Đặt vấn đề Thời đại hiện nay được dẫn dầu bởi công nghệ, thời đại khoa học công nghệ đòi hỏi phải phát triển không ngừng và luôn phải tìm tòi học tập để tiến bộ. Thiết bị công nghệ được đổi mới tiên tiến để góp phần nâng cao chất lượng cũng như hiệu quả và an toàn, ổn định của các thiết bị, máy móc khi hoạt động. Các bộ vi điều khiển ngày nay được ứng dụng trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội, đặc biệt là trong kỹ thuật tự động hóa và điều khiển từ xa. “Robot” là một thuật ngữ không còn xa lạ gì đối với chúng ta.
Robot là một loại máy đặc biệt, lập trình bởi một máy tính có khả năng thực hiện tự động một loạt các hoạt động phức tạp dưới sự điểu khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình sẵn. Nó được cấu tạo bởi bộ phận cơ khí và phần mềm – điện tử hoạt động tự động giống như con người. Robot hỗ trợ cho con người rất nhiều trong nhiều khía cạnh của cuộc sống như sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, gia đình, nghiên cứu, giải trí…. Trong ngành công nghiệp sản xuất dây chuyền hoặc trong ngành công nghệ nghiên cứu thì người bạn hỗ trợ đắc lực nhất đó chính là cánh tay robot.
Cánh tay Robot được lấy ý tưởng từ cánh tay của con người, dùng để thực hiện cách hành động thay thế sức con người trong công việc như di chuyển vật, sơn, vặn, hàn, gắp, lắp ráp… Hiện nay trên thế giới, kĩ thuật chế tạo robot rất phát triển, được tích hợp nhiều phụ kiện khác nhau, vì thế cánh tay robot rất đa dạng về mẫu mã, kiểu dáng và kích thước để phù hợp cho từng hoàn cảnh, điều kiện sử dụng. Tại Việt Nam, có rất nhiều đơn vị nghiên cứu về robot như: Trung tâm tự động hóa, Học viện Kỹ thuật quân sự, Viện nghiên cứu cơ học và tin học ứng dụng, Dựa vào kiến thức của bản thân, điều kiện chế tạo và ứng dụng của robot, tài liệu thu thập được, cùng với sự giúp đỡ của thầy Trương Ngọc Bảo, chúng em xin được thực hiện đề tài: “Thiết kế và điểu khiển cánh tay Robot 5 bậc tự do”. Vì kinh nghiệm chưa nhiều nên trong quá trình thực hiện sẽ xảy ra nhiều sai phạm, mong thầy cô thông cảm và góp ý cho tụi em sửa chữa. Mục tiêu và yêu cầu Mục tiêu chính trong đề tài này là có thể điều khiển cánh tay Robot gắp vật được đặt trước và tự động gắp được gắp vật được đặt trước, sau đó đặt ở vị trí mục tiêu đã được cho trước.
Và để cánh tay Robot làm được việc này thì ta phải giải quyết một số vấn đề cần thiết để xuất hiện trong quá trình điều khiển. Ví dụ như việc giao tiếp mạch Nhóm thực hiện: Nhóm 999 Trang 1 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ROBOT CÔNG NGHIỆP GVHD: ThS. Trương Ngọc Bảo điều khiển Arduino với tay cầm để có thể điều khiển bằng tay và với các động cơ để điều khiển một cách chính xác nhất. Các mục tiêu cần đạt và yêu cầu cụ thể của đề tài như sau: Thiết kế phần cứng cho cánh tay Robot 5 bậc tự do.
Điều khiển cánh tay Robot đến các vị trí cho trước một cách chính xác. Lập trình điều khiển Robot bằng phần mềm Arduino. Robot vận hành hiệu quả và ổn định. Yêu cầu phần cứng: Kết cấu vận hành Robot phải chắc chắn, ít rung lắc.
Khâu cuối (kẹp) phải đủ lực để gắp vật. Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết cơ bản về robot Thành lập các phương trình động học ngược, động học thuận cho robot Sử dụng phần mềm EASY ROB, MATLAB kết hợp SOLID WORDS để mô phỏng robot Viết chương trình điều khiển robot cho robot trên Arduino. Nhóm thực hiện: Nhóm 999 Trang 2 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ROBOT CÔNG NGHIỆP GVHD: ThS. Trương Ngọc Bảo CHƯƠNG 2.
Giới thiệu về Robot 2. Lịch sử ra đời Robot Năm 1921, Robot được biến thể của từ gốc Slavo “Rabota” do ông Karel Capek (nhà viết kịch viễn tưởng người Séc) sử dụng để đặt tên cho vở kịch “Rossum’s Universal Robots”. Từ này dùng để chỉ một thiết bị lao động do con người (nhân vật Rossum) tạo ra. Tác giả khoa học viễn tưởng Isaac Asimov được cho là người đầu tiên sử dụng thuật ngữ “robot” trong truyện ngắn sáng tác vào những năm 1940.
Asimov cũng đặt tên cho ngành khoa học nghiên cứu về robot là Robotics. Trong câu chuyện, Asimov đề xuất ba nguyên tắc để hướng dẫn hành vi của robot và máy thông minh. Và được gọi tắt là “Asimov Ba luật của Robotics” và đã tồn tại đến ngày nay: Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người. Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra.
Các quy tắc này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất. Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhưng không được vi phạm hai nguyên tắc trước. Robotics được hiểu là một ngành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các robot và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người, như nghiên cứu khoa học, kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh. Từ hiểu biết sơ bộ về chức năng và kết cấu của robot, chúng ta hiểu, Robotics là một khoa học liên ngành, gồm cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin.
Theo thuật ngữ hiện nay, robot là sản phẩm của ngành cơ – điện tử (Mechatronics). Khía cạnh nhân văn và khía cạnh khoa học – kỹ thuật của việc sản sinh ra robot thống nhất ở một điểm: thực hiện hoài bão của con người, là tạo ra thiết bị thay thế mình trong những hoạt động không thích hợp với mình, như: Các công việc lặp đi lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc: vận chuyển nguyên vật liệu, lắp ráp, lau cọ nhà… Trong môi trường khắc nghiệt hoặc nguy hiểm: như ngoài khoảng không vũ trụ, trên chiến trường, dưới nước sâu, trong lòng đất, nơi có phóng xạ, nhiệt độ cao… Những việc đòi hỏi độ chính xác cao, như thông tắc mạch máu hoặc các ống dẫn trong cơ thể, lắp ráp các cấu tử trong vi mạch… Ngày nay, robot được ứng dụng rất rộng rãi và vẫn tiếp tục mở rộng thêm. Robot không còn phỏng tác lại về kết cấu, chức năng, dáng vẻ của con người, mà có nhiều Nhóm thực hiện: Nhóm 999 Trang 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ROBOT CÔNG NGHIỆP GVHD: ThS. Trương Ngọc Bảo robot khác xa với kết cấu các bộ phận cơ thể người và chúng có thể thực hiện những việc vượt xa khả năng của con người.
Drone là ví dụ điển hình cho khả năng này của Robot. Phân loại Robot Thế giới hiện có nhiều Robot được tạo ra mỗi mẫu Robot đều mang những đặc tính và mục đích sử dụng riêng đo đó việc phân loại chúng không hề đơn giản. Có rất nhiều quan điểm để phân loại nhưng có thể nêu ra ba cách phân loại cơ bản như sau: theo kết cấu, theo cách điều khiển và phạm vi ứng dụng của Robot. Phân loại theo kết cấu: Hay còn gọi là phân loại theo hình học, người ta có thể phân loại Robot dựa trên đặc điểm này thành các loại Descartes, trụ, cầu, SCARA, kiểu tay người và các dạng khác.
Phân loại the phương pháp điều khiển: Có 2 kiểu điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín. Điều khiển hở, dùng truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén…) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển. Kiểu này đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp. Điều khiển kín (điều khiển kiểu servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển.
Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm và điều khiển theo đường (contour). Với kiểu điều khiển điểm - điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ không cao (không làm việc). Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng. Kiểu điều khiển này được dùng trên các robot hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, bắn đinh.
Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các robot hàn hồ quang, phun sơn. Phân loại theo ứng dụng: Cách phân loại này dựa vào mục đích sử dụng của Robot. Ví dụ như: robot công nghiệp, robot dùng trong nghiên cứu khoa học, robot dùng trong kỹ thuật vũ trụ, robot dùng trong quân sự… Ngoài những kiểu phân loại trên còn có: Phân loại theo hệ thống năng lượng, phân loại theo hệ thống truyền động, phân loại theo độ chính xác… Nhóm thực hiện: Nhóm 999 Trang 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ROBOT CÔNG NGHIỆP GVHD: ThS.
Trương Ngọc Bảo 2. Cánh tay robot Cánh tay robot là một tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng khác. (Theo Viện nghiên cứu Robot của Mỹ) Ý tưởng ban đầu của việc thiết kế và chế tạo tay máy là phỏng tác cấu tạo và chứcnăng của tay người. Về sau, đây không còn là điều bắt buộc nữa.
Tay 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, như vai (Shoulder), cánh tay (Arm), cổ tay (Wrist), bàn tay (Hund) và các khớp (Articulations)… để chỉ tay máy và các bộ phận của nó. Kết cấu tay máy. Trong thiết kế và sử dụng tay máy, người ta quan tâm đến các thông số có ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của chúng, như: Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay… Tầm với hay vùng làm việc: kích thước và hình dáng vùng mà phần công tác (khâu chấp hành) có thể với tới.
Sự khéo léo, nghĩa là khả năng định vị và định hướng phần công tác (khâu chấp hành) trong vùng làm việc. Thông số này liên quan đến số bậc tự do của phần công tác. Để định vị và định hướng phần công tác một cách tuỳ ý trong không gian 3 chiều nó cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị, 3 bậc tự do để định hướng. Một số công việc như nâng, hạ, xếp… yêu cầu số bậc tự do ít hơn 6 (vì sẽ chắc chắn hơn).
Robot hàn, sơn thường có 6 bậc tự do.