CHƯƠNG I: NHỮNG KIẾN THỨC CƠ SỞ Trong chương này cung cấp những kiến thức cơ bản về robot, lịch sử hình thành và phát triển, định nghĩa, phân loại, ứng dụng và tình hình nghiên cứu phát triển robot ở Việt Nam.1 Tổng quan về robot 3 bậc tự do Robot 3 bậc tự do là một CPS của một mô hình sản xuất thông minh trong các nhà máy công nghiệp hiện nay. Kết cấu quan trong nhất là cánh tay robot. Cánh tay robot là một cơ cấu trong hàng ngàn thiết kế của hệ thống các tay máy công nghiệp. Để có cái nhìn tổng quát về tay máy công nghiệp ta đi đến mục tiếp theo.2 Lịch sử phát triển robot công nghiệp Ngay sau chiến tranh thế giới thứ 2, ở Hoa Kì đã xuất hiện những tay máy chấp hành điều khiển từ xa trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng xạ.
Vào những năm 50 của thế kỉ 20, bên cạnh những tay máy chấp hành cơ khí đó, đã xuất hiện các tay máy chấp hành thủy lực và điện tử. Năm 1961, chiếc robot công nghiệp đầu tiên được đưa vào sử dụng ở nhà máy Genaral Motor tại Trenton, New Jersey, Hoa Kì.1: Robot công nghiệp đầu tiên Năm 1967, Nhật Bản mới nhập khẩu chiếc robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Hoa Kì. Đến năm 1990, có hơn 40 công ty Nhật Bản đưa ra thị trường nhiều loại robot nổi tiếng. Từ những năm 70, việc nghiên cứu và nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều đến sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc.
Một lĩnh SVTH :Phùng Mạnh Hùng – MSV : 2051204295 1 Đồ án hệ thống cơ điện tử GVHD: ThS. Nguyễn Hùng Anh vực nhiều phòng thí nghiệm quan tâm là robot tự hành. Các nghiên cứu robot tự hành bắt chước hoạt động chân người, chân động vật. Các loại robot này chưa có ứng dụng nhiều trong công nghiệp, tuy nhiên các loại xe robot (robotcar) lại nhanh chóng được đưa vào ứng dụng trong các hệ thống sản xuất linh hoạt.
Từ những năm 80, nhất là những năm 90, do áp dụng rộng rãi các ứng dụng kĩ thuật về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã gia tăng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều bước tiến vượt bậc. Nhờ vậy robot công nghiệp đã có chỗ đứng trong các dây chuyền sản xuất tự động.1 Định nghĩa Có nhiều định nghĩa robot cùng tồn tại, chúng ta hãy cùng tham khảo một số định nghĩa như sau: Định nghĩa theo từ điển New World College “Robot là một kết cấu cơ khí có hình dạng bất kì, được xây dựng để thực hiện những công việc bằng tay của con người”.Các định nghĩa sau này bao gồm các cánh tay cơ khí, các máy móc điều khiển số, các máy móc di chuyển theo kiểu bước đi và mô phỏng hình dáng con người. Các robot công nghiệp ngày này chỉ thực hiện một phần công việc của con người. Các robot ban đầu thường được gọi là các tay máy (Manipulator).
Định nghĩa theo hiệp hội robot công nghiệp Hoa Kì “Robot là một tay máy có nhiều chức năng có thể lập trình, được thiết kế để di chuyển vật liệu, các phần tử, linh kiện, các dụng cụ và thiết bị đặc biệt thông qua việc thay đổi các chương trình hoạt động đã được lập để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau.2 Phân loại robot Việc phân nhóm, phân loại robot có thể dựa trên những yếu tố kĩ thuật khác nhau. Dưới đây là một số cách phân loại chủ yếu: 1.1 Phân loại theo số bậc tự do Định nghĩa Bậc tự do của cơ cấu là số thông số độc lập cần cho trước để xác định hoàn toàn vị trí của các khâu trong cơ cấu khi cơ cấu hoạt động. Điều đó có nghĩa mỗi thông số độc lập sẽ là một quy luật cho trước để xác định quy luật chuyển động của cơ cấu. Khâu có quy luật chuyển động cho trước được gọi là khâu dẫn, khâu dẫn được nối với giá bằng một khớp loại 5 vì khớp loại 5 chỉ có một thông số xác định.
SVTH :Phùng Mạnh Hùng – MSV : 2051204295 2 Đồ án hệ thống cơ điện tử GVHD: ThS. Nguyễn Hùng Anh Hình 1.2: Robot 3 bậc tự do Trong Hình 1.2 là mô hình robot 3 bậc tự do gồm 1 bậc tự do tịnh tiến và 2 bậc tự do quay. Công thức tính số bậc tự do của cơ cấu Đối với robot là dạng chuỗi động hở như robot sacra đang xét thì số bậc tự do có thể tính theo công thức sau: W= 6n – ∑51 𝑖𝑝𝑖 Trong đó: n là số khâu động 𝑝𝑖 là số khớp loại i (i=1,2,.,5: số bậc tự do bị hạn chế) Ví dụ Robot Scara: Có 4 khâu động, 3 khớp quay loại 5 và 1 khớp trượt loại 5. W= 6*4 – (3*5+5) = 4 (bậc tự do) Một robot sẽ linh hoạt hơn khi di chuyển và hoạt động trong một không gian bị hạn chế.
Mặt khác, trong một số ứng dụng đặc biệt như trong việc lắp ráp trong một mặt phẳng thì chỉ cần bốn bậc tự do.2 Phân loại theo cấu trúc động học Một robot được gọi là robot tuần tự hay robot chuỗi hở nếu cấu trúc động học của chúng có dạng một chuỗi động học hở, gọi là robot song song nếu cấu trúc động học của chúng có dạng một chuỗi đóng và gọi là robot hỗn hợp nếu nó bao gồm hai loại chuỗi hở và chuỗi đóng. SVTH :Phùng Mạnh Hùng – MSV : 2051204295 3 Đồ án hệ thống cơ điện tử GVHD: ThS. Nguyễn Hùng Anh Hình 1.3: Robot song song Nhìn nhận một cách tổng quát thì robot song song có nhiều ưu điểm vì chúng có độ cứng vững cao hơn, khả năng tải cao hơn, nhưng không gian làm việc nhỏ hơn và cấu trúc phức tạp hơn. Tuy nhiên trong các đơn vị công nghiệp lắp ráp, hàn xì, đúc,.
thường sử dụng các robot chuỗi động hở vì khả năng vận hành linh hoạt và thiết kế đơn giản.4: Robot gắp vật chuỗi hở Như trong hình mô tả về robot gắp vật chuỗi hở, nó có thể tùy ý thao tác các hoạt động trong một không gian làm việc rộng và điều chỉnh được hướng của tay gắp. SVTH :Phùng Mạnh Hùng – MSV : 2051204295 4 Đồ án hệ thống cơ điện tử GVHD: ThS. Nguyễn Hùng Anh 1.4 Ứng dụng của robot công nghiệp Đơn vị: 1000 chiếc Hình 1.5: Biểu đồ phân bố robot công nghiệp trong các lĩnh vực Qua biểu đồ số liệu trên, ta nhận thấy robot công nghiệp được sử dụng nhiều nhất trong ngành công nghiệp ô tô 98 000 chiếc (2015) và tăng lên 126 000 chiếc (2017), ngoài ra ngành điện, điện tử cũng là ngành sử dụng nhiều robot công nghiệp với mức tăng 33% từ 65000 (2015) lên 121000 (2017). Mục tiêu ứng dụng của robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động.
Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của robot: Robot công nghiệp 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 công nghiệp 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 thay đổi về mẫu mã và kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh. Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dung robot là giảm được đáng kể chi phí cho người lao động.
Việc áp dụng robot làm tăng năng suất dây chuyền công nghệ. Sở dĩ như vậy vì nếu tăng nhịp độ khẩn trương của dây chuyền sản xuất, nếu không thay thế con người bằng robot thì người thợ sẽ không đuổi kịp hoặc nhanh chóng mệt mỏi. SVTH :Phùng Mạnh Hùng – MSV : 2051204295 5 Đồ án hệ thống cơ điện tử GVHD: ThS. Nguyễn Hùng Anh Hình 1.6: Hệ thống robot trong nhà máy VinFast Robot có thể cải thiện được điều kiện lao động.
Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà chúng ta cần lưu tâm. Vì trong thực tế có rất nhiều nơi người lao động phải làm việc có môi trường có hại cho sức khỏe hoặc dễ xảy ra tai nạn lao động.5 Tình hình nghiên cứu phát triển robot ở Việt Nam Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot đã có những bước tiến đáng kể trong 25 năm vừa qua. Nhiều đơn vị trên toàn quốc thực hiện các nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng về robot như Trung tâm Tự động hoá, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Điện tử, Tin học, Tự động hoá thuộc Bộ Công nghệp, Đại học Bách khoa TP.HCM, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin thuộc Viện KHCNVN. Bên cạnh đó còn phải kể đến Công ty Cổ phần robot TOSY, doanh nghiệp thiết kết và chết tạo robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tượng trên trường quốc tế.
Song song với chế tạo robot thì các công trình nghiên cứu khoa học về rô bốt được công bố của các nhà khoa học Việt Nam rất đa dạng và theo sát được các hướng nghiên cứu của thế giới. Các nghiên cứu về robot ở Việt Nam liên quan nhiều đến các vấn đề về động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông tin cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển và phát triển trí thông minh cho robot. Các nghiên cứu về động học và động lực học robot được các khoa cơ khí, chế tạo máy ở các trường đại học và các viện nghiên cứu về cơ học, chế tạo máy, cơ khí quan tâm cả trong dân sự và quân sự.6 Nội dung nghiên cứu cơ khí + Không gian làm việc :500x500x500 + Sơ bộ hướng thao tác: RRR Đề bài yêu cầu tính toán thiết kế Robot gắp vâ đảm bảo thực hiện thao tác theo quỹ đạo là tròn với 3 bậc tự do cho mô hình thiết kế. SVTH :Phùng Mạnh Hùng – MSV : 2051204295 6 Đồ án hệ thống cơ điện tử GVHD: ThS.
Nguyễn Hùng Anh - Tính toán, thiết kế robot có kết cấu, hình dạng phù hợp với yêu cầu linh hoạt về công việc đặt ra. - Hệ thống cơ khí, truyền động chính xác, gia công phải đảm bảo độ chuẩn theo yêu cầu kích thước bản vẽ. Đảm bảo cho robot chạy ổn định, đúng yêu cầu kĩ thuật. - Các khâu đảm bảo không gian làm việc ổn định, tự do, không va chạm, đảm bảo gắp vật được ở vị trí mong muốn.7 Phương pháp nghiên cứu của đề tài 1.