CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG 1. Giới thiệu về Robot 1. Giới thiệu về công nghệ Robot hiện nay Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng sản xuất. Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở trên NewYork vào ngày 9/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek viết năm 1921, còn từ robot là cách gọi tắt của từ robota - theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch.
Robot hay người máy là một loại máy có thể thực hiện những công việc một cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính. Robot là một tác nhân cơ khí, nhân tạo, thường là một hệ thống cơ khí-điện tử. Với sự xuất hiện và chuyển động của mình, robot gây cho người ta cảm giác rằng nó giác quan giống như con người. Từ "robot" (người máy) thường được hiểu với hai nghĩa: rô bốt cơ khí và phần mềm tự hoạt động.
Về lĩnh vực người máy, Nhật Bản là nước đi đầu thế giới về lĩnh vực này. Ngày nay robot đang là tâm điểm của một cuộc cách mạng lớn sau Internet. Robot ngày càng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí, an ninh quốc phòng, thám hiểm không gian. Robot là sản phẩm công nghệ có độ phức tạp cao, chứa hàm lượng tri thức vô cùng phong phú về tất cả các lĩnh vực của khoa học và công nghệ.
Theo dự đoán trong vòng 20 năm nữa mỗi người sẽ có nhu cầu sử dụng một robot cá nhân như nhu cầu một máy tính PC hiện nay và robot sẽ là tâm điểm của một cuộc cách mạng lớn sau Internet. Với xu hướng này, cùng các ứng dụng truyền thống khác của robot trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí và đặc biệt là trong an ninh quốc phòng thì thị trường robot sẽ vô cùng to lớn. Robot đã có những bước tiến đáng kể trong hơn nửa thế kỷ qua. Robot đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm những công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại.
Do nhu cầu sử dụng ngày càng nhiều trong quá trình sản xuất phức tạp nên robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng linh hoạt và thông minh hơn. Ngày càng nhiều các phát minh tiên tiên cho 3 Luan van ngành công nghiệp phát triển cánh tay robot cũng như robot tự hành vận chuyển hàng hóa trong các khu công nghiệp.1 minh họa một số hình ảnh về robot công nghiệp ngày nay [Nguồn sản xuất oto của toyota] Hình 1. 1 Robot Công nghiệp Ngày nay, ngoài ứng dụng sơ khai ban đầu của robot trong chế tạo máy thì các ứng dụng khác như trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng đang là động lực cho sự phát triển của ngành công nghiệp robot.2 minh họa cho những cánh tay robot ý tế đang thực hiện ca phẫu thuật cho bệnh nhân và Robot chiến đấu được phát triển bởi Nhật Bản. 2 Robot y tế và an ninh quốc phòng 4 Luan van Có thể kể đến những loại robot được quan tâm nhiều trong thời gian qua là: tay máy robot (Robot Manipulators), robot di động (Mobile Robots), robot phỏng sinh học (Bio Inspired Robots) và robot cá nhân (Personal Robots).
Robot di động được nghiên cứu nhiều như xe tự hành trên mặt đất AGV (Autonomous Guided Vehicles), robot tự hành dưới nước AUV (Autonomous Underwater Vehicles), robot tự hành trên không UAV (Unmanned Arial Vehicles) và robot vũ trụ (Space robots). Với robot phỏng sinh học, các nghiên cứu trong thời gian qua tập trung vào hai loại chính là robot đi bộ (Walking robot) và robot dáng người (Humanoid robot). Bên cạnh đó các loại robot phỏng sinh học như cá dưới nước, các cấu trúc chuyển động phỏng theo sinh vật biển cũng được nhiều nhóm nghiên cứu, phát triển. Các loại động cơ được sử dụng trong công nghệ Robot a) Động cơ một chiều DC Hình 1.
3 Động cơ một chiều Động cơ một chiều DC ( DC là từ viết tắt của "Direct Current Motors") là động cơ điều khiển trực tiếp có cấu tạo gồm hai dây (dây nguồn và dây tiếp đất). DC motor là một động cơ một chiều với cơ năng quay liên tục. Khi chúng ta cung cấp năng lượng, động cơ DC sẽ bắt đầu quay, chuyển điện năng thành cơ năng. Hầu hết các động cơ DC sẽ quay với cường độ RPM rất cao ( số vòng quay/ phút), và các động cơ DC đều được ứng dụng để làm quạt làm mát máy tính, hoặc kiểm soát tốc độ quay của bánh xe.
5 Luan van Để điều khiển tốc độ quay của động cơ DC, người ta dùng điều biến độ rộng xung (kí hiệu là PWM), đây là kỹ thuật điều khiển tốc độ vận hành bằng việc bật và tắt các xung điện. Tỷ lệ phần trăm vận tốc với thời gian của thiết bị được điều khiển bằng cơ chế bật tắt một mức độ cơ số vòng quay xác định của động cơ. 4 Cấu tạo động cơ DC Ví dụ, một động cơ có nguồn điện xoay chiều ở mức 50% ( tức 50% tắt và 50% bật), thì mô tơ sẽ quay một nửa số vòng quay ở mức 100% (tổng số). Mục đích là để khi các xung nối tiếp nhau với tốc độ rất nhanh thì động cơ vẫn có thể quay liên tục với tần số cao mà không bị vấp lỗi.
b) Động cơ servo Hình 1. 5 Động cơ Servo 6 Luan van Một động cơ servo (Servo Motors) là một tổ hợp chung cơ bản của bốn bộ phận: một động cơ điều khiển tốc độ DC, một bánh răng, một vi điều khiển và một cảm biến. Khả năng định vị của động cơ servo thường được tính toán để kiểm soát được chính xác hơn so với những động cơ DC thông thường khác. Động cơ servo thường cấu tạo gồm 3 dây: dây nguồn, dây tiếp đất và dây điều khiển.
Không giống như động cơ DC hoạt động trên cơ chế xoay chiều bật tắt nguồn, năng lượng (nguồn điện) của động cơ servo được nạp vào liên tục. Động cơ servo hoạt động bằng việc kiểm soát dòng điện, giúp động cơ định hướng chính xác hướng hoạt động của mình. Động cơ servo được thiết kế để dừng tại một vị trí cụ thể. Các vị trí này cần được tính toán chính xác để khiến máy móc hoạt động được đúng với mục tiêu đề ra theo ý đồ của người thiết kế.
Ví dụ như kiểm soát các bánh lái trên một chiếc thuyền hoặc cần khiến một cánh tay robot hay chân robot di chuyển trong một phạm vi nhất định. Động cơ servo sẽ không quay như động cơ DC thông thường vốn hoạt động xoay qua lại với góc quay đạt tới mốc 360 độ (hoặc hơn). Trong khi đó, động cơ servo sẽ hoạt động bằng việc nhận một tín hiệu lệnh quyết định góc vị trí ở đầu ra và sử dụng sức mạnh (cơ năng) của một động cơ DC cấu tạo bên trong sẽ quay trục quay đến đúng vị trí. Vị trí này được xác định bởi các vi cảm biến.
6 Cấu tạo động cơ Servo 7 Luan van PWM được sử dụng cho các tín hiệu lệnh của động cơ servo. Tuy nhiên, không giống như động cơ DC được PWM điều khiển bằng biến độ rộng xung để kiểm soát tốc độ quay, động cơ servo dùng điều biến độ rộng xung đó để xác định vị trí của trục động cơ, chứ không chỉ đơn thuần là tốc độ. Trung bình một đơn vị xung được tính dựa trên vị trí trục (thường là khoảng 1,5ms), mục đích làm sao để giữ trục luôn ở đúng vị trí. Mỗi khi giá trị xung tăng lên, sẽ khiến cho trục motor lần lượt chuyển động theo chiều kim đồng hồ, và luôn sẽ có một xung ngắn hơn để đảo trục ngược lại chiều kim đồng hồ.
Xung điều khiển serco thường được lặp đi lặp lại khoảng 20 mm/s. Có thể nói đơn giản, trục servo di chuyển đến đâu rồi cũng quay về lại vị trí ban đầu. Khi động cơ được lệnh di chuyển, nó sẽ điều khiển trục di chuyển đến vị trí cần đến và giữ nguyên ở vị trí đó, cho dù ngay cả khi có ngoại lực tác động lực đẩy lên nó, các trục động cơ sẽ từ chối di chuyển khỏi vị trí đã thiết lập bởi bộ điều khiển. c) Động cơ bước Hình 1.
7 Động cơ bước Động cơ bước (hay còn có tên là động cơ bước từ tính, động cơ hỗ trợ việc bước), thực chất là một động cơ tăng lực sử dụng một phương pháp khác trong việc lái hướng chuyển động. Cụ thể, động cơ bước vận hành bằng việc sử dụng một 8 Luan van động cơ quay liên tục DC, tích hợp cùng mạch điều khiển cùng một động cơ bước hoạt động bằng nam châm từ tính có nhiều răng được sắp xung quanh một bánh răng trung tâm để xác định vị trí. Động cơ bước đòi hỏi phải có một mạch điều khiển bên ngoài hoặc một bộ vi điều khiển (ví dụ như Raspberry Pi or Ardunio) để tiếp thêm năng lượng cho từng nam châm điện và khiến các trục động cơ lần lượt xoay. Khi nam châm từ tính ‘A’ được cung cấp nguồn điện, nó sẽ tác động lực từ tính lên các bánh răng và căn chỉnh chúng hơi xô lệch đến nam châm điện tiếp theo ‘B’.
Khi ‘A’ tắt, và ‘B’ bật, các bánh răng theo lực từ tính sẽ hơi lệch một chút so với ‘B’, và thế là các răng xếp quây lại thành vòng tròn quanh bánh răng nguồn và ngắt mạch để quay về chỗ ngoặt ban đầu nhằm tạo dựng một vòng xoay. Mỗi vòng xoay tính từ một nam châm điện tiếp theo được gọi là “bước”, và thế là, động cơ có thể được quay bằng góc bước; góc bước được xác định chính xác từ trước thông qua một vòng xoay hoàn chỉnh với 360 độ. Động cơ bước phổ biến với hai loại: động cơ đơn cực và động cơ lưỡng cực. Động cơ lưỡng cực là loại mạnh nhất của động cơ bước và thường có 4 hoặc 8 chuỗi dây dẫn.
Chúng có hai bộ cuộn dây điện từ cấu tạo bên trong, và bước vận hành bằng việc thay đổi hướng của các bánh rang với các dây dẫn bên trong. Động cơ bước đơn cực, được nhận dạng bởi cấu tạo gồm tới 5,6 hoặc 8 đường dây dẫn. Mặc dù chỉ có 2 cuộn cảm biến, nhưng mỗi cuộn lại là một tập hợp trung tâm phức tạp. Động cơ bước đơn cực có thể bước mà không cần phải đảo ngược chiều hiện tại trong các cuộn dây.
Tuy nhiên, do cuộn trung tâm lại được sử dụng như để tiếp thêm một nửa lực từ cho mỗi cuộn dây tại một thời điểm xác định, nên chúng thường có ít mô-men xoắn hơn loại động cơ lưỡng cực.