Đặt vấn đề Ngày nay, năng lượng luôn là vấn đề quan tâm hàng đầu của mỗi quốc gia. Chính sách năng lượng luôn lấy an ninh năng lượng làm mục tiêu phấn đấu. Những năm trước đây, khi các nguồn năng lượng còn giới hạn thì việc đảm bảo cung cấp năng lượng cho nhu cầu sử dụng của con người là hướng ưu tiên nên những ảnh hưởng tiêu cực tới môi trường và con người của các công trình năng lượng chưa được quan tâm đầy đủ. Bây giờ khi đã tận thu gần như cạn kiệt nguồn tài nguyên không thể phục hồi, con người bắt đầu nghiên cứu những phương án sử dụng nguồn năng lượng mới và các phương pháp tiết kiệm đến mức tối đa năng lượng tiêu thụ vì sự phát triển bền vững của đất nước cũng như để bảo vệ môi trường sống của bản thân mình.
Việc ứng dụng robot vào công nghiệp diễn ra ngày càng nhanh và trên quy mô rộng lớn. Tuy nhiên các robot này chủ yếu nhằm tối đa năng suất lao động, chưa xem xét đến yếu tố cần thiết như tối thiểu hoá năng lượng tiêu thụ. Hiện tại các nhà sản xuất cũng đã có nhiều cố gắng để giảm năng lượng tiêu thụ cho robot xuống bằng nhiều phương pháp như: giải thuật điều khiển thông minh, dùng động cơ phụ. Nhưng chi phí cao, phức tạp và mới chỉ là thiết kế chung cho toàn bộ hệ thống.
Đối với trường hợp cụ thể, môi trường làm việc cụ thể, các yếu tố như không gian làm việc, vị trí làm việc ảnh hưởng tới năng lượng tiêu thụ so với tính toán của nhà sản xuất thì chưa được xem xét đầy đủ Do đó việc xem xét thiết kế tiết kiệm năng lượng cho một bộ phận nhỏ, đơn lẻ , trong từng trường hợp làm việc cụ thể là cần thiết. Ở đây chúng ta đang cố gắng xây dựng một hệ thống cân bằng đối trọng và giải thuật tính toán tối ưu cho robot công 1 nghiệp với mục đích giảm từ 10% đến 20% năng lượng tiêu thụ. Từ đó, áp dụng cho toàn bộ dây chuyền sản xuất lớn thì mức tiết kiệm năng lượng này khá là đáng kể.2 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố. Vài nét lịch sử phát triển của robot và robot công nghiệp Nhìn ngược dòng thời gian chúng ta có thể nhận thấy rằng từ “Robot” đã xuất hiện từ khá lâu.
Năm 1921 nhà viết kịch Karelcapek người Séc đã viết một vở kịch với tựa đề R.R (Rossums Universal Robot) mô tả về một cuộc nổi loạn của những cỗ máy phục dịch. Từ “Robot” ở đây có nghĩa là những máy móc biết làm việc như con người. Có lẽ đó cũng là một gợi ý cho những nhà sáng chế kỹ thuật thực hiện các mơ ước về những cỗ máy bắt chước được các thao tác lao động cơ bắp của con người. Gần một thế kỷ tiếp theo, khái niệm robot đã liên tục được phát triển, đóng góp thêm bởi nhiều nhà nghiên cứu, nhiều công ty chuyên về lĩnh vực robot.
Trước những năm 1970, người ta chỉ tập trung vào việc phát triển những robot tay máy hoạt động trong các nhà máy công nghiệp. Ngày nay, ngành công nghiệp Robot đã đạt được những thành tựu hết sức to lớn. Những tay máy được đặt trên một đế cố định, có thể di chuyển với tốc độ nhanh và chính xác để thực hiện các công việc có tính chất lặp đi lặp lại như hàn hoặc sơn. Một đặc điểm quan trọng của robot công nghiệp là chúng cho phép dễ dàng kết hợp những việc phụ và chính của một quá trình sản xuất thành một dây chuyền tự động.
So với các phương tiện tự động hoá khác, các dây chuyền tự động dùng robot có nhiều ưu điểm hơn như dễ dàng thay đổi chương trình làm việc, có khả năng tạo ra dây chuyền tự động từ các máy vạn năng, và có thể tự động hoá toàn phần.1 Robot hàn IRB 1410 ArcPack [21] Hình 1.2 Robot sơn tĩnh điện ABB IRB 2.400 [22] 3 Tóm tắt lịch sử phát triển của Robot Bảng 1.1 trình bày tóm tắt quá trình lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ chế tạo Robot, và những tác động của khoa hoc cũng như xã hội đối với từng thời kỳ.1 Tóm tắt lịch sử phát triển của Robot [5] Mốc Nghiên cứu và Ứng dụng trong Các yếu tố thời Kỹ thuật hỗ trợ phát triển công nghiệp ảnh hưởng gian Khái niệm Robot 1920 xuất hiện trong tiểu thuyết Phát minh ra cánh 1940 tay máy Phát sinh khái niệm Giới thiệu về bộ 1950 Robot thông minh nhớ vòng Giới thiệu Robot điều khiển bằng Phát triển Robot Máy tính dùng máy tính. trong công nghiệp. 1960 Hoạt động nghiên Ứng dụng Robot ở Giới thiệu vi xử cứu được tăng NASA và NAVY. Sự hạn chế Robot có trí thông Sự bùng nổ lần 1970 Phát triển vi xử lý của nền kinh minh nhân tạo.
đầu tiên của Robot tế. 1980 Chế tạo ra Robot Robot công nghiệp Kỹ thuật số và kỹ Nhu cầu tăng 4 để dùng trong được ứng dụng thuật quang phát cường lao những việc nguy rộng rãi triển. hiểm (1983) Điều khiển logic. Giới thiệu về Robot gây Nghiên cứu về 1990 Robot thông minh nên thất Robot trí thông trong sản xuất.
nghiệp minh nhân tạo. Robot giống con Các tiến bộ về cơ 2000 người khí Bắt đầu dự án Swarm-bots. Swram-bots gồm 2001 nhiều Robot nhỏ hợp lại để thực hiện một nhiệm vụ chung. Xuất hiện Robot tự Phục vụ cho việc 2002 dò đường Roomba.
lau chùi nhà cửa. Robot hoạt động Robot quét dọn tại hoàn toàn tự chủ, Công ty các bệnh viện, cao xử dụng một hệ Axxon 2003 ốc và các trung tâm thống cảm biến để Robotics mua thương mại phát tránh chướng ngại lại Intellibot triển mạnh. 2004 Robot đồ chơi Trong “Dự án 5 Robosapien được Centibots” 100 Mark Tilden thiết Robot độc lập làm kế và bán ra thị việc với nhau để trường. thực hiện một bản đồ của một môi trường không rõ và tìm kiếm các đối tượng trong môi trường đó.
Robot di chuyển bằng chân được Boston Dynamics ứng dụng để 2005 tạo ra một Robot mang vật nặng thú bốn chân. trên địa hình xe cộ di chuyển khó khăn. Talon-Sword, các Robot thương mại đầu tiên với súng phóng lựu và các Ứng dụng Robot tùy chọn vũ khí trong lĩnh vực 2006 tích hợp khác được quân sự được phát phát hành. Robot Honda Asimo có khả năng học chạy và leo lên 6 cầu thang.
Hàng loạt Robot được chế tạo ra để ứng dụng trong 2007 sinh hoạt, bệnh viện và quân sự Ví dụ : Kiva, Speci-Minder , Tug BigDog có thể đi Boston Dynamics trên địa hình băng phát hành đoạn 2008 giá và phục hồi sự phim video của một cân bằng của nó thế hệ mới BigDog trên mặt nước đá. QUINCE có thể tìm kiếm người Tình hình sống sót trong thiên tai, Nhật Bản chế đống đổ nát và động đất xảy 2010 tạoRobot cứu hộ cung cấp nước, ra thường QUINCE. thực phẩm hoặc xuyên tại điện thoại di động Nhật. vào khu vực xảy ra thiên tai.
Một số kết quả nghiên cứu Robot đã có những bước tiến đáng kể hơn nửa thế kỷ qua. Robot đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm các công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại. Do nhu cầu cần ăn nhập ngày càng nhiều với quá trình sản xuất phức tạp nên robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng linh hoạt và thông minh hơn. Ngày nay, ngoài ứng dụng trong chế tạo máy thì các ứng dụng robot trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng và gia đình đang có nhu cầu gia tăng là động lực cho các robot địa hình và robot dịch vụ phát triển.
Một số kết quả nghiên cứu Yongfei Xiao [14] xây dựng một cơ cấu cân bằng đối trọng để tăng khả năng tải của robot công nghiệp. Đặc tính chuyển động của robot tải nặng được đánh giá từ đặc tính động học. Từ mô hình động học, sử dụng lý thuyết Lagrange để phân tính lực và moment. Gouri Shankar Sharma [16] đề xuất giải thuật GA để tối ưu hoá quỹ đạo di chuyển cho tay máy robot 3 khâu.
Mục đích là giảm thiểu năng lượng tiêu thụ bởi bộ thực thi trong tay máy và thời gian thực hiện, trong khi không vượt qua mức moment tối đa đã định trước. Giải thuật tìm ra được đường đi ngắn nhất cho cơ cấu chấp hành với việc di chuyển các khớp ít nhất.3 Năng lượng tiêu thụ khi sử dụng giải thuật GA và không sử dụng GA[16] 8 Nearchou và Aspragathos [17] (1996) giải quyết vấn đề di chuyển điểm – điểm của tay máy robot dự phòng làm việc trong môi trường với các chướng ngại. Vấn đề được phát biểu như là vấn đề tối ưu hạn chế và được giải quyết sử dụng phương pháp giải thuật di truyền Hecn và Zalzala (1997) đề xuất một phương pháp để tính toán vị trí và cấu hình của tay máy di động. Tác giả nghiên cứu tối ưu chuẩn moment xoắn nhỏ nhất, phân bố moment xoắn và tránh vật cản thông qua động học ngược.
Từ đó giảm năng lượng cho robot Kian Hsiang Low [18] (2006) mô tả một kiến trúc lớp cho sự hợp chung của nhiều robot, mà được sử dụng trong mạng cảm biến di động tự động. Trong lớp trên, một lược đồ động lực học tự tổ chức để bám theo một vùng một cách hiệu quả. Kết quả các ảnh hưởng không tốt giữa các robot được tối thiểu và độ hội tụ được cải thiện. Các lớp sử dụng kỹ thuật tự tổ chức, mà cho thấy tính chất tự động như là tự cấu hình, tự tối ưu hóa, tự bảo vệ.
Phương pháp chia lớp có thể cung cấp độ hội tụ tốt hơn, mạnh mẽ hơn và linh hoạt hơn đáp ứng lại các thay đổi về môi trường. Xiaobu Yuan [19] (2007) trình bày một phương pháp mới. Phương pháp này sử dụng một bản đồ tự tổ chức cải tiến để định vị các nano robot trong khi tạo đường di chuyển tối ưu. Nó có thể kết hợp nhiều robot nano làm việc đồng thời và hiệu quả.3 Mục đích của đề tài: Mục tiêu của luận văn là xây dựng cơ cấu cân bằng đối trọng sử dụng lò xo cho tay máy nhằm tối ưu mức năng lượng tiêu thụ.
Những mục tiêu của đề tài được đề ra như sau: − Xây dựng mô hình toán − Tính toán tối ưu hóa năng lượng − Mô hình hóa động cơ ở khâu khảo sát − Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab. − Xây dựng mô hình tay máy thực nghiệm − Tiến hành thí nghiệm trên mô hình tay máy để kiểm chứng kết quả 1.