CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Lịch sử nghiên cứu Với sự phát triển của khoa học ngày nay, sự tương tác giữa robot và con người đã trở thành một lĩnh vực được chú ý. Hiện tại có rất nhiều kỹ thuật nhận dạng được nghiên cứu như: nhận dạng dấu vân tay, nhận dạng khuôn mặt người, nhận dạng ký tự/chữ/số. Và nhận dạng cử chỉ bàn tay cũng được nghiên cứu và đưavào sử dụng rộng rãi.
Cử chỉ bàn tay được đưa vào sử dụng hiệu quả nhằm đưa ra lệnh cho robot thực thi. Thuật ngữ Robot xuất phát từ tiếng Czech “Robota” trong vở kịch “Rossum’s Universal Robot” tại New York vào ngày 09/11/1922 do nhà soạn kịch người Tiệp Khắc Karen Papek viết năm 1921, trong tiếng Tiệp “Robota” nghĩa là công việc lao dịch. Nhưng Robot thực sự có ích được nghiên cứu để ứng dụng vào trong công nghiệp lại là những tay máy. Vào năm 1948, nhà nghiên cứu người Đức Goertz đã nghiên cứu chế tạo thành công loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy tương tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cử hành trình.
Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ Servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối. Sử dụng thành quả đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển. Đầu thập kỷ 60, công ty AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng gọi là “Người máy công nghiệp”. Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (Robot công nghiệp) cho những thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất.
Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 10 Hình 1.1 Tay máy đầu tiên Năm 1968 R.S Mosher, thuộc hãng General Electric, đã chế tạo một thiết bị biết đi có 4 chân sử dụng động cơ đốt trong, cũng trong lĩnh vực này một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạt được vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunokohod 1 được điều khiển từ Trái Đất.2 Xe robot Lunokohod 1 Viện nghiên cứu thuộc đại học Stanford vào năm 1969 đã thiết kế về Robot Shakey di động tinh vi hơn để thực hiện những thí nghiệm về điều khiển sử dụng hệ thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tượng. Robot này được lập trình để nhận dạng đối tượng bằng Camera, xác định đường đi đến đối tượng và thực hiện một số tác động trên đối tượng. Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 11 Hình 1.3 Robot Shakey Năm 1952 máy điều khiển số đầu tiên ra đời tại Đại học Công nghệ Massachusetts (Mỹ). Trên cơ sở đó năm 1954, Georde Devol đã thiết kế Robot lập trình trên cơ sở chương trình số đầu tiên nhờ một thiết bị do ông phát minh được gọi là thiết bị chuyển khớp được lập trình.
Joneph Engelberger người mà ngày nay thường được gọi là cha đẻ của Robot công nghiệp đã thành lập hãng Unimation sau khi mua bản quyền thiết bị của Devol và sau đó phát triển những thế hệ Robot điều khiển theo chương trình. Năm 1962, Robot Unimation đầu tiên được đưa vào sử dụng tại hãng General Motors. Năm 1974 công ty Mỹ Cincinati đưa ra loại Robot T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai), vào năm 1976 cánh tay Robot đầu tiên trong không gian được sử dụng trên tàu thám hiểm Viking của cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ NASA để lấy mẫu đất trên Sao Hoả. Vào những năm 40 nhà văn viễn tưởng Nga, Issac Asimov, 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 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 cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhưng không được vi phạm hai nguyên tắc trước.
Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 12 Các nguyên tắc trên sau này trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot, từ sự hư cấu của khoa học viễn tưởng robot dần dần được giới kĩ thuật hình dung như những chiếc máy đặc biệt được con người phỏng tác theo cấu tạo và hoạt động của chính mình, dùng để thay thế con người 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 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 và các thiết bị liên quan thực hiện, được gọi là hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu, hay đơn giản là hệ thống cảm biến. Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot có thể tự điều chỉnh hành vi của mình và hoạt động đúng theo chức năng quy định trong điều kiện môi trường thay đổi, trong 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.2 Các vấn đề đặt ra Đề tài “Nghiên cứu thiết kế cánh tay robot Robot điều khiển bằng cử chỉ” đặt ra các yêu cầu: - Thiết kế và chế tạo hệ thống cơ khí cánh tay Robot và khung điều khiển , đảm bảo hệ thống hoạt động chắc chắn, chạy êm, cơ cấu di chuyển tới vị trí mong muốn. - Điều khiển cánh tay Robot chuyển động mô phỏng theo cánh tay người.
Cánh tay robot có khả năng chuyển động theo các chuyển động của tay người thông qua thiết bị điều khiển được gắn trên tay người. - Giải quyết bài toán động học và động lực học làm cơ sở để điều khiển robot. - Sử dụng phần mềm matlab để tính toán, mô phỏng robot - Thiết kế hệ thống điều khiển cho robot: mạch điều khiển, mạch công suất.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đây là một đề tài rộng và có nhiều ứng dụng trong thực tế, trên thị trường có rất nhiều sản phẩm hoàn thiện về cả chất lượng và thẩm mỹ. Tuy nhiên với những giới hạn về kiến thức, thời gian và kinh phí đề tài, đồ án nhóm em có những tính năng sau: - Kết cấu cơ khí: Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 13 + Robot 3 bậc tự do (RRR) + Robot có không gian làm: (x,y,z) = (,,) - Phần chuyển động của cánh tay chọn động cơ step motor vì động cơ hoạt động với hiệu suất ổn định, chịu được tải lớn và độ chính xác cao.
Cùng với đó, phần tay gắp sử dụng động cơ servo RC, nhỏ, nhẹ, làm việc với đ - Phần điều khiển: + Bộ điều khiển trung tâm sử dụng board Arduino + Sử dụng cảm biến độ cong để điều khiển các động cơ ở ngón tay. + Cổ tay sử dụng cảm biến góc nghiêng để điều khiển động cơ xoay theo góc độ mà ta cần điều chỉnh. + Luật điều khiển mờ.4 Phương pháp nghiên cứu Trong một hệ thống cơ điện tử, phương pháp thiết kế có ý nghĩa rất quan trọng, mang tính tổng quát, tiên phong. Để hoàn thành đề tài, nhiều kiến thức chuyên ngành cơ điện tử và kiến thức liên ngành đã được áp dụng trong các hệ thống cơ khí, điện tử, công nghệ thông tin, điều khiển hệ thống.
Đồ án sử dụng các phương pháp: - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các mô hình, hệ thống thực tế, thiết bị có sẵn trên thực tế để lựa chọn phương pháp phù hợp. - Sử dụng các công cụ thiết kế, mô hình hóa và mô phỏng trên máy tính để đánh giá mô hình thiết kế, và đồng thời loại trừ các sai sót trước khi chế tạo. - Để đảm bảo robot có khả năng đưa tay gắp dược tới mọi vị trí trong không gian làm việc thì robot cần từ ba bậc tự do trở lên. - Để tiếp cận bề mặt chi tiết theo hướng cụ thể thì cần thêm ít nhất hai bậc tự do, nếu chi tiết tay gắp có thể chuyển động theo các phương chuyển động quay thì robot chỉ cần bốn bậc tự do.
- Dựa trên những tài liệu có sẵn về cử chỉ thực tế của con người nhóm đã đề ra một phương án phù hợp. Mô hình cánh tay robot có cấu tạo và cách thức hoạt động tương tự như tay người. - Cánh tay robot này nó đáp ứng được rất nhiều cho các môi trường, cũng như nhiều công việc khác nhau nhờ có sự linh hoạt của các ngón tay.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài Robot sử dụng trong công nghiệp đòi hỏi tính linh hoạt, hoạt động nhanh, tinh vi và chuẩn xác, có khả năng thay thế con người hoạt động trong môi trường nguy hiểm, độc hại. Cánh tay robot điều khiển bằng cử chỉ là một Downloaded by SAU SAU (saudinh1@gmail.com) lOMoARcPSD|39269578 14 robot linh hoạt, chính xác, có tính ứng dụng trong các dây chuyền công nghiệp, có thể được phát triển để ứng dụng vào việc lắp ráp các sản phẩm trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.
Ở Việt Nam nói chung công nghệ chế tạo tay máy còn chậm phát triển, chúng ta vẩn chưa có nhà máy nào có khả năng chế tạo các bộ phận cấu thành của tay máy đạt tiêu chuẩn quốc tế. Tận dụng những vật liệu có sẳn để gia công các chi tiết cơ khí cũng như linh kiện , thiết bị điện có sẳn do nước ngoài sản suất để thiết kế thành những sản phẩm cụ thể trước hết là ứng dụng làm phương tiện giảng dạy trong trường học và từ đó phát triển cao hơn để ứng dụng vào trong sản suất đã và đang là hướng đi đúng đắng của các kỹ sư ở Việt Nam. Đề tài : “THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÁNH TAY ROBOT ĐIỀU KHIỂN BẰNG CỬ CHỈ” không nằm ngoài nhận định trên.