CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Giới thiệu về robot công nghiệp Thuật ngữ “Robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rosum’s Universal Robot” của Karal Capek. Theo tiếng Czech thì Robot là người tạp dịch. Trong tác phẩm này nhân vật Rosum và con trai ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người hầu hạ con người. Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karel Capek đã bắt đầu hiện thực.
Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, ở Mỹ đã xuất hiện những tay máy chép hình điều khiển từ xa, trong các phòng thí nghiệm phóng xạ. Năm 1959, Devol và Engelber đã chế tạo Robot công nghiệp đầu tiên tại Unimation. Năm 1967, Nhật Bản mới nhập chiếc Robot công nghiệp đầu tiên từ công ty AMF của Mỹ. Đến năm 1990, có hơn 40 công ty của Nhật, trong đó có những công ty khổng lồ như Hitachi, Mitsubishi và Honda đã đưa ra thị trường nhiều loại robot nổi tiếng.
Từ những năm 70, việc nghiên cứu 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. Tại trường đại học Tổng hợp Stanford, người ta đã chế tạo ra loại robot lắp ráp tự động điều khiển bằng vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác. Vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo Robot có các cảm biến xúc giác và cảm biến lực điều khiển bằng máy vi tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết. Những năm 90 do áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoa học về vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot công nghiệp đã tăng nhanh, giá thành giảm rõ rệt, tính năng đã có nhiều bước tiến vượt bậc.
Nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại. Ngày nay, chuyên ngành khoa học nghiên cứu về robot “Robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng trong khoa học, bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyển động v.v… Ba nguyên tắc cơ bản trong ngành nghiên cứu về Robotics: 1. Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người. Hoạt động của robot phải tuân thủ theo các quy tắc do con người đặt ra.
Các quy tắt này không dược vi phạm nguyên tắc thứ nhất. Một robot cần 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. 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. 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 theo đúng 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. Robotics được hiểu là một ngành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu, 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 [5,tr. Từ hiểu 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 thông tin. Theo thuật ngữ hiện nay, robot là sản phẩm của ngành cơ - điện tử (Mechatronics).
Khía cạnh nhân văn và khía cạnh khoa học - kỹ thuật của việc sản sinh ra 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 cọ nhà,. - Trong môi trường khắc nghiệt hoặc nguy hiểm: như ngoài khoảng không 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 dựng của robot rất rộng và ngày càng được mở rộng thêm.
Ngày nay, khái niệm về robot đã mở rộng hơn khái niệm nguyên thuỷ rất nhiều. Sự phỏng tác về kết cấu, chức năng, dáng vẻ của con người là cần thiết nhưng không còn ngự trị trong 11 Luan van kỹ thuật robot nữa. Kết cấu của nhiều "con" robot khác xa với kết cấu các bộ phận của cơ thể người và chúng cũng có thể thực hiện được những việc vượt xa khả năng của con người.2 Phân loại robot công nghiệp Thế giới robot hiện nay đã rất phong phú và đa dạng, vì vậy phân loại chúng không đơn giản. Có rất nhiều quan điểm phân loại khác nhau.
Mỗi quan điểm phục vụ một mục đích riêng. Tuy nhiên, có thể nêu ra đây 3 cách phân loại cơ bản: theo kết cấu, theo điều khiển và theo phạm vi ứng dụng robot. Phân loại theo kết cấu Theo kết cấu (hay theo hình học), người ta phân robot thành các loại: đề các, trụ, cầu, SCADA, kiểu tay người và các dạng khác nưa (xem các hình từ 1. Phân loại theo điều khiển Có 2 điều khiển robot: điều khiển hở và điều khiển kín.
Điều khiển hở, dung truyền động bước (động cơ điện hoặc động cơ thủy lực, khí nén,… ) mà quãng đường hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển. Kiểu điều khiển này khá đơn giản, nhưng đạt độ chính xác thấp. Điều khiển kín (hay điều khiển servo), sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tang độ chính xác điều khiển. Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm – điểm và điều khiển theo đường (contour).
Với điều khiển điểm – điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao (không àm việc). Nó chỉ làm việc tại các điểm dừng. Kiểu điều khiển này được dung trên các robot hàn điểm, Vận chuyển, tán đinh, bắn đinh,… Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp kiểu điều khiển này trên các robot hàn hồ quang, phun sơn.1 Tay máy kiểu tọa độ đề các 12 Luan van Hình 1.2 Cấu trúc tay máy kiểu tọa độ trụ Hình 1.3 Tay máy kiểu cầu Hình 1.4 Tay máy kiểu SCADA Hình 1.5 Tay máy kiểu tay người 13 Luan van Hình 1.6 Khớp cổ tay 1.
Phân loại theo ứng dụng Cách phân loại này dựa vào ứng dụng của robot. Ví dụ, có robot công nghiệp, robot dung trong nghiên cứu khoa học, robot dung trong kỹ thuật vũ trụ, robot dung trong quân sự,…(Hình 1.7 Một số loại robot được ứng dụng trong thực tế 14 Luan van 1.3 Một số ứng dụng của robot 1.1 Trong công nghiệp Robot được sử dụng rộng rãi trong một loạt các ứng dụng công nghiệp. Các ứng dụng sớm nhất có thể kể đến là xử lý vật liệu, hàn điểm và phun sơn. Robot ban đầu được áp dụng cho các công việc nóng bức, nặng nhọc và nguy hiểm như đúc khuôn, rèn và hàn điểm.
Robot được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác, ví dụ: Cắt, mài nhẵn, sửa chữa bảo dưỡng máy công cụ, đúc trong ngành công nghiệp nhựa, áp dụng chất bịt kín cho kính chắn gió xe hơi, chọn các vật phẩm rời khỏi băng tải và đóng gói chúng vào giá nâng, …vv. Các ứng dụng này, và các vấn đề liên quan, được báo cáo trong nhiều hội nghị chuyên ngành. Các ứng dụng mới sáng tạo bao gồm hàn bằng chùm tia laser (Kehoe 1984) và cắt bằng tia nước áp lực cao [1].2 Các ứng dụng trong phòng thí nghiệm Robot đang cho thấy ứng dụng ngày càng tăng trong các phòng thí nghiệm. Chúng thực hiện tốt các nhiệm vụ lặp đi lặp lại, chẳng hạn như đặt các ống nghiệm vào các dụng cụ đo đạc, làm giảm kỹ thuật viên phòng thí nghiệm của nhiều công việc tẻ nhạt.
Ở giai đoạn này, rô bốt được sử dụng để thực hiện tự động các công việc thủ công [1].3 Các ứng dụng công nghệ hạt nhân Công nghệ Robotics tìm thấy ứng dụng đầu tiên của nó trong ngành công nghiệp hạt nhân với sự phát triển của các nhà điều hành điện tử để xử lý vật liệu phóng xạ (Martin and Hamet, 1984). Gần đây, robot đã được sử dụng để hàn từ xa và kiểm tra đường ống trong các khu vực bức xạ cao [27].4 Các ứng dụng trong nông nghiệp Đối với nhiều người, ý tưởng về việc trồng cây bắp hay thu hoạch tự động là khoa học viễn tưởng, nhưng những nghiên cứu nghiêm túc đang được tiến hành trong việc ứng dụng robot vào nông nghiệp. Một trong những dự án thành công nhất từ trước tới nay là sự phát triển của một robot cắt lông cừu ở Úc. Quỹ đạo của kéo cắt trên cơ thể của cừu được lập trình sử dụng một mô hình hình học của một con cừu [27].5 Ứng dụng trong thám hiểm không gian 15 Luan van Khám phá không gian đặt ra những vấn đề đặc biệt cho robot.
Môi trường ngoài không gian là thù địch với con người. Con người chỉ có thể làm việc trong thời gian ngắn ngoài không gian với những người yêu cầu quần áo bảo hộ đắt tiền và môi trường sinh học giống như Trái Đất. Vì vậy, nhiều phi hành gia đã cho rằng robot, chứ không phải con người, nên được gửi vào vũ trụ [27].6 Ứng dụng trong thiết bị lặn Hai sự kiện trong mùa hè (ở bán cầu bắc) năm 1985 đã nâng cao nhận thức của công chúng về các ứng dụng dưới biển của robotic. Vụ tai nạn của một chiếc máy bay Air Jumbo của Air India rơi xuống Đại Tây Dương ngoài khơi Ireland.
Một robot lặn có hướng dẫn từ xa, thường được sử dụng để đặt cáp, được sử dụng để tìm và phục hồi các hộp đen của máy bay [27].