CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về robot 1.1 Robot Thuật ngữ “robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong các tác phẩm “Rossum’s Unisersal Robot” của Karel Capek. Hơn 20 năm, sau ước mơ viễn tưởng của Kerel Capek bắt đầu được thực hiện. Ngay sau chiến tranh thế giới thứ 2, ở Hoa Kì đã xuất hiện những cánh tay máy chép hình điều khiển từ xa. Vào giữa những năm 50 bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí đó, đã xuất hiện các loại tay máy chép hình thuỷ lực và điện từ, như tay máy Minotaur I hoặc tay máy Handyman của General Electric.
Devol đã thiết kế một thiết bị có tên là “cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo chương trình ”. Đến năm 1956 Devol cùng với Joseph F. Engelber, một kỹ sư trẻ của công nghiệp hàng không đã tạo ra loại robot công nghiệp đầu tiên năm 1959. Chiếc robot công nghiệp được đưa vào ứng dụng đầu tiên, năm 1961, ở một nhà máy ô tô của General Motors tại Trenton, New Jersey Hoa Kì.
Năm 1967 Nhật Bản mới nhập chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Hoa kỳ. Đến năm 1990 có hơn 40 công ty Nhật Bản, trong đó có những công ty khổng lồ như công ty Hitachi và công ty Mitsubishi đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng. Từ những năm 70 việc nghiên cứu nâng cao tính năng của robot đã chú ý đến nhiều sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc. Tại trường đại học tổng hợp Stanford người ta đã tạo ra loại robot lắp ráp tự động điều khiển bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác.
Từ những năm 80, nhất là vào những năm 90, do áp dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, -3- giá thành đã giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều tính vượt bậc. Nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền tự động sản xuất hiện đại. Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng trong các lĩnh vực cơ khí, điện tử, tin học thì sự tích hợp của 3 lĩnh vực đó là cơ điện tử cũng phát triển và được coi là một trong những ngành mũi nhọn trong quá trình hiện đại hóa và công nghiệp hóa đất nước. Sản phẩm của cơ điện tử rất nhiều nhưng robot thì thể hiện tất cả trong 3 lĩnh vực cơ khí, điện tử, tin học.
Khả năng làm việc của robot thì có rất nhiều ưu điểm: Chất lượng và độ chính xác cao, hiệu quả và kinh tế cao, làm việc trong môi trường độc hại mà con người không thể làm được, trong các công việc mà đòi hỏi phải cẩn thận không được nhầm lẫn, thao tác nhẹ nhàng, tinh tế và chính xác nên cần có thợ tay nghề cao và phải làm việc căng thẳng suốt ngày thì robot có khả năng thay thế hoàn toàn So với lúc mới ra đời, ngày nay công nghệ robot đã có những bước phát triển vượt bậc. Đặc biệt là vào những năm 60 của thế kỷ trước, với sự góp mặt của máy tính. Ở giai đoạn đầu người ta rất quan tâm đến việc tạo ra những cơ cấu tay máy nhiều bậc tự do, được trang bị cảm biến để thực hiện những công việc phức tạp. Ngày càng có những cải tiến quan trọng trong kết cấu các bộ phận chấp hành, tăng độ tin cậy của các bộ phận điều khiển, tăng mức thuận tiện và dễ dàng khi lập trình.
Tăng cường khả năng nhận biết và xử lý tín hiệu từ môi trường làm việc để mở rộng phạm vi ứng dụng cho robot. Trong tương lai số lượng lao động được thay thế ngày càng nhiều vì một mặt giá thành robot ngày càng giảm do mặt hàng vi điện tử liên tục giảm giá đồng thời chất lượng liên tục tăng. Mặt khác chi phí về lương và các khoản phụ cấp cho người lao động ngày càng tăng. Robot ngày càng vạn năng hơn để có thể làm được nhiều việc trên các dây chuyền.
Công đoạn lắp ráp thường chiếm tỷ lệ cao so với tổng thời gian sản xuất trên toàn bộ dây chuyền. Công việc lại đòi hỏi phải cẩn thận, nhẹ nhàng tinh tế và chính xác. Nên nếu là công nhân thì cần phải thợ có tay nghề cao và làm việc đơn điệu, căng thẳng. Robot đã có mặt nhiều trên các công đoạn lắp ráp phức tạp do được -4- thừa hưởng kĩ thuật cảm biến, kĩ thuật tin học với những ngôn ngữ lập trình bậc cao.
Kỹ thuật robot cũng từng bước áp dụng các kết quả nghiên cứu về trí khôn nhân tạo và đưa vào ứng dụng trong công nghiệp. Cải tiến và bổ xung các modul cảm biến và các modul phần mềm phù hợp có thể cải tiến và thông minh hoá nhiều loại robot. Điều quan trọng là các cơ cấu chấp hành của robot phải hoạt động chính xác. Robot nói chung là một hệ tự động linh hoạt gồm có các hệ thống: - Hệ thống dẫn động.
- Hệ thống điều khiển. - Hệ thống các cảm biến, các camera quan sát và các thiết bị khác trang bị thêm nhằm phục vụ những mục đích riêng của từng robot. Về cơ học: Robot là hệ nhiều vật được ghép lại với nhau bằng các khớp, có sáu loại khớp thấp và 2 loại khớp cao cơ bản thường dùng trong các cơ cấu máy và robot: • Khớp quay (Revolute Joint-R): Cho phép hai thành phần của khớp chuyển động quay tương đối với nhau theo một trục được xác định bằng dạng hình học của khớp. Khớp quay hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thành phần khớp.
Khớp quay còn gọi là khớp bản lề.1 • Khớp lăng trụ (Prismatic-P) : Cho phép hai thành phần của khớp trượt với nhau theo một trục được xác định bằng dạng hình học của khớp. Do đó khớp lăng trụ hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thành phần khớp. Khớp lăng trụ còn gọi là khớp tịnh tiến.2 • Khớp trụ (Cylindrical Joint-C): Cho phép hai thành phần của khớp có hai chuyển động độc lập, gồm một chuyển động quay quanh một trục và một chuyển động tịnh tiến dọc theo trục quay đó. Do đó khớp trụ hạn chế 4 khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp.3 • Khớp ren (Helical Joint-H): Cho phép hai thành phần của khớp chuyển động quay quanh một trục đồng thời tịnh tiến theo trục quay.
Tuy nhiên chuyển động tịnh tiến phụ thuộc chuyển động quay bởi bước vít. Do đó khớp ren hạn chế 5 khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp.4 -6- • Khớp cầu (Spherical Joint-S): Cho phép hai thành phần của khớp thực hiện chuyển động quay giữa hai khâu quanh tâm cầu theo tất cả các hướng. Do đó khớp cầu hạn chế ba khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp.5 • Khớp phẳng (Plane Joint-P): Cho phép hai thành phần của khớp chuyển động tịnh tiến theo hai trục trong mặt tiếp xúc và một khả năng quay quanh trục vuông góc với mặt phẳng tiếp xúc. Do đó khớp phẳng hạn chế ba khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp.6 • Khớp bánh răng phẳng (Gear Pair-G): Hai bánh răng ăn khớp, cho phép một bánh răng lăn và trượt với bánh răng kia tại điểm tiếp xúc giữa hai bánh răng ăn khớp.
Do đó khớp bánh răng phẳng hạn chế 4 khả năng chuyển động.7 • Khớp cam phẳng (Cam Pair - Cp): là khớp được tạo bởi sự chuyển động tiếp xúc giữa hai cam. Khớp này cũng hạn chế bốn khả năng chuyển động. Một số loại Robot cơ bản: Hình 1.8 Robot Scara 3 bậc tự do Hình 1.9 Robot ROBOTIKA của Nga -8- Hình 1.10 Lynx 5 Robotic Arm Hình 1.11 Robot mini làm việc trong cống ngầm Hình 1.12 Robotic Palletizer - Model A1600 Hình 1.13 Robot trong phòng thí nghiệm 1.2 Phân loại Có rất nhiều cách phân loại robot, sau đây là một vài nguyên tắc phân loại thông dụng: a. Phân loại theo số bậc tự do trong trường công tác Phương pháp phân loại này lấy hai hình thức chuyển động nguyên thuỷ làm chuẩn.
-9- Chuyển động theo các hướng X, Y, Z trong không gian Decarde tạo nên những hình khối có góc cạnh. Chuyển động quay quanh các trục X, Y, Z trong không gian Decarde tạo nên những hình khối tròn xoay. Robot sẽ hoạt động trong trường công tác với các hình khối tuỳ thuộc tổ hợp P và R (hình 1. Ví dụ: PPP: khối hộp (cartesian).
RPP: khối trụ (cylindrical). RRP: khối cầu (Spherical). RRR: khối cầu (Revolute). Phân loại theo phương pháp điều khiển Có hai nguyên tắc điều khiển cơ bản: Điều khiển theo điểm.
Điều khiển quỹ đạo liên tục. Phân loại theo hệ thống năng lượng Hệ năng lượng điện: thường dùng động cơ một chiều hay động cơ bước. Đặc tính của hệ năng lượng này là hoạt động chính xác tin cậy, đạt công suất khá, có tính tuyến tính cao, dễ điều khiển. Hệ năng lượng điện cũng đảm bảo được vệ sinh môi trường, kết cấu gọn, dẫn truyền năng lượng đơn giản.
Hệ năng lượng thủy lực: với hệ thuỷ lực có thể đạt tới công suất cao, đáp ứng với những điều kiện làm việc nặng. Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thường cồng kềnh do kết cấu bể dầu van lọc, hệ thống dẫn ngược… Hệ khí nén có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược nhưng lại phải gắn liền với một trung tâm tạo ra khí nén. Hệ này làm việc với công suất trung bình và nhỏ, kém chính xác thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động theo chương trình định sẵn với các thao tác đơn giản. Phân loại theo hệ thống truyền động Hệ truyền động gián tiếp: hệ này sử dụng các kết cấu truyền dẫn cơ khí thường gặp như bánh răng dây đai, bộ truyền xích.
Xa hơn có thể gặp bộ truyền vít - đai ốc bi. Nhược điểm đáng chú ý là tồn tại tính phi tuyến, tính trễ và bị mòn tạo khe hở động học làm cho hiệu ứng trễ và đặc tính phi tuyến ngày càng nặng hơn. Mặt khác những mất mát về công suất, về tốc độ đã hạn chế hiệu suất chung của hệ thống truyền động. Hệ truyền động trực tiếp: trong hệ này các cơ cấu chấp hành được nối ghép trực tiếp với nguồn động lực, kết cấu do đó rất gọn nhẹ và loại bỏ được những hạn chế của hệ truyền động gián tiếp.
Khó khăn cần giải quyết là cần thiết kế và chế tạo các động cơ có số vòng quay thích hợp và điều khiển vô cấp trên một dải rộng.