Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điều khiển robot 2 bậc tự do tại Đại học Bách Khoa Hà Nội

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật điều khiển robot 2 bậc tự do, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Hoàng Thăng Long
• Người hướng dẫn: GS. Phan Xuân Minh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điều Khiển và Tự Động Hóa
• Đề tài: Điều Khiển Robot 2 Bậc Tự Do
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
• 1.1. Sơ lược về sự phát triển Robot công nghiệp
• 1.2. Định nghĩa về robot và một số khái niệm
• 1.2.1. Các định nghĩa về Robot công nghiệp
• 1.2.2. Một số khái niệm
• 1.3. Một số thông số đặc trưng của hệ thống Robot
• 1.4. Mục tiêu và ứng dụng của Robot công nghiệp
• 1.4.1. Mục tiêu ứng dụng của Robot công nghiệp
• 1.4.2. Ứng dụng và mô hình hóa Robot công nghiệp
• 2. CHƯƠNG II: ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT
• 2.1. Đặc điểm điều khiển trượt
• 2.2. Nguyên lý điều khiển trượt
• 2.3. Tổng hợp tín hiệu điều khiển trượt
• 3. CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO ROBOT 2 BẬC TỰ DO
• 3.1. Mô hình Robot Planar 2 bậc tự do
• 3.2. Thiết kế bộ điều khiển trượt cho robot 2 bậc tự do mô hình xác định
• 3.3. Mô phỏng kiểm chứng trên nền Matlab-Simulink
• 3.4. Xây dựng các sơ đồ mô phỏng. Kết quả mô phỏng. Nhận xét, đánh giá kết quả mô phỏng
• KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Tóm tắt

I. Tổng quan về luận văn thạc sĩ điều khiển robot 2 bậc tự do

Luận văn thạc sĩ về điều khiển robot 2 bậc tự do là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa và robot. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn tổng quan về các khái niệm cơ bản mà còn đi sâu vào các phương pháp điều khiển hiện đại. Mục tiêu chính của luận văn là phát triển một hệ thống điều khiển hiệu quả cho robot 2 bậc tự do, nhằm nâng cao khả năng hoạt động và ứng dụng trong thực tiễn.

1.1. Định nghĩa và vai trò của robot 2 bậc tự do

Robot 2 bậc tự do là loại robot có khả năng thực hiện các chuyển động trong không gian 2 chiều. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng như lắp ráp, vận chuyển và gia công. Việc hiểu rõ về robot 2 bậc tự do giúp xác định các yêu cầu kỹ thuật và ứng dụng thực tiễn của chúng.

1.2. Lịch sử phát triển của robot công nghiệp

Lịch sử phát triển của robot công nghiệp bắt đầu từ những năm 1920 với khái niệm robot đầu tiên. Từ đó, công nghệ robot đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ những thiết bị đơn giản đến các hệ thống phức tạp hiện đại. Sự phát triển này đã mở ra nhiều cơ hội cho việc ứng dụng robot trong sản xuất và đời sống.

II. Những thách thức trong điều khiển robot 2 bậc tự do

Điều khiển robot 2 bậc tự do gặp phải nhiều thách thức, bao gồm độ chính xác, độ ổn định và khả năng phản ứng với các thay đổi trong môi trường. Những thách thức này đòi hỏi các phương pháp điều khiển phải được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất cao nhất.

2.1. Độ chính xác trong điều khiển robot

Độ chính xác là yếu tố quan trọng trong điều khiển robot. Các sai số trong quá trình điều khiển có thể dẫn đến việc robot không thực hiện đúng nhiệm vụ. Việc cải thiện độ chính xác yêu cầu các thuật toán điều khiển phải được thiết kế một cách tinh vi.

2.2. Ảnh hưởng của nhiễu đến hệ thống điều khiển

Nhiễu từ môi trường bên ngoài có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của robot. Việc phát hiện và xử lý nhiễu là một thách thức lớn trong thiết kế hệ thống điều khiển. Các phương pháp như điều khiển trượt có thể giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu.

III. Phương pháp điều khiển robot 2 bậc tự do hiệu quả

Có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau cho robot 2 bậc tự do, trong đó điều khiển trượt là một trong những phương pháp hiệu quả nhất. Phương pháp này giúp cải thiện độ ổn định và khả năng phản ứng của robot trong các tình huống khác nhau.

3.1. Nguyên lý điều khiển trượt

Điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC) là một phương pháp điều khiển phi tuyến, giúp robot duy trì trạng thái ổn định ngay cả khi có sự thay đổi trong tham số. Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống robot do tính đơn giản và hiệu quả của nó.

3.2. So sánh các phương pháp điều khiển khác

Ngoài điều khiển trượt, còn có nhiều phương pháp khác như điều khiển PID, điều khiển thích nghi. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của robot 2 bậc tự do trong công nghiệp

Robot 2 bậc tự do được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, từ sản xuất đến lắp ráp. Chúng giúp tăng năng suất và giảm chi phí lao động, đồng thời cải thiện chất lượng sản phẩm.

4.1. Ứng dụng trong dây chuyền sản xuất

Trong dây chuyền sản xuất, robot 2 bậc tự do có thể thực hiện các nhiệm vụ như lắp ráp, hàn và kiểm tra chất lượng. Việc sử dụng robot giúp tăng tốc độ sản xuất và giảm thiểu sai sót do con người.

4.2. Ứng dụng trong lĩnh vực y tế

Robot 2 bậc tự do cũng được ứng dụng trong lĩnh vực y tế, như trong phẫu thuật robot. Chúng giúp bác sĩ thực hiện các ca phẫu thuật chính xác hơn và giảm thiểu rủi ro cho bệnh nhân.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của robot 2 bậc tự do

Luận văn thạc sĩ về điều khiển robot 2 bậc tự do không chỉ cung cấp kiến thức cơ bản mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực robot. Tương lai của robot 2 bậc tự do hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ với sự phát triển của công nghệ.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ robot

Công nghệ robot đang phát triển nhanh chóng, với nhiều cải tiến về phần mềm và phần cứng. Xu hướng này sẽ giúp robot 2 bậc tự do trở nên thông minh hơn và có khả năng tự động hóa cao hơn.

5.2. Thách thức trong nghiên cứu và phát triển

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nhưng việc nghiên cứu và phát triển robot 2 bậc tự do vẫn gặp nhiều thách thức. Cần có sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp để vượt qua những rào cản này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, việc ứng dụng robot công nghiệp ngày càng trở nên thiết yếu nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Theo ước tính, robot công nghiệp đã được triển khai rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất, góp phần tăng thời gian hoạt động máy móc, cải thiện độ linh hoạt và ổn định quá trình sản xuất. Tuy nhiên, việc điều khiển robot với độ chính xác cao, đặc biệt là robot có cấu trúc phi tuyến như robot hai bậc tự do, vẫn còn nhiều thách thức do tính phi tuyến mạnh và sự biến đổi tham số trong quá trình vận hành.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC) cho robot planar hai bậc tự do nhằm giải quyết các vấn đề về ổn định, độ chính xác và khả năng chống nhiễu trong điều khiển robot. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trên mô hình robot planar hai bậc tự do, sử dụng mô phỏng trên nền Matlab-Simulink để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển. Mục tiêu cụ thể là thiết kế bộ điều khiển trượt có khả năng bám quỹ đạo chính xác, ổn định động và tĩnh, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu tải và nhiễu trắng.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả điều khiển robot công nghiệp, góp phần phát triển các hệ thống tự động hóa linh hoạt, giảm chi phí sản xuất và tăng tính cạnh tranh cho các doanh nghiệp trong ngành công nghiệp chế tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình động lực học robot planar hai bậc tự do: Sử dụng phương pháp Denevit-Hartenberg để xây dựng hệ tọa độ và mô hình động lực học phi tuyến của robot, bao gồm ma trận khối lượng M(q), vector lực Coriolis và ly tâm V(q, q̇), cùng vector lực ma sát F(q, q̇).

• Phương pháp điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC): Là kỹ thuật điều khiển phi tuyến có cấu trúc thay đổi, nổi bật với khả năng chống nhiễu và thích ứng với biến đổi tham số hệ thống. SMC bao gồm hai bước chính: thiết kế mặt trượt (sliding surface) và tổng hợp luật điều khiển trượt nhằm đảm bảo trạng thái hệ thống bám sát mặt trượt và đạt ổn định.

• Lý thuyết ổn định Lyapunov: Được sử dụng để phân tích và chứng minh tính ổn định của hệ thống điều khiển trượt, đảm bảo rằng hàm Lyapunov giảm theo thời gian, từ đó hệ thống đạt trạng thái ổn định bền vững.

Các khái niệm chính bao gồm: bậc tự do của robot, mặt trượt, hàm Lyapunov, và các thành phần động lực học như ma trận khối lượng, lực Coriolis, lực ma sát.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu chủ yếu là mô hình toán học của robot planar hai bậc tự do và các kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink. Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình robot với hai khớp quay, được mô phỏng trong môi trường số để đánh giá hiệu quả bộ điều khiển.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Xây dựng mô hình động lực học phi tuyến của robot dựa trên phương pháp Denevit-Hartenberg và phương trình Lagrange.

• Thiết kế bộ điều khiển trượt với mặt trượt được tổng hợp dựa trên sai số vị trí và vận tốc, luật điều khiển trượt được xây dựng nhằm đảm bảo điều kiện trượt và ổn định theo tiêu chuẩn Lyapunov.

• Mô phỏng kiểm chứng trên Matlab-Simulink với các trường hợp có và không có nhiễu tải, nhiễu trắng để đánh giá khả năng bám quỹ đạo và chống nhiễu của bộ điều khiển.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian thực hiện luận văn thạc sĩ, bao gồm các giai đoạn: tổng quan lý thuyết, xây dựng mô hình, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả bám quỹ đạo của bộ điều khiển trượt: Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển trượt giúp robot planar hai bậc tự do bám sát quỹ đạo đặt trước với sai lệch quỹ đạo nhỏ, sai số vị trí dưới 2% trong điều kiện không nhiễu.

2. Khả năng chống nhiễu tải và nhiễu trắng: Khi có nhiễu tải và nhiễu ổn trắng tác động, bộ điều khiển trượt vẫn duy trì được độ ổn định và sai lệch quỹ đạo không vượt quá 5%, thể hiện tính bền vững và khả năng thích ứng cao.

3. Giảm hiện tượng chattering: Sử dụng hàm khuếch đại bão hòa thay cho hàm dấu trong luật điều khiển trượt đã giảm đáng kể hiện tượng chattering, giúp hệ thống hoạt động mượt mà hơn và giảm hao mòn cơ khí.

4. Đáp ứng mô men ổn định: Đáp ứng mô men tại các khớp trong điều kiện có nhiễu tải được duy trì ổn định, không có dao động lớn, đảm bảo an toàn và độ bền cho cơ cấu truyền động.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp bộ điều khiển trượt đạt hiệu quả cao là do tính chất cấu trúc thay đổi của SMC, cho phép hệ thống nhanh chóng điều chỉnh tín hiệu điều khiển để bám sát mặt trượt, từ đó giảm thiểu sai số và chống lại các nhiễu không mong muốn. So với các phương pháp điều khiển truyền thống như PID hay PD bù trọng trường, SMC không yêu cầu mô hình động lực học chính xác tuyệt đối, phù hợp với các hệ thống phi tuyến và có tham số thay đổi.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ quỹ đạo bám, sai lệch quỹ đạo theo thời gian, đáp ứng mô men tại các khớp, và biểu đồ tín hiệu điều khiển thể hiện sự giảm chattering khi sử dụng hàm khuếch đại bão hòa. So sánh với các nghiên cứu trước đây cho thấy phương pháp điều khiển trượt vượt trội về độ ổn định và khả năng chống nhiễu, phù hợp với yêu cầu điều khiển robot công nghiệp hiện đại.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ điều khiển trượt trong thực tế: Áp dụng bộ điều khiển trượt cho các robot công nghiệp hai bậc tự do trong dây chuyền sản xuất nhằm nâng cao độ chính xác và ổn định vận hành. Thời gian thực hiện trong vòng 6-12 tháng, do các đơn vị kỹ thuật robot đảm nhiệm.

2. Nâng cấp phần mềm mô phỏng và điều khiển: Phát triển thêm các module mô phỏng nâng cao trên Matlab-Simulink hoặc các nền tảng khác để mô phỏng các điều kiện thực tế phức tạp hơn, như thay đổi tải trọng và môi trường làm việc. Thời gian thực hiện 3-6 tháng, do nhóm nghiên cứu và phát triển phần mềm thực hiện.

3. Tích hợp cảm biến và hệ thống phản hồi: Cải tiến hệ thống cảm biến để thu thập dữ liệu trạng thái robot chính xác hơn, từ đó nâng cao hiệu quả điều khiển trượt. Khuyến nghị thực hiện trong 6 tháng, phối hợp giữa phòng thí nghiệm và nhà sản xuất thiết bị.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư và kỹ thuật viên về thiết kế và vận hành bộ điều khiển trượt, nhằm phổ biến và ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Thời gian triển khai 3-6 tháng, do các viện đào tạo và trường đại học thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư điều khiển và tự động hóa: Nắm bắt kiến thức về thiết kế bộ điều khiển trượt cho robot, áp dụng vào phát triển hệ thống điều khiển robot công nghiệp với yêu cầu độ chính xác và ổn định cao.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực robot: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để phát triển các đề tài nghiên cứu sâu hơn về điều khiển phi tuyến và ứng dụng điều khiển trượt trong robot.

3. Doanh nghiệp sản xuất và tự động hóa: Áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí bảo trì và tăng tính cạnh tranh thông qua việc cải tiến hệ thống điều khiển robot.

4. Sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Học tập và tham khảo phương pháp thiết kế bộ điều khiển trượt, mô hình động lực học robot, cũng như kỹ thuật mô phỏng trên Matlab-Simulink để phục vụ học tập và nghiên cứu.

Câu hỏi thường gặp

1. Điều khiển trượt là gì và tại sao lại phù hợp với robot công nghiệp?
   Điều khiển trượt là phương pháp điều khiển phi tuyến có cấu trúc thay đổi, giúp hệ thống nhanh chóng thích ứng với biến đổi tham số và nhiễu bên ngoài. Phương pháp này phù hợp với robot công nghiệp vì robot thường có mô hình phi tuyến và tham số thay đổi trong quá trình vận hành.

2. Bộ điều khiển trượt có thể giảm hiện tượng chattering như thế nào?
   Việc sử dụng hàm khuếch đại bão hòa thay cho hàm dấu trong luật điều khiển trượt giúp giảm hiện tượng chattering, làm cho tín hiệu điều khiển mượt mà hơn, giảm rung động và hao mòn cơ khí.

3. Phương pháp điều khiển trượt có yêu cầu gì về mô hình robot?
   Phương pháp này không yêu cầu mô hình robot phải chính xác tuyệt đối, do đó thích hợp với các hệ thống có tham số không xác định hoặc thay đổi, giúp tăng tính bền vững và ổn định của hệ thống.

4. Làm thế nào để đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển trượt?
   Hiệu quả được đánh giá qua các chỉ số như sai lệch quỹ đạo, độ ổn định đáp ứng, khả năng chống nhiễu tải và nhiễu trắng, cũng như giảm hiện tượng chattering trong quá trình vận hành.

5. Có thể áp dụng bộ điều khiển trượt cho các loại robot khác không?
   Có, bộ điều khiển trượt có thể được mở rộng và điều chỉnh để áp dụng cho các loại robot có nhiều bậc tự do hoặc cấu trúc phức tạp hơn, tuy nhiên cần thiết kế lại mặt trượt và luật điều khiển phù hợp với đặc tính động lực học của từng loại robot.

Kết luận

• Bộ điều khiển trượt được thiết kế cho robot planar hai bậc tự do đã chứng minh hiệu quả trong việc bám quỹ đạo chính xác và ổn định trong điều kiện có nhiễu.
• Việc sử dụng hàm khuếch đại bão hòa giúp giảm hiện tượng chattering, nâng cao độ bền và hiệu suất vận hành của robot.
• Phương pháp điều khiển trượt vượt trội hơn các phương pháp truyền thống về khả năng thích ứng với biến đổi tham số và nhiễu bên ngoài.
• Kết quả mô phỏng trên Matlab-Simulink cung cấp cơ sở khoa học để triển khai thực tế và phát triển các hệ thống điều khiển robot công nghiệp linh hoạt.
• Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp cảm biến, nâng cấp phần mềm mô phỏng và đào tạo chuyển giao công nghệ nhằm ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích tiếp cận và ứng dụng các kết quả nghiên cứu này để thúc đẩy sự phát triển của ngành robot công nghiệp và tự động hóa hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Sơ lược về sự phát triển Robot công nghiệp Năm 1921, từ “Robot” xuất hiện lần đầu trong vở kịch “Rossum’s Universal Robots” của nhà viết kịch viễn tưởng người Sec, Karel Capek. Trong vở kịch này, ông dùng từ “Robot”, biến thể của từ gốc Slavơ “Rabota”, để gọi một thiết bị - lao công do con người (nhân vật Rossum) tạo ra. Đầu những năm 60, công ty Mỹ AMF quảng cáo một loại máy tự động vạn năng gọi là “ người máy công nghiệp” và ngày nay được đặt tên là Robot công nghiệp. Ngày nay những loại thiết bị có dáng dấp và có một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất cũng được gọi là robot công nghiệp.

Tiếp theo Mỹ, các nước khác cũng bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh - 1967, Thụy Điển và Nhật - 1968, CHLB Đức - 1971, Pháp - 1972, Ý- 1973, … 1.2 Định nghĩa về robot và một số khái niệm 1.1 Các định nghĩa về Robot công nghiệp Theo IRA-Viện nghiên cứu robot Hoa Kì: Robot công nghiệp là một cơ cấu thao tác đa chức năng với chương trình làm việc có thể được lập trình lại, được dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng. Robot công nghiệp là phần tử tự động hóa khả trình, là bộ phận không thể thiếu trong s ản suất linh hoạt. Theo ISO -Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế: Robot công nghiệp là một cơ cấu thao tác đa chức năng với nhiều chiều chuyển động và được điều khiển tự động với chương trình làm việc có thể thay đổi cho các công việc có mục đích khác nhau. Nó có thể được gắn cố định trên sàn hoặc di động.

Định nghĩa của M.Bradky: Robot công nghiệp là sự ghép nối thông minh từ nhận thức tới hành động. 12 Robot công nghiệp cũng được định nghĩa đơn giản là những thiết bị tự động linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người. Các định nghĩa về robot tuy khác nhau nhưng đều là các thiết bị tự động hóa được điều khiển theo chương trình lập trình sẵn nhờ các bộ vi xử lý và các mạch tích hợp chuyên dùng. Trong khuôn khổ luận văn này, em chỉ xin đề cập đến loại Robot nối tiếp Planar rất phổ biến trong công nghiệp và hệ thống điều khiển được thiết kế dựa trên chủ yếu là dựa trên phương trình động lực học của Robot.2 Một số khái niệm a.

Số bậc tự do Bậc tự do là số chuyển động độc lập hay số tọa độ cần thiết để biểu diễn vị trí và hướng của vật thể ở tay robot trong không gian làm việc. Để biểu diễn hoàn chỉnh một đối tượng trong không gian cần 6 tham số: 3 tọa độ để xác định vị trí đối tượng trong không gian và 3 tọa độ biểu diễn hướng của vật thể. Số bậc tự do sẽ tương ứng với số khớp hoặc số thanh nối của robot. Hệ tọa độ Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu liên kết với nhau qua các khớp tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản đứng yên.

Hệ tọa độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ tọa độ cơ bản. các hệ tọa độ gắn với các khâu động gọi là hệ tọa độ suy rộng. trong từng thời điểm hoạt động, các tọa độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các dịch chuyển dài hoặc dịch chuyển góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay. Các hệ tọa độ gắn lên các khâu phải tuân theo quy tắc bàn tay phải.

Vùng làm việc Vùng làm việc là tập hợp tất cả các điểm mà tay robot có thể chạm tới. Là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Vùng làm việc bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp.3 Một số thông số đặc trưng của hệ thống Robot • Độ phân giải: đặc trưng bởi khoảng cách nhỏ nhất có thể biểu diễn được trên toàn bộ dải chuyển động của một khớp. • Độ chính xác: đặc trưng cho khả năng của robot điều chỉnh điểm cuối của tay máy đến một điểm bất kỳ trong không gian hoạt động của nó.

• Độ lặp lại: đặc trưng cho khả năng của robot đưa đầu cuối bàn tay của nó chạm vào một điểm theo chương trình định sẵn.3 Mục tiêu và ứng dụng của Robot công nghiệp 1.1 Mục tiêu ứng dụng của Robot công nghiệp Ưu điểm quan trọng nhất của robot công nghiệp là tạo nên khả năng linh hoạt hoá sản xuất. Việc sử dụng máy tính điện tử, robot và máy điều khiển theo chương trình đã cho phép tìm được những phương thức mới để tạo nên những dây chuyền tự động sản xuất hàng loạt với nhiều loại sản phẩm. Kỹ thuật robot công nghiệp và máy tính đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các dây chuyền tự động linh hoạt. Robot có thể thực hiện được một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc.

Vì thế robot có thể góp phần nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm. Hơn thế robot có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi với sự biến đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh.2 Ứng dụng và mô hình hóa Robot công nghiệp Từ những mục tiêu ứng dụng của robot công nghiệp trên mà ta có thể phân chia ra các lĩnh vực ứng dụng như sau: a. Trong vận chuyển, bốc dỡ vật liệu Robot có thể nhặt chi tiết ở một vị trí và chuyển dời đến một vị trí khác. Robot có thể gắp một chi tiết ở một vị trí cố định hoặc trên một băng tải đang chuyển động và đặt ở một vị trí cố định khác hoặc đặt lên băng tải khác đang chuyển động với định hướng chi tiết khác.

Trong dây chuyền sản xuất thì robot được sử dụng để đưa chi tiết và lấy chi tiết ra khỏi máy gia công kim loại, máy CNC, máy đột dập, máy ép nhựa hoặc dây chuyền đúc. Trong công đoạn đóng gói thì robot xếp các vật liệu lên một giá và đóng gói, xếp các sản phẩm vào kho hoặc đóng gói.1: Robot vận chuyển hàng b. Trong lĩnh vực gia công vật liệu Ứng dụng trong lĩnh vực gia công vật liệu bao gồm các công nghệ như hàn, sơn, gia công kim loại, … Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại, đồng thời để đạt yêu cầu kĩ thuật đòi hỏi các thợ sơn phải được đào tạo mất thời gian và tốn kém trong khi Robot có thể học được tất cả các kiến thức phức tạp chỉ trong vài giờ và có thể lặp lại chính xác các động tác khó. Robot còn được dùng phục vụ máy công cụ, làm khuôn trong công nghiệp đồ nhựa, gắn kính xe hơi, gắp hàng ra khỏi băng tải và đặt chúng vào các trạm chuyển trung gian.

Ứng dụng robot trong công nghệ hàn đường, vừa đạt năng suất cao và chịu được nhiệt rất nóng phát ra trong quá trình hàn. Cảm biến gắn trên robot sẽ xác định vị trí đúng của đường hàn. Trong lĩnh vực lắp ráp và kiểm tra sản phẩm 15 Hình 1.3: Robot lắp ráp ô tô Ứng dụng robot trong lắp ráp: Một nhà máy sản xuất tự động hoàn toàn: từ ý tưởng người ta thiết kế ra sản phẩm, sau đó đặt hàng vật liệu, lập ra chương trình gia công, lập ra chiến lược đường đi của chi tiết trong nhà máy, điều khiển cung cấp chi tiết vào máy gia công, lắp ráp và kiểm tra tự động thông qua các máy CNC, các robot tĩnh và động. Ứng dụng trong lĩnh vực kiểm tra: Robot cũng được sử dụng trong công đoạn thử nghiệm, kiểm tra như kiểm tra kích thước, vị trí và hình dạng của các chi tiết máy hoặc các bộ phận cơ khí.4 Cấu trúc của một hệ thống Robot công nghiệp 1.1 Các thành phần chính của Robot công nghiệp - Cánh tay robot là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bằng khớp động để có thể tạo nên những chuyển động cơ bản của robot.

16 Các cảm biến Bộ điều khiển Hệ truyền Cánh tay Thiết bị máy tính động robot dạy học Các chương Dụng cụ trình thao tác Hình 1.4: Các thành phần chính của Robot công nghiệp - Nguồn động lực là các động cơ điện là động cơ servo hoặc động cơ bước, các hệ thống xy lanh khí nén, thủy lực để tạo động lực cho máy hoạt động. - Dụng cụ thao tác được gắn lên khâu tác động cuối của robot, các dụng cụ này có thể có nhiều loại khác nhau như dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm việc như mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn,… - Thiết bị dạy học dùng để dạy cho robot các thao tác cần thiết theo yêu cầu của quá trình làm việc, sau đó robot tự lặp lại các động tác đã được dạy để làm việc. - Các cảm biến giúp cho robot nhận biết được trạng thái của bản thân, xác định vị trí của đối tượng làm việc, hoặc có nhiệm vụ dò tìm khác, điều khiển các băng tải hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt độ ng phối hợp với các robot khác.2 Các dạng cơ cấu hình học của Robot Tùy thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động quay (R) và chuyển động tịnh tiến (T) mà tay máy có các kết cấu khác nhau. Các kết cấu thường gặp của Robot là kiểu tọa độ Đề các, kiểu tọa độ trụ, kiểu tọa độ cầu, robot kiểu Scara, hệ tọa độ khớp nối… 17 Một số dạng cơ cấu hình học của Robot: a) b) c) e) d) Hình 1.5: Một số dạng cơ cấu hình học Robot a – Cơ cấu dạng hệ tọa độ Đề các b – Cơ cấu dạng hệ tọa độ trụ c – Cơ cấu dạng hệ tọa độ cầu d – Cơ cấu dạng khớp nối e – Cơ cấu dạng SCARA 1.