Đặt vấn đề Từ thời cổ xưa, con người đã mong muốn tạo ra những vật giống mình để bắt chúng phụ vụ cho bản thân mình. Ví dụ như trong kho thần thoại Hy Lạp có chuyện người khổng lồ Promethe đúc ra người từ đất sét và truyền cho họ sự sống. Cho đến những năm 40 nhà văn viên tưởng người Nga, Issac Asimow, mô tả robot là một chiếc máy tự động, mang diện mạo của con người, được điều khiển bằng một hệ thần kinh khả trình Positron, do chính con người lập trình. Asimov cũng đặt tên cho ngành khoa học nghiên cứu về robot là Robotics, trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản: - 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 phải bảo vệ sự sống của mình, nhưng không được vi phạm 2 nguyên tắc trước. Các nguyên tắc trên sau này trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot [1].
Từ sự hư cấu của khoa học viễn tưởng, robot dần dần được giới kĩ thuật hình dung như một chiếc máy đặc biệt, được con người phỏng tác theo cấu tạo và hoạt động của chính mình, dùng để thay thế mình trong một số công việc nhất định. Để hoàn thành nhiệm vụ đó, robot cần có khả năng cảm nhận các thông số trạng thái của môi trường và tiến hành các loạt hoạt động tương tự con người. Khả năng hoạt động của robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí, gồm cơ cấu vận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc. Việc thiết kế và chế tạo hệ thống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu cơ khí.
Chức năng cảm nhận, gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trường và trạng thái của bản thân hệ thống, do các cảm biến (sensor) và các thiết bị liên quan thực hiện. Hệ thống này được gọi là hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu, hay đơn giản là hệ thống cảm biến. 7 Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot có thể tự mình tự điều chỉnh “hành vi” của mình và hoạt động theo đúng chức năng quy định trong điều kiện môi trường thay đổi, trong đó robot phải có hệ thống điều khiển. Xây dựng các hệ thống điều khiển thuộc phạm vi điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin.
Một cách đơn giản, Robotics được hiểu là một ngành khoa học, có nhiệm vụ nghiên cứu về 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 hiều 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 tin học. Theo thuật ngữ hiện nay, robot là sản phẩm của ngành cơ điện tử (Mechatronics). Theo khía cạnh nhân văn và khía cạnh khoa học – kỹ thuật của việc chế tạo 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 dọn nhà, … - Trong môi trường khắc nhiệt hoặc nguy hiểm: như ngoài không gian 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, … Lĩnh vực ứng dụng của robot rất rộng và ngày càng được mở rộng thêm.
Ngày nay, khái niệm về robot đã mở rộng hơn khái niệm nguyên thủy rất nhiều. Sự phỏng tác về kết cấu, chức năng, dáng vẻ của con người là cần thiết nhưng không còn ngự trị trong kỹ thuật robot nữa. Kết cấy của cơ thể người và chúng cũng có thể thực hiện được những việc vượt xa khả năng của con người. Hiện nay, với việc phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ đã giúp chúng ta rất nhiều trong việc xây dựng và sản suất, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghiệp [1].
Nhờ sự phát triển của những robot điều khiển đã gia tăng năng suất làm việc và phát 8 triển, đặc biệt là các tay máy robot trong công nghiệp. Robot công nghiệp thường có hai loại cấu trúc: dạng chuỗi hoặc song song. Robot cấu trúc dạng chuỗi có không gian làm việc rộng nhưng độ chính xác và khả năng chịu tải kém hơn. Do vậy, việc sử dụng cấu trúc loại nào thường phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể.
Ví dụ như ứng dụng gắp thả vật, phun sơn, kỹ thuật hàn và lắp ráp thường dùng robot chuỗi, trong khi đó ứng dụng gia công cơ khí hay thiết bị mô phỏng buồng lái thường dùng robot song song. Trong thực tế công nghiệp, thì robot chuỗi vẫn được phổ biến hơn và việc phân tích, thiết kế cho chúng cũng có phần đơn giản hơn robot song song. Sự linh hoạt và không gian làm việc của robot chuỗi phụ thuộc vào số bậc tự do. Vì vậy mà nhiều loại robot công nghiệp 5 hoặc 6 bậc tự do được các công ty chú trọng phát triển.
Tiện lợi là như vậy nhưng việc điều khiển các tay máy robot không phải là điều đơn giản, chúng ta phải nhập các lệnh chương trình làm việc để có thể điều khiển những tay máy robot này. Thế nhưng việc lập trình cách đoạn dữ liệu để có thể điều khiển cánh tay robot là rất mất thời gian hơn thế nữa trong việc lập trình ta có thể xảy ra những lỗi liên quan đến các mã lệnh vì vậy việc lập trình để điều khiển cánh tay robot là rất mất thời gian và dễ có sai sót. Hiện nay có khá nhiều phần mềm của các hãng lớn trên thế giới hỗ trợ thực hiện mô phỏng hoạt động robot. Chẳng hạn như phần mềm easy-rob là phần mềm phục vụ cho việc lập kế hoạch và mô phỏng sản xuất khi sử dụng các tế bào robot trong dây chuyền.
Tất cả các chuỗi xử lí khi sử dụng robot ví dụ như: cầm nắm, lắp ráp, sơn phủ, hàn đều được lập chương trình cụ thể bằng phần mềm này và các tính toán đó ngay lập tức được cụ thể hóa bằng mô hình 3D ngay trong phần mềm. Các hoạt động của robot được mô phỏng có thể gồm chỉ 1 robot hoặc cùng một lúc nhiều robot với các phiên bản cao cấp hơn của phần mềm. Phần mềm này cho phép: - Kiểm tra được tính năng và hoạt động của một cấu hình robot đã có sẵn, hỗ trợ cho việc sử dụng, sắp xếp một trạm robot hiệu quả hơn cũng như giúp cho việc quyết định đầu tư vào một loại robot nào đó được hợp lí và chính xác hơn, từ đó tiết kiệm được rất nhiều chi phí và thời gian. 9 - Thiết kế mới một loại robot nào đó, có thể sử dụng phần mềm này kết hợp với hệ thống 3D CAD kiểm tra khả năng làm việc của cấu hình robot.
Khả năng nay hỗ trợ rất tốt cho việc thiết kế mới. - Khả năng hỗ trợ nghiên cứu học tập về robot. Nhờ khả năng mô phỏng chính xác và linh hoạt các cấu hình robot mà phần mềm Easy-rob có thể xây dựng các giáo cụ ảo trực quan cho phép người học và người nghiên cứu có thể quan sát và tính toán cụ thể các cấu hình robot cũng như hiểu hơn về quá trình điều khiển robot bằng phương pháp dạy học mà không cần có robot thực tế. Hoặc phần mềm FD on Desk là phần mềm mô phỏng robot nachi và cho phép phần mềm của bộ điều khiển FD/CFD hoạt động qua điều khiển của máy tính trên bàn làm việc hoặc bất kỳ máy tính nào có cài đặt phần mềm FD on Desk.
Phần mềm FD on Desk có các tính năng đặc biệt sau : - Có thể được dùng ở bất cứ đâu, với bất cứ hệ điều hành nào. Không yêu cầu phần cứng đặc biệt - Lập trình robot, kiểm tra chương trình trước khi đưa robot vào vận hành, kiểm tra trình tự các bước vận hành,… - Các tập tin CAD (như IGES, STEP v…v…) có thể được insert vào trong việc mô phỏng robot nachi. Vì vậy, có thể thực hiện lập trình ngoại tuyến và kiểm tra sự giao thoa giữa các thiết bị ngoại vi v.v… - Cho phép thực hiện mô phỏng theo thời gian chu trình với độ chính xác cao - Bằng cách kết nối máy tính với bộ điều khiển FD/CFD, có thể thực hiện các thiết lập của FD/CFD mà không cần điều khiển robot trực tiếp. Có các chức năng giám sát từ xa.
- Có thể lập trình ngoại tuyến (“dạy”) một chương trình làm việc khi đang xác nhận tư thế robot hay tín hiệu I/O. - Có thể thiết đặt chương trình PLC, các điều kiện hàn, thiết kế IFP v…v… - Có thể thiết lập các thông số khác nhau cho các chương trình PLC, điều kiện hàn và thiết kế giao diện bảng điều khiển cũng như các chương trình làm việc. 10 - Tất cả các tập tin hoàn toàn tương thích với bộ điều khiển FD/CFD, cho phép dễ dàng phát lại các trạng thái hoạt động của các đơn vị thực tế trên bàn làm việc. - FD on Desk giúp chúng ta có thể đào tạo mà chưa cần có robot nachi thực tế.
Ngoài ra còn có các phần mềm RobotStudio mô phỏng robot của hãng ABB, hoặc của hãng Universal Robots. Tuy nhiên đây đều là những phần mềm đi kèm với các robot của các hãng, do đó việc sử dụng phần mềm với một mô hình robot bất kỳ khác sẽ gặp khó khăn và vấn đề bản quyền. Gần đây, bàn tay robot mô phỏng bàn tay người đã nghiên cứu và ứng dụng khá nhiều trong thực tế từ y học, công nghiệp đến cuộc sống. Chẳng hạn như các bàn tay robot hỗ trợ bác sĩ trong các ca mổ từ xa, bàn tay robot trị liệu phục hồi chức năng bàn tay người (Hình 1.
Tuy nhiên để các bàn tay đó hoạt động được giống với tay người thật thì cần có dữ liệu chuyển động của bàn tay thực. Việc thu thập và lấy dữ liệu đó thường sử dụng găng tay có gắn các cảm biến [8] để xác định chuyển động của các ngón tay và thông thường cần qua các bước thử nghiệm, mô phỏng lại hoạt động đó trước khi điều khiển các cơ cấu chấp hành. Một số loại găng tay sử dụng cảm biến điện trở (Hình 1.