.10 : Các vi điều khiển AVR

Bộ phận tác động trực tiếp lên đối tượng của robot có thể là tay gắp hoặc các công cụ như súng phun sơn, mỏ hàn, dao cắt, và chìa vặn ốc, tùy thuộc vào yêu cầu làm việc cụ thể.

Hình 2.11 : Các dạng tay gắp kẹp

Phần giao tiếp giữa người dùng với hệ thống điều khiển robot

Hình 2.11 : Giao diện điều khiển cánh tay robot

Cấu trúc tay máy

Tay máy là thành phần thiết yếu, quyết định hiệu suất làm việc của robot công nghiệp, cho phép robot di chuyển trong không gian và thực hiện các nhiệm vụ như nâng hạ vật phẩm, lắp ráp và nhiều hoạt động khác.

Hình 2.12 : Các thành phần cơ bản của cánh tay robot

Ý tưởng ban đầu trong việc thiết kế và chế tạo tay máy là dựa trên cấu tạo và chức năng của tay người, nhưng hiện nay điều này không còn là yêu cầu bắt buộc nữa.

Chương II: Cấu trúc Robot công nghiệp máy hiện nay rất đa dạng và nhiều loại có dáng vẻ khác rất xa với tay người Tuy nhiên, trong kỹ thuật robot người ta vẫn dùng các thuật ngữ quen thuộc nhƣ: vai (Shoulder), cánh tay (Arm), cổ tay (Wrist), bàn tay (Hand) và các khớp (Articulations), để chỉ tay máy và các bộ phận của nó

Hình 2.13: Cấu trúc tay máy cơ bản

- Trong thiết kế cần quan tâm đến các thông số có ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của robot nhƣ:

1 Momen lực: Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay

2 Tầm với hay vùng làm việc: Kích thước và hình dáng vùng mà phần làm việc có thể với tới

3 Sự khéo léo: là khả năng định vị và định hướng phần công tác trong vùng làm việc

Hình 2.14: Cánh tay robot Mover4

Tay máy là một hệ thống bao gồm các bộ phận cơ khí được thiết kế để tạo ra chuyển động tương đối giữa các khâu động Các khâu này được kết nối bằng các khớp động hay trục, và bao gồm cả các cơ cấu tác động như động cơ điện, xylanh dầu ép, và xylanh khí nén Một thành phần quan trọng khác là khâu tác động cuối (End-Effector), thường là tay gắp hoặc đầu công cụ chuyên dụng, thực hiện thao tác trên đối tượng làm việc Vị trí và vận tốc dịch chuyển của khâu cuối phản ánh kết quả tổng hợp chuyển động của các khâu thành phần.

2.2.1 Bậc tự do của tay máy

Các tay máy thường có một bậc tự do, tức là số khả năng chuyển động độc lập trong không gian hoạt động Trong lĩnh vực robot học, mỗi khả năng chuyển động, bao gồm chuyển động thẳng hoặc quay quanh trục, được gọi là một trục Mỗi trục này tương ứng với một tọa độ suy rộng, giúp xác định vị trí của nó trong không gian.

Chương II: Cấu trúc Robot công nghiệp trong không gian hoạt động Mỗi trục của tay máy đều có cơ cấu tác động và cảm biến vị trí đƣợc điều khiển bởi một bộ xử lý riêng

Các khảo sát thực tế cho thấy để nâng cao độ linh hoạt của tay máy trong công nghiệp, số bậc chuyển động cần đạt tối ưu là từ 1 đến 6 Việc sử dụng 6 bậc chuyển động, khi được bố trí hợp lý, sẽ đảm bảo khả năng tiếp cận đối tượng thao tác trong không gian hoạt động theo mọi hướng, từ đó nâng cao hiệu quả làm việc của tay máy.

Hình 2.15 : Tay máy 6 bậc, 4 bậc tự do

- Ngoài ra, số bậc tự do nhiều hơn 6 sẽ không kinh tế và khó điều khiển hơn Sáu bậc chuyển động đƣợc bố trí gồm:

1 Ba bậc chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị

2 Ba bậc chuyển động bổ sung hay chuyển động định hướng

 Bậc chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị

- Về mặt nguyên lý cấu tạo, tay máy là một tập hợp các khâu đƣợc liên kết với

Chương II: Cấu trúc Robot công nghiệp nhau thông qua các khớp động để hình thành một chuỗi động hở Khớp động được sử dụng trên các tay máy thường là các khớp loại 5 (khớp tịnh tiến hoặc khớp quay loại 5) để dễ chế tạo, dễ dẫn động bằng nguồn độc lập và cũng dễ điều khiển Tay máy có số chuyển động độc lập thường là từ ba trở lên (gọi là bậc tự do hay bậc chuyển động)

Các chuyển động độc lập của tay máy bao gồm chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay Mỗi khâu động trên tay máy có ít nhất một khả năng chuyển động độc lập, thường là một Do đó, bậc tự do hay bậc chuyển động được định nghĩa là số khả năng chuyển động độc lập mà tay máy có thể thực hiện.

Nếu mỗi khâu động trên tay máy có khả năng chuyển động độc lập, thì số khâu động tương ứng với số bậc chuyển động và số khớp động hay trục Các chuyển động cơ bản, hay còn gọi là chuyển động chính, có ảnh hưởng quyết định đến hình dạng không gian hoạt động của tay máy Những chuyển động này giúp di chuyển cổ tay đến các vị trí khác nhau trong vùng không gian hoạt động, vì vậy chúng còn được gọi là các chuyển động định vị.

Ngoài các robot tĩnh hiện đang được ứng dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp, robot di động cũng ngày càng được sử dụng trong những tình huống đặc biệt.

- Bậc chuyển động của robot di động đƣợc xác định bởi số khả năng chuyển động độc lập của nó kể cả các chuyển động di động

Phần tay máy cuối cùng, hay còn gọi là khâu tác động cuối (End Effector), thường được thiết kế dưới dạng một tay gấp Đây là bộ phận trực tiếp làm việc với đối tượng thao tác, có khả năng tác động trực tiếp hoặc có thể được thay thế bằng các dụng cụ khác để thực hiện nhiệm vụ cụ thể.

Chương II: Cấu trúc Robot công nghiệp cụcông nghệ nhƣ là ống đƣa dây hàn trên robot hàn, đầu phun sơn hoặc phun men, đầu vặn bu-lông, đai ốc trong dây truyền lắp ráp tự động, v.v Chuyển động kẹp của tay gắp không đƣợc kể khi tính bậc chuyển động bởi vì chuyển động này không ảnh hưởng đến vị trí, toạ độ của tay máy Để thuận tiện trong việc điều khiển, mỗi bậc chuyển động của tay máy thường là có nguồn dẫn động riêng, có thểlà nguồn dẫn khí nén, dầu ép hay điện Một số tay máy dùng chung nguồn dẫn cho một nhóm các chuyển động, tuy nhiên, kiểu dùng chung này cồng kềnh và kém linh hoạt hơn Phần lớn các robot công nghiệp hiện đại có một tay máy Tuy vậy trong nhiều ứng dụng cũng có robot có nhiều tay máy

Hình 2.16 : Robot nhiều tay máy phẫu thuật ung thƣ đại trực tràng

 Bậc chuyển động bổ sung (bậc chuyển động định hướng)

Một tay máy cần có một bộ phận công tác ở khâu tác động cuối (End Effector), như bộ gắp, kẹp hoặc súng phun, với độ linh hoạt cao để hoàn thành nhiệm vụ công nghệ Để định hướng chính xác trong quá trình làm việc, tay máy cần tối thiểu ba bậc chuyển động, tương tự như chuyển động xoay của cánh tay người, với ba khớp quay loại 5 để xoay khâu tác động cuối trong mặt phẳng.

Chương II: Cấu trúc Robot công nghiệp ngang, mặt phẳng thẳng đứng và quay quanh trục của nó

Các bậc chuyển động xoay cổ tay của robot được gọi là chuyển động định hướng, nhằm tăng cường khả năng linh hoạt cho tay máy Điều này giúp tay máy dễ dàng định hướng vị trí của khâu tác động cuối để thực hiện thao tác chính xác trên đối tượng, đồng thời cải thiện khả năng tránh chướng ngại vật trong không gian thao tác, từ đó nâng cao tính chất động lực học của tay máy.

Hình 2.17 : Phần xoay cổ tay của robot

Hệ thống truyền dẫn động

Các hệ truyền động trong robot bao gồm 3 hệ truyền động chính:

 Hệ truyền động điều khiển bằng điện

 Hệ truyền động điều khiển bằng thủy lực

 Hệ truyền động điều khiển bằng khí nén

2.2.1 Hệ truyền động điều khiển bằng điện:

Hệ truyền động điện trong robot bao gồm các thiết bị điện, điện từ và điện tử, có chức năng chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học và truyền tín hiệu để điều khiển quá trình này Trong kỹ thuật robot, có thể sử dụng nhiều loại động cơ điện khác nhau để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể.

Chương II: Cấu trúc Robot công nghiệp nhƣng thực tế có 2 loại phổ biến hơn cả là:

1 Động cơ điện 1 chiều: Động cơ điện một chiều có hai phần chính: Phần tĩnh và phần động

Có 4 loại động cơ điện một chiều thường sử dụng:

 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: Phần ứng (roto) và phần kích từ (stato) đƣợc cung cấp từ hai nguồn riêng rẽ

Hình 2.23 : Sơ đồ và hình dạng motor DC kích từ

 Động cơ điện một chiều kích từ song song: Cuộn dây kích từ đƣợc mắc song song với phần ứng

Hình 2.24 : Sơ đồ và hình dạng motor DC kích từ song song

 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp: Cuộn dây kích từ đƣợc

Chương II: Cấu trúc Robot công nghiệp mắc nối tiếp với phần ứng

Hình 2.25 sơ đồ và hình dạng motor DC kích từ nối tiếp

Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp bao gồm hai cuộn dây kích từ: một cuộn được mắc song song với phần ứng và một cuộn khác được mắc nối tiếp với phần ứng.

Hình 2.26 : Sơ đồ và hình dạng motor DC kích từ hỗn hợp

2 Động cơ điện xoay chiều: Đƣợc sản xuất với nhiều kiểu và công suất khác nhau Có thể phân ra làm 2 loại: động cơ 3 pha và 1 pha

Từ trường quay được tạo ra bằng cách cho dòng điện ba pha chạy

Chương II: Cấu trúc Robot công nghiệp vào ba nam châm điện đặt lệch nhau trên một vòng tròn Khi mắc động cơ vào mạng điện ba pha, từ trường quay do stato gây ra làm cho rôto quay trên trục Chuyển động quay của rôto đƣợc trục máy truyền ra ngoài và đƣợc sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác

Hình 2.27 : Động cơ điện 3 pha

Dựa theo nguyên tắc của động cơ ba pha, người ta chế tạo được những động cơ một pha

Động cơ một pha sử dụng stato với hai cuộn dây lệch nhau một góc Một cuộn dây được kết nối trực tiếp với mạng điện, trong khi cuộn dây còn lại kết nối qua tụ điện Cách mắc này tạo ra hai dòng điện lệch pha, từ đó sinh ra từ trường quay Tuy nhiên, động cơ một pha chỉ có thể đạt công suất nhỏ đến trung bình.

2.2.2 Hệ truyền động điều khiển bằng thủy lực

Truyền động thủy lực hoạt động dựa trên áp suất và động năng của dòng chất lỏng, cho phép truyền chuyển động một cách hiệu quả Có hai loại chính của truyền chuyển động thủy lực.

1 Hệ truyền dẫn thủy lực dạng động lực: Làm việc dựa trên việc điều khiển động năng của dòng chất lỏng

2 Hệ truyền dẫn thủy lực dạng thể tích: Làm việc dựa trên việc điều khiển thế năng của dòng chất lỏng Hay chính là lưu lượng của dòng chất lưu

Vì vậy đƣợc gọi là hệ truyền dẫn thủy khí dạng thể tích

Hình 2.30 : Hệ truyền động thủy lực dạng thể tích Các cụm và bộ phận thủy lực cơ bản:

Xi lanh thủy lực, hay còn gọi là pit-tông thủy lực, là bộ phận tiếp nhận áp suất từ dòng thủy lực, giúp tạo ra chuyển động tịnh tiến của cản pit-tông hoặc đường dẫn động tịnh tiến của cán pit-tông Điều này cho phép tạo ra dòng thủy lực cần thiết cho các ứng dụng trong hệ thống thủy lực.

Hình 2.31 : Xi lanh thủy lực

Bơm thủy lực là thiết bị nhận chuyển động quay từ động cơ đốt trong, động cơ điện hoặc trục trích công suất, nhằm tạo ra dòng chảy thủy lực.

Hình 2.32 : Máy bơm thủy lực

Hệ truyền động thủy lực có những ƣu điểm nhƣợc điểm sau: Ƣu điểm:

- Quán tính bé, dễ thay đổi chuyển động

- Dễ điều khiển tự động

- Tác động nhanh, an toàn ở áp suất cháy nổ

Hệ thống thủy lực cần một bộ nguồn bao gồm thùng dầu, bơm thủy lực, thiết bị lọc, bình tích dầu, van điều chỉnh và đường ống, khiến cho hệ thống truyền động robot trở nên cồng kềnh hơn so với truyền động khí nén và điện.

- Chi phí đầu tƣ lớn

- Không thích hợp với cơ cấu quay với tốc độ nhanh

- Cần có đường xả dầu về bể

- Chiếm chỗ trên mặt bằng

Hình 2.33 : Robot dùng máy thủy lực

2.2.3 Hệ truyền động khí nén

Hệ thống truyền động khí nén được ứng dụng phổ biến trong ngành công nghiệp lắp ráp và chế biến, đặc biệt trong các lĩnh vực yêu cầu tiêu chuẩn vệ sinh cao, chống cháy nổ, hoặc hoạt động trong môi trường độc hại Chẳng hạn, nó được sử dụng trong lắp ráp điện tử, chế biến thực phẩm, cũng như trong các quy trình phân loại và đóng gói sản phẩm trong các dây chuyền sản xuất tự động.

Hình 2.34 : Tay máy gắp sản phẩm bằng khí nén

Các dạng truyền động sử dụng khí nén:

Truyền động thẳng là ưu điểm nổi bật của hệ thống khí nén nhờ vào cấu trúc đơn giản và tính linh hoạt Hệ thống này thường được ứng dụng trong các thiết bị gá kẹp chi tiết trong quá trình gia công, cũng như trong các thiết bị đột dập, phân loại và đóng gói sản phẩm.

Hình 2.35 : Hệ thống nén khí thẳng

Truyền động quay là giải pháp lý tưởng cho những ứng dụng yêu cầu tốc độ cao và công suất nhỏ, mang lại sự gọn nhẹ và tiện lợi Ví dụ, các công cụ vặn ốc vít trong sửa chữa và lắp ráp, cùng với các máy khoan và mài có công suất dưới 3kW, thường cần đạt tốc độ lên tới hàng chục nghìn vòng/phút.

Chương II: Cấu trúc Robot công nghiệp vòng/phút Tuy nhiên, ở những hệ truyền động quay công suất lớn, chi phí cho hệ thống sẽ rất cao so với truyền động điện

Hình 2.36 : Truyền động quay khí nén

Dùng khí nén trong hệ truyền động có các ƣu và nhƣợc điểm sau:

 Ưu điểm: Hệ truyền động khí nén tương đối gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ đảo chiều

Nhược điểm của hệ thống này là do tính nén của chất khí, khiến chuyển động thường đi kèm với dao động Ngoài ra, cần bổ sung các thiết bị phun dầu bôi trơn để đảm bảo hoạt động hiệu quả Hơn nữa, việc điều khiển tốc độ gặp khó khăn và khả năng dừng lại không chính xác.

Hệ thống điều khiển

Robot có khả năng làm việc theo chương trình và có thể được tái lập trình Chương trình này cho phép người sử dụng giao nhiệm vụ cho robot và hướng dẫn cách thực hiện chúng Do đó, robot cần một môi trường lập trình với ngôn ngữ lập trình cụ thể để thực hiện các nhiệm vụ hiệu quả.

Trong hệ thống này, tùy chức năng đƣợc hình thành nhờ bảng mạch riêng Các bảng mạch được liên kết với nhau qua đường truyền (BUS) dữ liệu

Board hệ thống thực chất là 1 CPU ( gồm 1 bộ vi xử lí toán học, 1 EPROM, 1

RAM riêng biệt và RAM chia sẻ với các bo mạch khác qua BUS, bộ đếm, thanh ghi, hệ thống ngắt, cùng với một số cổng nối tiếp cho thiết bị ngoại vi.

Hình 2.37 : Các dòng vi xử lý, điều khiển 16 bits

Sự phát triển của máy tính đã thúc đẩy mạnh mẽ kỹ thuật điều khiển robot, đặc biệt với sự xuất hiện của nhiều bộ vi xử lý 8 bit và 16 bit như Intel 8086 và 80688 Hiện nay, nhiều robot hiện đại sử dụng vi xử lý 32 bit, giúp tăng cường tốc độ xử lý và cải thiện khả năng điều khiển quỹ đạo liên tục.

Bộ vi xử lý 32 bits sẽ nhận tín hiệu từ bộ điều khiển, cho phép động cơ thực hiện các nhiệm vụ theo chương trình đã được lập trình trước.

Phục vụ điều khiển, giao diện với các thiết bị ngoài nhƣ các sensor, PLC, CNC, robot và các thiết bị sản xuất khác

Hình 2.39 : Sensor cảm biến vật thể ( hồng ngoại)

Hình 2.40 : LM35 cảm biến nhiệt độ

Tay gắp Robot

Thiết bị thực thi đầu cuối đơn giản nhất là loại sử dụng hai ngón tay có khả năng khép mở, giúp nhấc và di chuyển các vật nhỏ Các ngón tay này thường được chế tạo từ các thanh cứng, kết nối với động cơ và dây điện để hoạt động hiệu quả.

Hình 2.41 : Robot dùng tay gắp 2 ngón kẹp

Cơ cấu gắp có thiết kế phức tạp tương tự như bàn tay người, với các ví dụ điển hình như Shadow Hand và Robonaut của Delft Các loại cơ cấu gắp đa dạng được phát triển dựa trên những nguyên lý khác nhau, bao gồm kiểu ngàm sử dụng lực ma sát và kiểu ngàm sử dụng lồng chứa.

Chương II: Cấu trúc Robot công nghiệp ngàm sử dụng lực ma sát sẽ giữ vật thể bằng cách dùng lực ma sát Kiểu lồng chƣa sẽ ôm vật thể theo kiểu cõng/đặt lên trên, sử dụng ít lực ma sát hơn

Hình 2.42 : Robot dùng kiểu tay người

CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG II

Câu 1: Vẽ sơ đồ khối cấu trúc của một robot cơ bản và cho biết chức năng các thành phần trong cấu trúc

Câu 2: Cho biết các thành phần chính trong cấu trúc tay máy

Câu 3: Trình bày ƣu khuyết điểm của hệ truyền động điện

Câu 4: Trình bày ƣu khuyết điểm của hệ truyền động khí nén

Câu 5: Trình bày ƣu khuyết điểm của hệ truyền động thủy lực

Câu 6: Cho biết phạm vi áp dụng của các loại tay gắp robot

Câu 7: Vai trò của khối điều khiển robot

Câu 8: Để chuyển tín hiệu tương tự sang số cho bộ điều khiển Robot dùng mạch a DAC b Encoder c Decoder d ADC

Câu 9: Trong các tay máy robot thì khớp dùng phổ biến là a Ít nhất phải có 3 khớp trƣợt b Khớp xoay 1800 c Khớp tịnh tiến d Khớp trƣợt hoặc khớp quay

Câu 10: Tay máy kiểu tọa độ Decac còn gọi là: a Kiểu hình trụ b Kiểu tự do c Kiểu chữ nhật d Kiểu hình cầu

Câu 11: Tay máy Scara là

Chương II: Cấu trúc Robot công nghiệp a Gồm 2 khớp quay và 1 khớp trƣợt, chúng đều có trục song song với nhau b Có 3 khớp đều là khớp quay trong đó trục thứ nhất vuông góc 2 trục còn lại c Dùng 3 khớp trƣợt thực hiện chuyển động thẳng độc lập với nhau d Sử dụng 1 khớp quay và 2 khớp trƣợt hoạt động theo dạng hình trụ

Tay máy kiểu tọa độ trụ có thể được phân loại theo cấu trúc khớp của nó Cụ thể, tay máy này có thể bao gồm 2 khớp quay và 1 khớp trượt, hoặc sử dụng 1 khớp quay và 2 khớp trượt Ngoài ra, tay máy cũng có thể có 3 khớp đều là khớp quay, hoặc sử dụng cả 3 khớp trượt.

Câu 13: Nhận định đúng về tay máy robot là tay máy kiểu cầu khác tay máy kiểu trụ do vị trí khớp thứ 2 sử dụng khớp quay Câu 14: Tay máy có độ cứng vững cao và phù hợp với tải trọng lớn là tay máy kiểu tọa độ Decac.

Tay máy chuyên dùng cho công việc lắp ráp tải trọng nhỏ theo phương đứng là tay máy kiểu Scara Các loại tay máy khác như tay máy kiểu phóng sinh, tay máy tọa độ cầu và kiểu Decac không phù hợp cho mục đích này.

Chương III: Mô hình toán động học Robot

- Xác định cách xây dựng hệ trục tọa độ và quỹ đạo chuyển động của

- Biểu diễn được các phương trình trong chuyển động của Robot

- Phát biểu đƣợc các dạng chuyển động của robot: quay, tịnh tiến ,…

- Thiết lập và giải các bài toán về động lực học thuận – nghịch

Trong lĩnh vực robot, các loại tọa độ và hệ trục tọa độ đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí và chuyển động của robot Bộ thông số Denavit-Hartenberg (DH) được sử dụng để mô tả cấu trúc và quỹ đạo chuyển động của robot một cách chính xác Các bài toán động học thuận và nghịch giúp phân tích và xây dựng phương trình động học, từ đó hiểu rõ hơn về động lực học của robot Việc nắm vững các khái niệm này là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất và khả năng hoạt động của robot trong các ứng dụng thực tế.

Chương III: Mô hình toán động học Robot

MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT

HƯỚNG DẪN CHẾ TẠO ROBOT

GIỚI THIỆU MỘT SỐ ROBOT ĐƠN GIẢN

Tiêu đề	Giáo Trình Robot Công Nghiệp
Tác giả	ThS. Nguyễn Thị Thu Lan, ThS. Nguyễn Đức Lợi, ThS. Lê Kim Hòa, ThS. Trần Ngọc Bình, KS. Võ Phú Cường
Người hướng dẫn	Thầy Trưởng Khoa Kỹ Thuật Điện – Điện Tử
Trường học	Trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải
Chuyên ngành	Ngành: CN KTĐK Và Tự Động Hóa
Thể loại	Giáo Trình
Năm xuất bản	2017
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	202
Dung lượng	6,78 MB