Đồ Án Môn Học: Thiết Kế Robot Công Nghiệp 5 Bậc Tự Do - Đại Học Thái Nguyên

Đồ án thiết kế robot công nghiệp 5 bậc tự do, trình bày tính toán động học, mô phỏng 3D và xây dựng hệ thống điều khiển hoàn chỉnh cho sinh viên.

• Tác giả: Nguyễn Tuấn Anh
• Người hướng dẫn: Th.s Ngô Văn An
• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Robot 5 Bậc Tự Do Chỉ Sử Dụng Khớp Quay
• Loại tài liệu: Đồ Án Môn Học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI NÓI ĐẦU
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
• 1.1. Tổng quan về Robot công nghiệp
• 1.2. Lịch sử phát triển
• 1.3. Cấu trúc chung của Robot công nghiệp
• 1.4. Phân loại robot công nghiệp
• 1.4.1. Theo không gian làm việc
• 1.4.1.1. Robot tọa độ vuông góc
• 1.4.1.2. Robot tọa độ trụ (cylindrical robot)
• 1.4.1.3. Robot tọa độ cầu (spherical robot)
• 1.4.1.4. Robot khớp bản lề (articular robot)
• 1.4.2. Phân loại theo thế hệ
• 1.4.2.1. Robot thế hệ thứ nhất
• 1.4.2.2. Robot thể hệ thứ hai
• 1.4.2.3. Robot thế hệ thứ ba
• 1.4.2.4. Robot thế hệ thứ tư
• 1.4.2.5. Robot thế hệ thứ năm
• 1.4.3. Phân loại theo bộ điều khiển
• 1.4.3.1. Robot gắp - đặt
• 1.4.3.2. Robot đường dẫn liên tục
• 1.4.4. Phân loại robot theo nguồn dẫn động
• 1.4.4.1. Robot dùng nguồn cấp điện
• 1.4.4.2. Robot dùng nguồn khí nén
• 1.4.4.3. Robot dùng nguồn thuỷ lực
• 1.4.5. Phân theo tính năng robot
• 1.4.5.1. Robot di động (mobile robot)
• 1.4.5.2. Tay máy (manipulator)
• 1.4.5.3. Haptics (điều khiển từ xa)
• 1.5. Ứng dụng của Robot
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC ROBOT
• 2.1. Tổng hợp cấu trúc động học
• 2.2. Bài toán động học thuận
• 2.3. Động học ngược robot
• 3. CHƯƠNG 3: QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT
• 3.1. Thiết kế quỹ đạo chuyển động trong không gian làm việc
• 3.2. Cở sở nội suy quỹ đạo trong không gian khớp
• 3.3. Nội suy quỹ đạo trong không gian khớp
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT CẤU ROBOT HÀN VẬT
• 4.1. Mô phỏng robot 5 bậc tự do hàn vật trên phầm mềm vẽ 3D solidworks
• 4.2. Kết cấu robot hàn vật

Tóm tắt

I. Khám Phá Toàn Cảnh Đồ Án Robot Công Nghiệp 5 Bậc Tự Do

Đồ án thiết kế robot công nghiệp 5 bậc tự do là một đề tài nghiên cứu chuyên sâu, tập trung vào việc tạo ra một tay máy có khả năng hoạt động linh hoạt trong các dây chuyền sản xuất tự động. Sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là ngành tự động hóa, đã thúc đẩy việc ứng dụng robot vào công nghiệp nhằm tăng năng suất, cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm thiểu sức lao động của con người trong môi trường độc hại. Đồ án này không chỉ giải quyết các vấn đề về cơ khí, động học mà còn tích hợp các giải pháp điều khiển hiện đại, điển hình là sử dụng bộ điều khiển PLC. Việc hiểu rõ cấu trúc, nguyên lý hoạt động và các bài toán cốt lõi là nền tảng quan trọng để hoàn thành mục tiêu thiết kế. Một robot công nghiệp hoàn chỉnh được cấu thành từ nhiều hệ thống phức tạp, bao gồm tay máy cơ khí, cơ cấu chấp hành, hệ thống cảm biến và bộ điều khiển trung tâm. Nghiên cứu này tập trung vào loại robot chỉ sử dụng khớp quay, một cấu hình phổ biến nhờ khả năng mô phỏng chuyển động của cánh tay người, mang lại không gian làm việc rộng và linh hoạt. Quá trình thiết kế đòi hỏi sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa lý thuyết cơ học, thuật toán điều khiển và công cụ mô phỏng máy tính để đảm bảo robot hoạt động chính xác và hiệu quả trong thực tế.

1.1. Lịch sử phát triển và vai trò của robot trong công nghiệp

Lịch sử của robot bắt nguồn từ khát vọng tạo ra những cỗ máy phục vụ con người, tuân thủ ba nguyên tắc cơ bản do Isaac Asimov đề ra. Sản phẩm robot công nghiệp đầu tiên, Unimate và Verstran, ra đời vào những năm 1960 tại Mỹ, đánh dấu một cuộc cách mạng trong ngành công nghiệp ô tô. Từ đó, các quốc gia phát triển như Nhật, Đức, Thụy Điển đã tham gia vào cuộc đua sản xuất robot công nghiệp. Sự tiến bộ của công nghệ vi xử lý và tin học trong những năm 80 đã làm cho robot trở nên thông minh hơn và giá thành giảm. Ngày nay, robot không chỉ là công cụ thay thế con người trong các công việc lặp đi lặp lại, nặng nhọc hay nguy hiểm mà còn là nhân tố cốt lõi trong các hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) và sản xuất tích hợp máy tính (CIM). Vai trò của chúng ngày càng quan trọng, giúp doanh nghiệp tiết giảm chi phí nhân công, tăng chất lượng sản phẩm đồng đều, nâng cao năng suất và đảm bảo an toàn lao động.

1.2. Cấu trúc chung và phân loại tay máy công nghiệp 5 bậc tự do

Một robot công nghiệp điển hình bao gồm ba thành phần chính: tay máy (manipulator), cơ cấu chấp hành và hệ thống điều khiển. Tay máy là một chuỗi động hở gồm các khâu nối với nhau bằng các khớp, thường là khớp quay hoặc khớp tịnh tiến. Trong đồ án này, đối tượng nghiên cứu là robot 5 bậc tự do chỉ sử dụng khớp quay. Việc phân loại robot có thể dựa trên nhiều tiêu chí. Theo không gian làm việc, có robot tọa độ Descartes, tọa độ trụ, tọa độ cầu và robot khớp bản lề (articular robot). Robot 5 bậc tự do dạng khớp bản lề là loại phổ biến nhất. Theo thế hệ, robot được chia từ thế hệ thứ nhất (hoạt động theo chương trình cứng) đến thế hệ thứ năm (trang bị trí tuệ nhân tạo). Theo nguồn dẫn động, có robot sử dụng động cơ điện, hệ thống khí nén hoặc thủy lực. Việc lựa chọn cấu trúc và phân loại phù hợp là bước đầu tiên để xác định khả năng và ứng dụng của robot trong một nhiệm vụ cụ thể, ví dụ như hàn vật.

II. Thách Thức Trong Bài Toán Động Học Robot Công Nghiệp 5 Bậc Tự Do

Nghiên cứu động học là phần cốt lõi và thách thức nhất trong quá trình thiết kế robot công nghiệp 5 bậc tự do. Động học robot nghiên cứu mối quan hệ hình học giữa vị trí, vận tốc và gia tốc của các khớp (không gian khớp) với vị trí, vận tốc và gia tốc của khâu tác động cuối (end-effector) trong không gian làm việc. Việc giải quyết thành công các bài toán động học cho phép bộ điều khiển tính toán chính xác các góc khớp cần thiết để đưa tay máy đến một vị trí và hướng mong muốn. Thách thức chính nằm ở việc xây dựng một mô hình toán học chính xác cho cấu trúc cơ khí của robot và tìm ra lời giải cho các hệ phương trình phi tuyến phức tạp. Hai bài toán cơ bản trong lĩnh vực này là bài toán động học thuận và bài toán động học ngược. Trong khi bài toán thuận có lời giải duy nhất và tương đối đơn giản, bài toán ngược lại phức tạp hơn nhiều, có thể có nhiều lời giải, vô nghiệm hoặc đòi hỏi các phương pháp tính toán số học phức tạp để tìm ra kết quả. Việc này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng lập trình và điều khiển quỹ đạo chuyển động của robot.

2.1. Phân tích bài toán động học thuận và ý nghĩa thực tiễn

Bài toán động học thuận (Forward Kinematics) có mục tiêu xác định vị trí và hướng của khâu tác động cuối (ví dụ: đầu hàn) khi biết trước giá trị của tất cả các biến khớp (các góc quay q1, q2, q3, q4, q5). Đây là bài toán cơ bản, giúp người thiết kế và lập trình viên kiểm tra không gian làm việc của robot và mô phỏng chuyển động của nó trên phần mềm. Lời giải của bài toán này luôn tồn tại và là duy nhất cho một cấu hình robot cụ thể. Phương pháp phổ biến nhất để giải quyết là sử dụng quy ước Denavit-Hartenberg (D-H) để thiết lập các hệ tọa độ trên từng khâu và xây dựng các ma trận biến đổi đồng nhất. Tích của các ma trận này sẽ cho ra ma trận tổng hợp mô tả vị trí và hướng của khâu cuối so với hệ tọa độ gốc. Kết quả này là đầu vào quan trọng cho các bước mô phỏng và phân tích động lực học sau này.

2.2. Sự phức tạp của bài toán động học ngược và phương pháp giải

Bài toán động học ngược (Inverse Kinematics) là bài toán ngược lại: cho trước vị trí và hướng mong muốn của khâu tác động cuối, cần tìm ra bộ giá trị các biến khớp tương ứng. Đây là bài toán có ý nghĩa thực tiễn to lớn, vì trong hầu hết các ứng dụng công nghiệp, robot cần di chuyển đến các điểm đã được xác định trước trong không gian. Tuy nhiên, bài toán này phức tạp hơn nhiều do tính phi tuyến của các phương trình. Một vị trí trong không gian có thể được tiếp cận bằng nhiều cấu hình khớp khác nhau (đa lời giải). Đối với robot 5 bậc tự do, việc tìm lời giải giải tích có thể khó khăn. Do đó, các phương pháp số thường được áp dụng. Như trong đồ án này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng công cụ Solver trong Excel để giải hệ 5 phương trình phi tuyến, tìm ra bộ biến khớp (q1 đến q5) thỏa mãn tọa độ và hướng cho trước của tay hàn. Phương pháp này tuy hiệu quả nhưng đòi hỏi phải có một điểm khởi đầu tốt và có thể chỉ tìm được một trong số nhiều lời giải khả dĩ.

III. Phương Pháp Denavit Hartenberg Trong Động Học Thuận Robot

Để giải quyết bài toán động học thuận cho robot công nghiệp 5 bậc tự do, phương pháp Denavit-Hartenberg (D-H) được xem là tiêu chuẩn vàng. Phương pháp này cung cấp một quy trình hệ thống để gán các hệ tọa độ lên từng khâu của tay máy, từ đó đơn giản hóa việc mô tả mối quan hệ hình học giữa các khâu kề nhau. Mỗi phép biến đổi từ hệ tọa độ của khâu i-1 sang khâu i được biểu diễn bởi một ma trận biến đổi đồng nhất 4x4, được xây dựng dựa trên bốn tham số D-H: aᵢ (chiều dài khâu), αᵢ (góc xoắn khâu), dᵢ (khoảng cách khớp), và θᵢ (góc khớp). Đối với robot chỉ sử dụng khớp quay, θᵢ chính là các biến khớp. Bằng cách thiết lập bảng thông số D-H cho toàn bộ cấu trúc robot, ta có thể tính toán ma trận biến đổi tổng hợp từ gốc đến khâu tác động cuối. Ma trận này chứa đựng đầy đủ thông tin về vị trí (Px, Py, Pz) và hướng (ma trận xoay 3x3) của đầu công tác. Việc tính toán ma trận này thường được hỗ trợ bởi các công cụ phần mềm như Matlab để xử lý các phép nhân ma trận phức tạp và tránh sai sót.

3.1. Quy tắc đặt hệ tọa độ và lập bảng thông số D H

Cơ sở của phương pháp Denavit-Hartenberg là việc thiết lập một hệ tọa độ Đề-các (Oxyz) cho mỗi khâu của robot theo một quy ước thống nhất. Trục zᵢ được đặt trùng với trục của khớp thứ i+1. Trục xᵢ là đường vuông góc chung giữa zᵢ₋₁ và zᵢ. Gốc tọa độ Oᵢ là giao điểm của xᵢ và zᵢ. Trục yᵢ được xác định theo quy tắc bàn tay phải. Sau khi đã gán tất cả các hệ tọa độ từ gốc (khâu 0) đến khâu cuối (khâu 5), bốn tham số D-H được xác định cho mỗi khâu. Các tham số này mô tả các phép quay và tịnh tiến cần thiết để đưa hệ tọa độ (i-1) về trùng với hệ tọa độ (i). Toàn bộ thông tin này được tổng hợp trong một bảng gọi là bảng thông số D-H. Bảng này là nền tảng để xây dựng các phương trình động học, thể hiện rõ ràng cấu trúc hình học của robot 5 bậc tự do.

3.2. Xây dựng ma trận biến đổi thuần nhất cho các khớp quay

Từ bảng thông số D-H, ma trận biến đổi thuần nhất Aᵢ₋₁,ᵢ mô tả vị trí và hướng của hệ tọa độ {i} so với hệ tọa độ {i-1} được xây dựng. Ma trận này là tích của bốn ma trận biến đổi cơ sở: một phép quay quanh trục zᵢ₋₁, một phép tịnh tiến dọc trục zᵢ₋₁, một phép tịnh tiến dọc trục xᵢ, và một phép quay quanh trục xᵢ. Sau khi có các ma trận A cho từng khớp, ma trận biến đổi tổng hợp T từ hệ tọa độ gốc {0} đến hệ tọa độ cuối {5} được tính bằng cách nhân chuỗi các ma trận thành phần: T₀⁵ = A₀¹ * A₁² * A₂³ * A₃⁴ * A₄⁵. Ma trận T₀⁵ cuối cùng này sẽ biểu diễn vị trí và hướng của tay hàn dưới dạng một hàm phụ thuộc vào năm biến khớp q1, q2, q3, q4, q5. Các phần tử trong cột cuối cùng của ma trận T cho biết tọa độ (Px, Py, Pz), trong khi ma trận con 3x3 ở góc trên bên trái mô tả hướng của khâu tác động cuối.

IV. Hướng Dẫn Thiết Kế Quỹ Đạo Chuyển Động Cho Robot 5 Bậc Tự Do

Sau khi giải thành công bài toán động học ngược, bước tiếp theo trong thiết kế robot công nghiệp 5 bậc tự do là lập kế hoạch và nội suy quỹ đạo chuyển động. Quỹ đạo chuyển động là một hàm của thời gian, mô tả đường đi mà khâu tác động cuối (hoặc các khớp) phải tuân theo để di chuyển từ điểm bắt đầu đến điểm kết thúc. Một quỹ đạo tốt không chỉ đảm bảo robot đến đúng vị trí mà còn phải mượt mà, tránh các thay đổi đột ngột về vận tốc và gia tốc, vốn có thể gây ra rung động, hao mòn cơ khí và sai số. Việc thiết kế quỹ đạo thường được thực hiện trong không gian khớp (joint space) thay vì không gian làm việc (Cartesian space) vì tính toán đơn giản hơn và tránh được các điểm kỳ dị. Quá trình này bao gồm việc xác định các điểm chốt (via points) trên đường đi và sử dụng các hàm toán học, chẳng hạn như đa thức bậc ba, để nội suy đường cong chuyển động giữa các điểm này cho từng biến khớp. Điều này đảm bảo sự chuyển tiếp trơn tru tại các điểm nối tiếp và giúp robot hoạt động ổn định.

4.1. Cơ sở nội suy quỹ đạo trong không gian khớp bằng đa thức

Nội suy quỹ đạo trong không gian khớp là phương pháp phổ biến để tạo ra chuyển động mượt mà. Giả sử robot cần di chuyển qua một chuỗi các điểm đã được xác định trước. Trước tiên, bài toán động học ngược được giải tại mỗi điểm để tìm ra các bộ giá trị biến khớp tương ứng. Sau đó, một hàm đa thức theo thời gian được sử dụng để nội suy đường đi của từng khớp giữa hai điểm liên tiếp. Đa thức bậc ba là lựa chọn phổ biến vì nó cho phép xác định bốn hằng số, đủ để thỏa mãn bốn điều kiện biên: vị trí ban đầu, vị trí cuối, vận tốc ban đầu và vận tốc cuối. Bằng cách đặt vận tốc tại các điểm trung gian bằng không hoặc tính toán để đảm bảo tính liên tục, ta có thể tạo ra một quỹ đạo chuyển động liên tục và trơn tru về mặt vận tốc cho toàn bộ hành trình của tay máy.

4.2. Biểu diễn sự thay đổi của các biến khớp theo thời gian

Kết quả của quá trình nội suy quỹ đạo là một tập hợp các phương trình, mỗi phương trình mô tả giá trị của một biến khớp (q1, q2, ..., q5) như một hàm của thời gian t. Để kiểm tra và đánh giá quỹ đạo, các đồ thị biểu diễn sự thay đổi của từng biến khớp theo thời gian được vẽ ra. Các đồ thị này cung cấp một cái nhìn trực quan về chuyển động của từng khớp. Qua đó, người thiết kế có thể nhận xét xem chuyển động có mượt mà không, vận tốc và gia tốc có nằm trong giới hạn cho phép của động cơ hay không. Ví dụ, trong đồ án, các biểu đồ cho thấy sự thay đổi của q1 đến q5 theo thời gian khi robot di chuyển qua 14 điểm làm việc, tạo thành một chu trình hàn vật ổn định. Phân tích các biểu đồ này là bước quan trọng để tinh chỉnh các tham số quỹ đạo, đảm bảo robot 5 bậc tự do hoạt động hiệu quả và an toàn.

V. Bí Quyết Mô Phỏng Thiết Kế Robot Hàn Vật 3D Trên Solidworks

Mô phỏng là một giai đoạn không thể thiếu trong quy trình thiết kế robot công nghiệp 5 bậc tự do. Việc sử dụng các phần mềm thiết kế 3D như Solidworks cho phép các kỹ sư xây dựng, kiểm tra và tối ưu hóa mô hình robot một cách trực quan trước khi chế tạo. Solidworks là một công cụ mạnh mẽ, tích hợp nhiều chức năng từ thiết kế tham số (CAD), phân tích kỹ thuật (CAE) đến hỗ trợ sản xuất (CAM). Đối với đồ án robot hàn vật, phần mềm này được sử dụng để dựng mô hình 3D chi tiết cho từng khâu, khớp và cơ cấu chấp hành. Thông qua môi trường lắp ráp (Assembly), các chi tiết được kết nối với nhau, cho phép mô phỏng các chuyển động quay của khớp. Quá trình mô phỏng giúp phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn như va chạm giữa các khâu, không gian làm việc bị giới hạn, hoặc các điểm yếu trong kết cấu cơ khí. Điều này giúp tiết kiệm đáng kể thời gian, chi phí và công sức so với việc thử nghiệm trên mẫu thật. Việc mô phỏng chính xác cũng là cơ sở để xác minh lại các kết quả tính toán từ bài toán động học.

5.1. Quy trình dựng mô hình 3D và lắp ráp kết cấu robot

Quá trình mô phỏng bắt đầu bằng việc sử dụng chức năng CAD (Computer-Aided Design) của Solidworks. Từng bộ phận của robot hàn vật, từ đế, các cánh tay, cổ tay cho đến đầu hàn, đều được thiết kế dưới dạng các chi tiết 3D (Part). Kỹ thuật mô hình hóa tham số cho phép dễ dàng thay đổi kích thước và hình dạng. Sau khi tất cả các chi tiết được hoàn thành, chúng được đưa vào môi trường lắp ráp (Assembly). Tại đây, các ràng buộc (mates) được áp dụng để định vị các chi tiết và định nghĩa chuyển động tương đối giữa chúng. Ví dụ, ràng buộc đồng tâm (concentric) và trùng mặt (coincident) được sử dụng để tạo ra các khớp quay, cho phép các khâu xoay quanh một trục chung. Quá trình này tạo ra một mô hình số hoàn chỉnh của robot 5 bậc tự do, sẵn sàng cho các bước phân tích và mô phỏng chuyển động.

5.2. Vai trò của phân tích CAE và mô phỏng động học trên Solidworks

Bên cạnh CAD, Solidworks còn cung cấp các công cụ Phân tích Kỹ thuật bằng Máy tính (CAE - Computer-Aided Engineering). Chức năng này cho phép thực hiện các bài toán phân tích tĩnh học để kiểm tra độ bền, ứng suất và biến dạng của các chi tiết dưới tác động của tải trọng. Điều này rất quan trọng để đảm bảo kết cấu robot đủ cứng vững và an toàn khi vận hành. Hơn nữa, modul Motion Study trong Solidworks cho phép thực hiện mô phỏng động học. Người dùng có thể gán các chuyển động quay cho từng khớp, dựa trên kết quả từ bài toán thiết kế quỹ đạo, và quan sát toàn bộ robot hoạt động trong không gian 3D. Mô phỏng động học giúp kiểm tra trực quan quỹ đạo, phát hiện va chạm, và xác định vận tốc, gia tốc của các điểm trên robot. Đây là bước kiểm chứng cuối cùng, liên kết giữa lý thuyết tính toán và mô hình vật lý, đảm bảo tính khả thi của toàn bộ dự án thiết kế robot công nghiệp.

VI. Kết Luận Về Đồ Án Thiết Kế Robot Công Nghiệp 5 Bậc Tự Do

Đồ án thiết kế robot công nghiệp 5 bậc tự do chỉ sử dụng khớp quay đã hoàn thành các nhiệm vụ cốt lõi, từ việc tổng quan lý thuyết đến giải quyết các bài toán chuyên sâu và mô phỏng thực tế. Nghiên cứu đã thành công trong việc xây dựng mô hình toán học cho robot, áp dụng phương pháp Denavit-Hartenberg để giải bài toán động học thuận và sử dụng phương pháp số để giải bài toán động học ngược. Bên cạnh đó, việc thiết kế và nội suy quỹ đạo chuyển động trong không gian khớp đã được thực hiện, đảm bảo robot hoạt động mượt mà và ổn định. Toàn bộ thiết kế cơ khí và chuyển động của robot đã được mô phỏng và kiểm chứng thành công trên phần mềm Solidworks, cho thấy tính đúng đắn của các bước tính toán và tính khả thi của thiết kế. Kết quả của đồ án không chỉ là một mô hình robot hoàn chỉnh mà còn là nền tảng kiến thức vững chắc cho các nghiên cứu và phát triển sâu hơn trong lĩnh vực robot công nghiệp tại Việt Nam, đặc biệt trong các ứng dụng như hàn, gắp đặt và lắp ráp sản phẩm.

6.1. Tổng kết các kết quả chính đã đạt được trong đồ án

Đồ án đã đạt được nhiều kết quả quan trọng. Thứ nhất, đã giải quyết triệt để hai bài toán động học cho robot 5 bậc tự do. Bài toán động học thuận được giải bằng phương pháp D-H với sự hỗ trợ của Matlab, cho ra hệ phương trình vị trí chính xác. Bài toán động học ngược được giải bằng công cụ Solver trên Excel, xác định được các bộ biến khớp tương ứng với các điểm làm việc mong muốn. Thứ hai, đã xây dựng thành công quỹ đạo chuyển động cho một chu trình hàn vật, dựa trên phương pháp nội suy đa thức bậc ba, đảm bảo chuyển động trơn tru. Thứ ba, đã hoàn thiện mô hình 3D chi tiết của robot hàn vật trên Solidworks, đồng thời mô phỏng thành công chuyển động theo quỹ đạo đã thiết kế. Các kết quả này cho thấy sự liên kết chặt chẽ giữa lý thuyết, tính toán và mô phỏng, là một quy trình chuẩn trong việc thiết kế các hệ thống cơ điện tử phức tạp.

6.2. Hướng phát triển và ứng dụng thực tiễn của robot 5 bậc tự do

Mô hình robot công nghiệp 5 bậc tự do được thiết kế trong đồ án có tiềm năng ứng dụng rộng rãi. Trong tương lai, hướng phát triển có thể tập trung vào việc tối ưu hóa kết cấu cơ khí để giảm khối lượng và tăng tốc độ hoạt động. Hệ thống điều khiển có thể được nâng cấp bằng cách sử dụng các thuật toán điều khiển thông minh hơn như điều khiển thích nghi hoặc điều khiển mờ (Fuzzy Logic) để cải thiện độ chính xác và khả năng đáp ứng với sự thay đổi của môi trường. Về ứng dụng, ngoài nhiệm vụ hàn vật, robot có thể được điều chỉnh để thực hiện các công việc khác như sơn, cắt, lắp ráp linh kiện điện tử, hoặc gắp đặt sản phẩm trong các dây chuyền đóng gói. Việc tích hợp thêm hệ thống thị giác máy (machine vision) sẽ mở ra khả năng cho robot nhận dạng và tương tác với các đối tượng một cách linh hoạt, tiến gần hơn đến các robot thế hệ thứ ba và thứ tư.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP.1 Tổng quan về Robot công nghiệp.1 Lịch sử phát triển. Từ thời cổ xưa con người đã mong muốn tạo ra những vật giống mình để bắt chúng phục vụ mình nhưng phải thoả mãn ba nguyên tắc cơ bản sau: - Robot không được xúc phạm can người và không gây tổn hại do con người. - Hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra, | quy tắc này không vi phạm nguyên tắc thứ nhất. • Một robot phải bảo vệ sự sống của mình nhưng không vi phạm hai nguyên tắc trên.

Các nguyên tắc trên trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot, bổ sung lưu cấu này khoa học viễn tưởng robot được giới kỹ thuật hình dung như chiếc máy đặc biệt để thay thế mình trong một số công việc lặp đi lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc, vận chuyển, lắp ráp, trong môi trường khắc nghiệt như ngoài khoảng không vò trố, trong lòng đất, lò phản ứng hạt nhân. Sản phẩm đầu tiên có tên gọi người máy công nghiệp là verstran của công ty Mỹ, cũng vào khoảng thời gian này Mỹ xuất hiện một loại người máy tminate : 1900 dùng đầu tiên trong kĩ nghệ ôtô, tiếp theo Mỹ và các nước khác cũng bắt đầu sản xuất ra người máy công nghiệp như Anh, Thuỵ Điển, Nhật, Đức, Italia. Cùng theo bản quyền của Mỹ các nước trên thế giới đã chạy đua sản xuất robot công nghiệp năm 1967 trường đại học tổng hợp Stanford Mỹ đã hoàn thành người máy hoạt động theo mắt và chân, có khả năng định hướng và nhận biết bằng bàn kẹp năm 1974 công ty cineinnati của Mỹ đã đưa ra người máy điều khiển bằng máy tính gọi là người máy T3, người máy này có khả năng nâng được vật có khối lượng 40kg và vật nâng chuyển trên băng tải. Vào những năm 80 do áp dụng rộng dãi các tiến bộ khoa học như vi xử lý và tin học, người máy gia tăng và giá thành cũng giảm.2 Cấu trúc chung của Robot công nghiệp.

Một Robot công nghiệp được cấu thành bởi các hệ thống sau: - Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo lên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay (End Effector) để trực tiếp hoàn thành các thao tác trên đối tượng. - Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thủy lực, khí nén hoặc kết hợp giữa chúng.

- Hệ thống cảm biến gồm các sensor và thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác. Các robot cần hệ thống sensor trong 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. Hệ thống điều khiển (controller) hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot.3 Phân loại robot công nghiệp. - Theo không gian làm việc 1.

Robot tọa độ vuông góc Robot loại này có ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vuông góc. Không gian làm việc của nó có dạng hình hộp chữ nhật. Cấu hình này được sử dụng khi không gian làm việc lớn hoặc khi cần sự chính xác nhất quán được mong đợi từ robot.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.Robot toạ độ cầu (spherical robot) 11 | P a g e Robot hình cầu là một robot có hai khớp quay và một khớp lăng trụ; Nói cách khác, nó gồm có hai trục quay và một trục tuyến tính. Robot hình cầu có một cánh tay có không gian hoạt động theo tọa độ hình cầu.3: Sơ đồ và nguyên lý robot cầu 4.Robot khớp bản lề (articular robot) Một robot khớp nối (khớp bản lề) là một robot với các khớp quay.

Các robot khớp nối có thể bao gồm từ cấu trúc hai khớp đơn giản đến các hệ thống có 10 khớp hoặc nhiều khớp hơn tƣơng tác với nhau. Ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba trục quay, cả kiểu robot SCARA Hình 1.4 12 | P a g e +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 cũng có hai dạng; chương trình “cứng” thì không thay đổi được như điều khiển bằng hệ thống cam và điều khiển với chương trình thì có thể thay đổi theo yêu cầu công nghệ của môi trường sử dụng nhờ các bảng điều khiển (Panel) hoặc máy tính. Đặc điểm:  Sử dụng tổ hợp các cơ cấu cam với công tác giới hạn hành trình.

 Điều khiển vòng hở.  Có thể sử dụng băng từ hoặc băng đục lỗ để đưa chương trình vào bộ điều khiển, tuy nhiên loại này không thay đổi chương trình được.  Sử dụng phổ biến trong công việc gắp – đặt (pick and place).Robot thể hệ thứ hai Trong trường hợp này robot được trang bị các bộ cảm biến (sensors) cho phép cung cấp tín hiệu phản hồi hỗ trở lại hệ thống điều khiển về trạng thái, vị trí không gian của robot cũng như những thông tin về môi trường bên ngoài như trạng thái, vị trí của đối tượng thao tác, của các máy công nghệ mà robot phối hợp, nhiệt độ của môi trường, v.v… giúp cho bộ điều khiển có thể lựa chọn những thuật toán thích hợp để điều khiển robot thực hiện những thao tác xử lý phù hợp. Nói cách khác, đây cũng là robot với điều khiển theo chương trình nhưng có thể tự điều chỉnh hoạt động thích ứng với những thay đổi của môi trường thao tác.

Dạng robot với trình độ điều khiển này còn được gọi là robot được điều khiển thích nghi cấp thấp. Robot thế hệ này bao gồm các robot sử dụng cảm biến trong điều khiển (sensor – controlled robots) cho phép tạo được những vòng điều khiển kín kiểu servo. Đặc điểm:  Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy.  Có thể tự ra quyết định lựa chọn chương trình đáp ứng dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến nhờ các chương trình đã được cài đặt từ trƣớc.

 Hoạt động của robot có thể lập trình được nhờ các công cụ như bàn phím, pa-nen điều khiển.Robot thế hệ thứ ba Đây là dạng phát triển cao nhất của robot tự cảm nhận. Các robot ở đây được trang bị những thuật toán xử lý các phản xạ logic thích nghi theo những thông tin và tác động của môi trƣờng lên chúng; nhờ đó robot tự biết phải làm gì để hoàn thành được công việc đã được 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 13 | P a g e máy. Robot thế hệ này bao gồm các robot được trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh trong điều khiển (Vision – controlled robots) cho phép nhìn thấy và nhận dạng các đối tượng thao tác.

Đặc điểm:  Có những đặc điểm như loại trên và điều khiển hoạt động trên cơ sở xử lý thông tin thu nhận được từ hệ thống thu nhận hình ảnh (Vision systems – Camera).  Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp như phân biệt các đối tượng có hình dạng và kích thước khá khác biệt nhau. Robot thế hệ thứ tư 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 chọn các đáp ứng tuân theo một mô hình tính toán xác định trước nhằm tạo ra những ứng xử phù hợp với điều kiện của môi trường thao tác. Đặc điểm:  Có những đặc điểm tương tự như thế hệ thứ hai và thứ ba, có khả năng tự động lựa chọn chương trình hoạt động và lập trình lại cho các hoạt động dựa trên các tín hiệu thu nhận được từ cảm biến.

 Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tượng đối lớn để giải các bài toán tối ưu với điều kiện biên không được xác định trước. Kết quả của bài toán sẽ là một tập hợp các tín hiệu điều khiển các đáp ứng của robot. Robot thế hệ thứ năm Là tập hợp những robot được trang bị trí tuệ nhân tạo (artificially intelligent robot) Đặc điểm:  Robot được trang bị các kỹ thuật của trí tuệ nhân tạo như nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tượng qua tiếp xúc, v.v… để ra quyết định và giải quyết các vấn đề hoặc nhiệm vụ đặt ra cho nó.  Robot được trang bị mạng Neuron có khả năng tự học.

 Robot được trang bị các thuật toán dạng Neuron Fuzzy/Fuzzy Logic để tự suy nghĩ và ra quyết định cho các ứng xử tượng thích với những tín hiệu nhận được từ môi trường theo những thuật toán tối ưu một hay nhiều mục tiêu đồng thời.5 14 | P a g + Phân loại theo bộ điều khiển 1. Robot gắp - đặt Robot này thường nhỏ và sử dụng nguồn dẫn động khí nén. Bộ điều khiển phổ biến là bộ điều khiển lập trình (PLC) để thực hiện điều khiển vòng hở. Robot hoạt động căn cứ vào các tín hiệu phản hồi từ các tiếp điểm giới hạn hành trình cơ khí đặt trên các trục của tay máy.6: Robot gắp- đặt 2.

Robot đường dẫn liên tục Robot loại này sử dụng bộ điều khiển servo thực hiện điều khiển vòng kín. Hệ thống điều khiển liên tục là hệ thống trong đó robot được lập trình theo một đường chính xác. Trong hệ thống điều khiển này, đường dẫn được biểu điễn bằng một loạt các điểm rời rạc gần nhau và được lưu vào bộ nhớ robot, sau đó robot sẽ thực hiện lại chính xác đường dẫn đó.7: Robot đường dẫn liên tục +Phân loại robot theo nguồn dẫn động 1. Robot dùng nguồn cấp điện Nguồn điện cấp cho robot thường là DC để điều khiển động cơ DC.

Hệ thống dùng nguồn AC cũng được chuyển đổi sang DC. 15 | P a g Các động cơ sử dụng thường là động cơ bước, động cơ DC servo, động cơ AC servo. Robot loại này có thiết kế gọn, chạy êm, định vị rất chính xác. Các ứng dụng phổ biến là robot sơn, hàn.

Robot dùng nguồn khí nén Hệ thống cán được trang bị máy nén, bình chứa khí và động cơ kéo máy nén.