Xemtailieu Tải về Nghiên cứu các phương pháp điều khiển Robot công nghiệp
LỜI MỞ ĐẦU Theo quá trình phát triển của xã hội, nhu cầu nâng cao sản xuất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hóa sản xuất. Xu hướng tạo ra những dây chuyền và thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đã hình thành và phát triển mạnh mẽ. Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng người máy để tạo ra các hệ sản xuất tự động linh hoạt. Robot ứng dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong sản xuất cũng như trong đời sống. Robot là cơ cấu đa chức năng có khả năng lập trình được dùng để di chuyển nguyên vật liệu, các chi tiết, các dụng cụ thông qua các truyền động được lập trình trước. Robot đóng vai trò quan trọng trong tự động hoá linh hoạt như công tác vận chuyển bổ trợ cho máy CNC, trong dây chuyền lắp ráp, sơn hàn tự động, trong các thao tác lặp đi lặp lại, trong các vùng nguy hiểm. Một robot có thể chuyển động từ vị trí này sang vị trí khác để cung cấp chi tiết đồng thời vẫn giao tiếp với các thiết bị ngoại vi như bộ PLC, bàn điều khiển hoặc hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. Ưu điểm quan trọng nhất của kỹ thuật robot là tạo nên khả năng linh hoạt hóa sản xuất. Việc sử dụng máy tính điện tử - robot và máy điều khiển theo chương trình đã cho phép tìm được những phương thức mới mẻ để tạo nên các dây chuyền tự động cho sản xuất hàng loạt với nhiều mẫu, loại sản phẩm. Kỹ thuật robot công nghiệp và máy vi tính đã đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các dây chuyền tự động linh hoạt (Hệ sản xuất hàng loạt FMS). Sau một thời gian thực tập em được giao đề tài tốt nghiệp với nội dung “Nghiên cứu các phương pháp điều khiển Robot công nghiệp”, sau mười hai tuần em đã hoàn thành xong đồ án. Bản đồ án của em được chia làm ba chương với nội dung sau: Chương 1. Tổng quan về Robot công nghiệp. Chương này trình bày về các khái niệm cơ bản về Robot, các loại Robot điển hình, và các ứng dụng của Robot. Chương 2. Các phương pháp điều khiển Robot trong công nghiệp. 1 Chương này trình bày về các phương pháp điều khiển Robot trong không gian khớp và không gian làm việc Chương 3. Robot ba bậc tự do. Chương này trình bày về Robot ba bậc tự do, xác định động học vị trí, xây dựng phương trình động lực học, mô phỏng bốn phương pháp điều khiển robot trên phần mềm Malab-Simulink Sau mười hai tuần làm đồ án tốt nghiệp, được sự hướng dẫn của cô giáo ThS. Phạm Thị Hồng Anh, bản đồ án của em đã hoàn thành đầy đủ các nội dung và yêu cầu đề ra. Do thời gian và trình độ có hạn nên bản đồ án tốt nghiệp của em không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và bạn bè để bản đồ án tốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện Lê Thành Trung 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP (RBCN) Robot công nghiệp là thuật ngữ có nhiều quan điểm khác nhau. Có thể định nghĩa là: Robot công nghiệp là một cơ cấu cơ khí có thể lập trình được và có thể thực hiện những công việc có ích một cách tự động không cần sự giúp đỡ trực tiếp của con người. Theo ISO thì “Robot công nghiệp là một tay máy đa mục tiêu, có một số bậc tự do, dễ dàng lập trình, điều khiển tự động, dùng để tháo lắp phôi, dụng cụ và các vật dụng khác”. Do chương trình thao tác có thể thay đổi, thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng nên có thể nói robot công nghiệp được hiểu là những thiết bị tự động, linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động của con người. Theo đó, robot công nghiệp cũng là một hệ thống tự động hóa lập trình được, giống như NC, CNC, DNC và AC. Điểm khác biệt giữa robot và NC là NC điều khiển các chuyển động trên bề mặt, theo các trục của hệ tọa độ thì robot điều khiển các chuyển động trong không gian. Yếu tố đa chức năng nhấn mạnh robot có khả năng thực hiện nhiều chức năng, phụ thuộc vào chương trình và công cụ làm việc. Ví dụ trong dây chuyền sản xuất ô tô, một robot có thể được gắn mỏ hàn để thực hiện công nghệ hàn trong một phân xưởng. Tại phân xưởng khác, robot có cấu hình tương tự với khâu tác động cuối thay thế mỏ hàn bằng các bàn kẹp có thể được điều khiển để vận chuyển các chi tiết và lắp ráp nó vào các vị trí yêu cầu. Ứng với mỗi chức năng khác nhau, chương trình điều khiển của robot sẽ được lập trình lại cho phù hợp. Yếu tố đa chức năng là một trong những điểm chính để phân biệt robot với các máy tự động đang sử dụng trong sản xuất hiện nay. 3 Hình 1.1. Robot công nghiệp IRB – 7600 1.2. TỰ ĐỘNG HÓA VÀ ROBOT CÔNG NGHIỆP Hai lĩnh vực tự động hóa (Automation) và kỹ thuật robot (Robotics) có nhiều liên quan mật thiết với nhau. Về phương diện công nghiệp, tự động hóa là một công nghệ liên kết với sử dụng các hệ thống cơ khí, điện tử và hệ thống máy tính trong vận hành và điều khiển sản xuất. Ví dụ, dây chuyền vận chuyển, các máy lắp ráp cơ khí, các hệ thống điều khiển phản hồi, các máy công cụ điều khiển chương trình số và robot. Như vậy, có thể coi robot là một dạng của thiết bị tự động hóa công nghiệp. - Có ba loại hệ thống tự động hóa công nghiệp: Tự động hóa cố định, tự động hóa lập trình được và tự động hóa linh hoạt. + Tự động hóa cố định là những hệ thống sản xuất mà trình tự hoạt động là cố định, được xác lập sẵn bởi thiết bị. Mỗi một hoạt động trong quá trình tuần tự thường là rất đơn giản. Các máy móc kết hợp các hoạt động này lại trong một hệ thống phức tạp. 4 + Tự động hóa lập trình được đặc trưng bởi khả năng thay đổi được trình tự sản xuất theo từng loại sản phẩm. Trình tự sản xuất được điều khiển bởi chương trình. + Tự động hóa linh hoạt là bước phát triển cao hơn của tự động hóa lập trình được, trong đó hệ thống có thể đáp ứng các yêu cầu thay đổi sản phẩm mà không mất thời gian để thiết lập lại trình tự hoạt động, do đó hệ thống có thể sản xuất ra được các loại sản phẩm khác nhau theo các lịch trình khác nhau. Robot có liên quan mật thiết với tự động hóa lập trình được. Robot là một máy có khả năng lập trình và có một số đặc tính giống con người. Robot có thể được lập trình để di chuyển cách tay thông qua các trình tự chuyển động có tính chu kỳ để thực hiện nhiệm vụ khác nhau. Ví dụ, các máy bốc dỡ hàng, robot hàn, sơn… Robot cũng được sử dụng rộng rãi trong hệ thống sản xuất linh hoạt hoặc trong hệ thống tự động hóa cố định. Hệ thống này gồm một số máy, hoặc các robot làm việc cùng nhau được điều khiển bằng máy tính hoặc bộ điều khiển lập trình. Ví dụ, dây chuyền hàn vỏ ô tô gồm nhiều cánh tay robot có nhiệm vụ hàn các bộ phận khác nhau. Chương trình lưu trữ trong máy tính được nạp cho từng robot làm việc ở mỗi bộ phận của dây chuyền hàn ô tô. Như vậy đây là một dây chuyền sản xuất linh hoạt với mức độ tự động hóa cao. 1.3. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) là “Robota” (có nghĩa là công việc tạp dịch) trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek vào năm 1920. Trong vở kịch này, nhân vật Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy có thể ứng xử như con người, có khả năng làm việc khỏe gấp đôi con người, nhưng không có cảm tính, cảm giác như con người. Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC-Numerically Controlled 5 machine tool). Năm 1952, mẫu máy điều khiển số đầu tiên được trưng bày ở Viện Công Nghệ Massachuasetts sau một vài năm nghiên cứu chế tạo. Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trong Chiến tranh thế giới lần thứ II nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ. Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong. Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của người thao tác; nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ). Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tùy ý của tay cầm và bộ kẹp. Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm. Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong nghành chế tạo máy bay. Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số. Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot Versatran của công ty AMF của Mỹ vào năm 1960. Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ô tô. Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh1967, Thụy Điển và Nhật-1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức-1971; Pháp-1972; Ý-1973… Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý. Năm 1968, trường đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến. 6 Năm 1974, Công ty Cincinnati của Mỹ đã đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai). Robot này có thể nâng được vật có khối lượng đến 40kg. Năm 1976, cánh tay robot đầu tiên trong không gian trên tàu thám hiểm Viking của cơ quan không gian Nasa Hoa Kỳ để lấy mẫu đất trên sao Hỏa. 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 để nhận biết môi trường làm việc. Tại trường đại học tổng hợp Stanford người ta đã tạo ra loại robot dùng để lắp ráp tự động và được điều khiển bằng máy vi tính trên cơ sở xử lý thông tin từ các cảm biến lực và thị giác. Cũng vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo loại robot có các cảm biến xúc giác và cảm biến lực, điều khiển bằng máy tính để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết. Năm 1990, có hơn 40 công ty của Nhật Bản trong đó có những công ty khổng lồ như công ty Hitachi và công ty Mitsubishi đã đưa ra thị trường quốc tế nhiều loại robot nổi tiếng. Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng phát triển. Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đặc biệt. Có thể nói robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí không nhân tạo, hệ chuyên gia… Số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại. 7 1.4. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.4.1. Tải trọng Tải trọng là trọng lượng robot có thể mang và giữ trong khi vẫn đảm bảo một số đặc tính nào đó. Tải trọng lớn nhất lớn hơn tải trọng định mức nhiều nhưng robot không thể mang tải trọng lớn hơn định mức vì khi đó robot không đảm bảo được độ chính xác di chuyển. Tải trọng robot thông thường nhỏ hơn trọng lượng robot. 1.4.2. Tầm với Tầm với là khoảng cách lớn nhất robot có thể vươn tới trong phạm vi làm việc. Tầm với là một hàm phụ thuộc vào cấu trúc của robot. 1.4.3. Độ phân giải không gian Độ phân giải không gian là lượng gia tăng nhỏ nhất robot có thể thực hiện khi di chuyển trong không gian, phụ thuộc vào độ phân giải điều khiển và sai số cơ khí. Độ phân giải điều khiển, kí hiệu là CR, xác định bởi độ phân giải hệ thống điều khiển vị trí và hệ thống phản hồi: là tỷ số của phạm vi di chuyển và số bước di chuyển của khớp được địa chỉ hóa trong bộ điều khiển của robot: CR = (dải chuyển động)/2n Trong đó n là số bit để biểu diễn một số trong hệ thống điều khiển Sai số cơ khí phụ thuộc vào khe hở trong hộp truyền, sự rò rỉ của hệ thống thủy lực, tải trọng trên tay robot, tốc độ di chuyển, điều khiện bảo dưỡng robot. Nói chung sai số cơ khí tuân theo phân bố xác suất chuẩn. Độ phân giải không gian, kí hiệu là SR, được xác định như sau: SR = CR+6. (độ lệch chuẩn của phân bố sai số cơ khí) 8 1.4.4. Độ chính xác Độ chính xác đặc trưng cho khả năng của robot điều chỉnh điểm cuối của tay máy đến một điểm bất kỳ trong không gian hoạt động của nó. Độ chính xác = CR/2+3. (độ lệch chuẩn của phân bố sai số cơ khí) Độ chính xác = SR/2 1.4.5. Độ lặp lại Độ lặp lại đánh giá độ chính xác khi robot di chuyển để với tới một điểm trong nhiều lần hoạt động. Do sai số cơ khí mà robot không thể với tới cùng một điểm trong nhiều lần hoạt động, mà các điểm với của robot nằm trong một vòng tròn với tâm là điểm đích mong muốn. Bán kính của đường tròn đó là độ lặp lại. Độ lặp lại = (+/-) 3.(độ lệch chuẩn của phân bố sai số cơ khí) 1.4.6. Độ nhún Độ nhún biểu thị sự dịch chuyển của điểm cuối cổ tay robot đáp ứng lại lực hoặc momen tác dụng. Độ nhún lớn có nghĩa là tay robot dịch chuyển nhiều khi lực tác dụng nhỏ và ngược lại. Độ nhún có ý nghĩa quan trọng vì nó làm giảm độ chính xác dịch chuyển khi robot mang tải trọng. Nếu robot mang tải trọng nặng, trọng lượng tải trọng sẽ làm cho cánh tay robot bị dịch chuyển. 1.5. HỆ THỐNG ROBOT TRONG CÔNG NGHIỆP - Một hệ thống RBCN điển hình gồm các bộ phận sau: + Hệ thống chuyển động + Hệ thống truyền động + Hệ thống điều khiển + Hệ thống cảm biến 1.5.1. Hệ thống chuyển động robot Các robot công nghiệp ngày nay thường được đặt trên đế và gắn chặt trên sàn. Cơ thể được gắn với đế, tổ hợp cánh tay được gắn với cơ thể. Cuối cánh tay 9 là cổ tay. Hệ thống chuyển động RBCN đảm bảo cho robot có thể thực hiện các nhiệm vụ trong không gian làm việc bao gồm các chuyển động của thân, cánh tay, cổ tay giữa các vị trí hoặc chuyển động theo một quỹ đạo đặt trước. Bộ phận cơ bản của robot là cánh tay (arm), cánh tay được cấu thành bởi các thanh nối liên kết với nhau qua các khớp nối mềm (joint), nhờ có khớp nối mà có sự chuyển động tương đối giữa hai thanh nối liền nhau. Cánh tay robot được gắn lên thân (bệ – base), cổ tay (wrist) được gắn ở thanh nối cuối cùng của cánh tay robot, bàn tay (hand – còn được gọi là cơ cấu tác động cuối(end effector)) được gắn lên cổ tay để thực hiện các nhiệm vụ theo yêu cầu công nghệ: cầm nắm hoặc gia công. Hình 1.2. Hình dạng cơ khí của 1 RBCN a. Bậc tự do của robot Bậc tự do của robot là số tọa độ cần thiết để biểu diễn vị trí và hướng của vật thể ở tay robot trong không gian làm việc. Để biểu diễn hoàn chỉnh một đối tượng trong không gian cần 6 tham số: 3 tọa độ xác định vị trí đối tượng trong không gian và 3 tọa độ biểu diễn hướng của đối tượng. Như vậy một robot công nghiệp điển hình có số bậc tự do là 6. Nếu số bậc tự do nhỏ hơn 6 thì không gian chuyển động của tay robot sẽ bị hạn chế. Với một robot 3 bậc tự do, tay robot 10 chỉ có thể chuyển động dọc theo các trục x, y, z và hướng của tay không xác định. Số bậc tự do của RBCN sẽ tương ứng với số khớp hoặc số thanh nối của robot. Robot trên hình 1.2 là robot 3 bậc tự do. b. Khớp robot - Khớp là khâu liên kết hai thanh nối có chức năng truyền chuyển động để thực hiện di chyển của robot. Thanh nối gần với robot là thanh nối vào, thanh nối ra sẽ chuyển động tương đối so với thanh nối vào. - Khớp robot được sử dụng trong thiết kế là khớp tịnh tiến và khớp quay. + Khớp tịnh tiến thực hiện chuyển động tịnh tiến hoặc trượt thanh nối đầu ra. Các dạng cơ cấu khớp tịnh tiến là cơ cấu xilanh-piston, cơ cấu kính viễn vọng. + Khớp quay có 3 dạng: R, T, V. Khớp quay dạng R có trục xoay vuông góc với trục hai thanh nối. Khớp quay dạng T có trục quay trùng với hai thanh nối. Khớp quay dạng V có trục quay trùng với trục thanh nối vào và vuông góc với trục thanh nối ra. c. Cổ tay robot Cổ tay robot có nhiệm vụ định hướng chính xác bàn tay robot (cơ cấu tác động cuối) trong không gian làm việc. Thông thường cơ cấu cổ tay robot có 3 bậc tự do tương ứng với 3 chuyển động: cổ tay xoay xung quanh trục thanh nối cuối cùng (Roll), cổ tay xoay xung quanh trục nằm ngang tạo ra chuyển động lên xuống của bàn tay (Pitch), cổ tay quay xung quanh trục thẳng đứng tạo chuyển động lắc phải, trái của bàn tay (Yaw). d. Bàn tay robot (cơ cấu tác động cuối) Bàn tay được gắn lên cổ tay robot đảm bảo cho robot thực hiện các nhiệm vụ khác nhau trong không gian làm việc. Cơ cấu bàn tay có hai dạng khác nhau tùy theo chức năng của robot trong dây chuyền sản xuất: cơ cấu bàn kẹp (gripper) và cơ cấu dụng cụ (tool). 11 – Cơ cấu kẹp + Cơ cấu kẹp được sử dụng để cầm giữ một vật thể hoặc chi tiết ở các robot làm việc trong dây chuyền lắp ráp khi gắp một chi tiết và lắp ráp một bộ phận của một máy; robot ở dây chuyền đóng gói hoặc ở robot có chức năng vận chuyển như gắp một chi tiết đặt lên một băng tải hoặc vận chuyển một chi tiết từ vị trí này sang vị trí khác. Các chi tiết cũng có các loại và hình dạng khác nhau: chai, hộp, vật liệu thô hoặc một dụng cụ. + Cơ cấu kẹp thông thường gồm hai hay nhiều ngón tay (finger). Các ngón tay có chức năng biến đổi một dạng năng lượng (điện, cơ khí, khí nén hoặc thủy lực) nhờ một cơ cấu chấp hành thành lực để nắm giữ một vật thể. Cơ cấu có khả năng mở ra và nắm lại các ngón tay và sinh lực đủ lớn để giữ một vật thể trong tay. – Cơ cấu dụng cụ Trong nhiều dây chuyền sản xuất, robot thực hiện nhiệm vụ như một dụng cụ để gia công kim loại hoặc một công nghệ đặc biệt như sơn, hàn. Để thực hiện các công nghệ đó, dụng cụ có thể được kẹp trên bàn tay robot (cơ cấu kẹp) hoặc một dụng cụ được gắn cố định trên cổ tay của robot. Các dụng cụ là: mũi khoan, dụng cụ cắt, đá mài, một bình sơn, cơ cấu hàn điểm, hàn hồ quang. Khi bàn tay robot là một dụng cụ, robot cần được điều khiển chuyển động của dụng cụ tương tự như điều khiển cơ cấu bàn tay kiểu kẹp. 12 Hình 1.3. Hai ví dụ về bàn tay robot:(1)_Bàn tay robot truyền động thủy lực có 4 ngón tay đối xứng, (2)_Bàn tay robot có 3 ngón tay không đối xứng. e. Các dạng cơ cấu hình học và không gian làm việc của RBCN Cấu hình robot thông thường được định nghĩa theo các khung tọa độ không gian làm việc của tay robot. Có 5 dạng cơ cấu hình học điển hình: cơ cấu kiểu tọa độ Đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, SCARA, kiểu tay người: Cơ cấu kiểu tọa độ Đề các: dùng 3 khớp trượt, cho phép phần công tác thực hiện một cách độc lập các chuyển động thẳng, song song với 3 trục. Không gian làm việc của tay máy có dạng hình hộp chữ nhật. Kết cấu tay máy đơn giản nên có độ cứng vững cao, độ chính xác được đảm bảo đồng đều trong toàn bộ không làm việc, nhưng ít khéo léo. Tay máy kiểu này dùng để vận chuyển và lắp ráp. Cơ cấu kiểu tọa độ trụ: dùng 1 khớp quay và 2 khớp trượt. Không gian làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng. Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy “thò” được vào khoang rỗng nằm ngang. Độ cứng vững cơ học của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng nhưng độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng. Cơ cấu kiểu tọa độ cầu: dùng 2 khớp quay và 1 khớp trượt. Không gian làm việc của nó là khối cầu rỗng. Độ chính xác định vị phụ thuộc và tầm với. Cơ cấu kiểu SCARA: đây là kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt, gồm 2 khớp quay và 1 khớp trượt nhưng cả ba khớp đều có trục song song với nhau. Tên gọi SCARA là viết tắt của “Selective Compliant Articulated Robot Arm”: tay máy mềm dẻo tùy ý. Loại tay máy này thường dùng trong công việc lắp ráp. Cơ cấu kiểu tay người: cả 3 khớp đều là khớp quay, trong đó trục quay thứ nhất vuông góc với hai trục quay còn lại. 13 1.5.2. Hệ thống truyền động robot Các khớp có thể thực hiện chuyển động nhờ vào các cơ cấu chấp hành được truyền động bởi các hệ truyền động khác nhau như truyền động điện, thủy lực, khí nén. a. Truyền động thủy lực Cơ cấu chấp hành thủy lực có hai dạng cơ bản đơn giản nhất: cơ cấu xilanh piston sử dụng cho các khớp tịnh tiến và cơ cấu van quay truyền động cho các khớp quay. Hình 1.4. Sơ đồ khối hệ truyền động thủy lực. Trên hình 1.4 là sơ đồ khối hệ truyền động thủy lực điển hình. Cơ cấu xilanh hai chiều được cấp dầu và điều khiển bằng một cơ cấu van secvo. Van secvo được truyền động từ một động cơ secvo. Động cơ secvo được điều khiển bởi hệ thống truyền động điều khiển vị trí với tín hiệu phản hồi là vị trí của piston được đo nhờ cảm biến vị trí. Động cơ chỉ cần sinh một lực nhỏ để di chuyển piston của van secvo, từ đó điều chỉnh được lưu lượng và hướng của đường dầu cung cấp cho xilanh và điều khiển được tốc độ và hướng dịch chuyển của xilanh. Ưu điểm của các chấp hành thủy lực là công suất lớn và cho phép chịu được tải lớn. Tuy nhiên hệ truyền động thủy lực lại có nhiều nhược điểm như: hiện tượng rò rỉ dầu gây ảnh hưởng tới môi trường, có thể gây cháy khi ứng 14 dụng cho hàn hồ quang, cần nhiều cơ cấu phụ trợ, độ ồn lớn, phải kiểm tra chất lượng dầu thường xuyên. b. Truyền động khí nén Nguyên lý làm việc của cơ cấu khí nén tương tự như cơ cấu thủy lực nhưng dầu áp suất cao được thay bằng khí nén. Cơ cấu khí nén cũng chia làm hai loại tuyến tính và quay. Ưu điểm của cơ cấu khí nén: nguồn khí nén sẵn có, giá thành cơ cấu khí nén thấp, không làm ảnh hưởng tới môi trường, chuyển động nhanh. Nhược điểm của cơ cấu khí nén là khó áp dụng luật điều khiển phản hồi. Cơ cấu khí nén chỉ được dùng cho công suất nhỏ và cho các ứng dụng đơn giản như trong các cơ cấu vận chuyển, bàn kẹp. c. Truyền động điện Hệ thống truyền động điện bao gồm bộ biến đổi, nguồn điện và động cơ điện. Các dạng động cơ điện sử dụng trong hệ thống truyền động robot là: động cơ secvo một chiều, động cơ secvo xoay chiều, động cơ secvo một chiều không chổi than và động cơ bước. Hệ thống truyền động điện thường được chia làm hai loại: truyền động trực tiếp và gián tiếp qua bộ truyền động cơ khí. Động cơ điện sẽ cung cấp mômen cần thiết để định vị góc quay chính xác cho các khớp trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua bộ truyền động cơ khí như các hệ thống puli và đai truyền, các hộp giảm tốc và các hệ thống truyền động điều hòa. Ưu điểm của động cơ điện là các hệ thống truyền động trực tiếp cho chuyển động nhanh và chính xác, dễ dàng thực hiện luật điều khiển phản hồi, dễ dàng phối hợp với máy tính trong hệ thống điều khiển. Do đó dây là loại cơ cấu chấp hành phổ biến nhất trong các hệ thống robot. 15 1.5.3. Hệ thống điều khiển robot Bộ điều khiển có thể được thiết kế từ các vi xử lý, các vi điều khiển, bộ điều khiển logic khả trình PLC hoặc máy tính. – Liên quan đến đặc điểm làm việc của robot có thể chia bài toán điều khiển robot thành hai loại: điều khiển thô và điều khiển tinh. + Điều khiển thô còn gọi là điều khiển chuyển động hay điều khiển quỹ đạo, được áp dụng cho robot chuyển động tự do trong không gian làm việc của robot nghĩa là không tương tác với môi trường làm việc. Khi đó cần phải xác định luật điều khiển thích hợp để tốc độ, vị trí do đó chuyển động của các khớp bám sát quỹ đạo thiết kế trong thời gian quá trình quá độ nhỏ nhất. Điều khiển chuyển động có thể thực hiện ở hệ tọa độ khớp hay tọa độ Đề các tùy thuộc quỹ đạo thiết kế cho tọa độ khớp hay tọa độ Đề các. Đồ án này sẽ tập trung nghiên cứu các phương pháp và các luật điều khiển chuyển động. + Điều khiển tinh còn gọi là điều khiển lực, được áp dụng cho robot có tương tác với môi trường làm việc. Khi đó yêu cầu điều khiển cả lực và chuyển động. Hai phương pháp điều khiển lực là: điều khiển trở kháng (điều khiển độ nhún) và điều khiển hỗn hợp. 1.5.4. Hệ thống cảm biến – Các cảm biến trong robot có thể chia làm hai loại: + Cảm biến ngoại tuyến tăng khả năng nhận thức cho robot về môi trường xung quanh. + Cảm biến nội tuyến cung cấp các thông tin về đặc tính của bản thân robot. a. Cảm biến nội tuyến Gắn trực tiếp trên trục khớp hoặc động cơ, thường là các encodor, chiết áp đo vị trí, các cảm biến lực, thiết bị đo lực. b. Cảm biến ngoại tuyến 16 Cung cấp các thông tin về đối tượng hoặc môi trường tương tác. Các cảm biến ngoại tuyến có chức năng như các giác quan chính của con người. + Cảm biến hình ảnh (Camera) Camera có cấu tạo bao gồm thấu kính, tế bào quang học, màng chắn. Các tín hiệu về ánh sáng sẽ được chuyển thành tín hiệu điện + Cảm biến thính giác (Micro phone) Chuyển các âm thanh trong không gian thành tín hiệu điện. Ngoài ra còn có cảm biến về mùi vị, cảm biến nhiệt độ cao bằng tia hồng ngoại, cảm biến khoảng cách bằng phát siêu âm. 1.6. ỨNG DỤNG CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP Robot được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau bởi những lợi ích kinh tế mà nó mang lại là rất lớn. Nhìn chung robot có thể nâng các vật nặng, làm việc với các nguyên liệu không an toàn, các hoạt động nguy hiểm hoặc môi trường không thích hợp vơi con người hoặc những công việc nhàm chán lặp đi lặp lại. Có thể phân loại ứng dụng công nghiệp của robot gồm các lĩnh vực chính: vận chuyển, bốc dỡ vật liệu, gia công, lắp ráp thăm dò và các ứng dụng khác. a. Ứng dụng robot công nghiệp trong vận chuyển, bốc dỡ vật liệu Ứng dụng vào vận chuyển, robot có nhiệm vụ di chuyển đối tượng từ vị trí này đến vị trí khác. Nhiệm vụ này của robot thực hiện bởi các thao tác nhặt và đặt vật thể. Robot nhặt chi tiết ở một vị trí và chuyển dời đến một vị trí khác. Robot có thể gắp một chi tiết ở một vị trí cố định hoặc trên một băng tải đang chuyển động và đặt trên một băng tải khác đang chuyển động với định hướng chi tiết. 17 b. Ứng dụng robot trong lĩnh vực gia công vật liệu Trong công nghiệp gia công vật liệu, robot thực hiện nhiệm vụ như một máy gia công. Do đó tay robot sẽ gắn một dụng cụ thay cho một cơ cấu kẹp. Ứng dụng của robot trong công nghiệp gia công vật liệu bao gồm các công nghệ sau: hàn điểm, hàn hồ quang liên tục, sơn phủ, công nghệ gia công kim loại. c. Ứng dụng robot trong lắp ráp và kiểm ta sản phẩm – Công nghệ lắp ráp là lắp một chi tiết vào một bộ phận khác. Robot được sử dụng trong dây chuyền lắp ráp thông thường ở bốn dạng sau: lắp chi tiết vào lỗ, lắp lỗ vào chi tiết, lắp chi tiết nhiều chân vào lỗ và lắp ngăn xếp. – Trong công nghiệp lắp ráp, robot có thể hoạt động riêng lẻ để lắp hoàn thiện một thiết bị hoặc làm việc trong một dây chuyền, trong đó mỗi robot sẽ có nhiệm vụ lắp một chi tiết trong một thiết bị máy. – Robot cũng được sử dụng trong công đoạn thử nghiệm và kiểm tra. Một trong những ứng dụng của robot trong lĩnh vực đo và kiểm tra sản phẩm là các máy đo tọa độ (Coordiante Measureent Machine - CMM). Máy đo tọa độ được sử dụng rộng rãi để kiểm tra kích thước, vị trí và hình dạng của các chi tiết máy hoặc các bộ phận cơ khí. 18 CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT TRONG CÔNG NGHIỆP 2.1. KHÁI QUÁT Bài toán đặt ra với điều khiển chuyển động là đảm bảo tay Robot chuyển động bám theo quỹ đạo đặt trước trong môi trường làm việc. Chuyển động của tay robot thực hiện nhờ các hệ thống truyền động khớp robot. Trên cơ sở đó, có hai dạng hệ thống điều khiển chuyển động: hệ thống điều khiển ở không gian khớp và hệ thống điều khiển ở không gian làm việc. 2.2. PHÂN LOẠI Ta có thể phân loại các hệ thống điều khiển chuyển động như sau: 2.2.1. Phân loại theo không gian điều khiển, ta có hệ thống điều khiển không gian khớp và hệ thống điều khiển không gian làm việc. * Với hệ thống điều khiển không gian khớp, đại lượng được điều khiển là vị trí của khớp robot (góc quay đối với khớp quay, độ dịch chuyển thẳng đối với khớp tịnh tiến). Bộ điều khiển được thiết kế đảm bảo vị trí khớp luôn bám theo vị trí đặt, tức là sai lệch vị trí khớp hội tụ về không với thời gian nhỏ nhất. Vị trí đặt của khớp được tính toán từ lượng đặt vị trí của tay robot trong không gian làm việc thông qua khâu tính toán động học ngược. Xd Xd Động học ngược qd Bộ điều khiển BBĐ Cảm biến Động cơ Cơ cấu robot X q 19 Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ở không gian khớp Trong sơ đồ trên thì Xd, X tương ứng là vectơ vị trí đặt và vectơ vị trí thực của tay robot; qd, q tương ứng là vectơ vị trí đặt và vectơ vị trí thực của khớp robot. ** Với hệ thống điều khiển trong không gian làm việc có chức năng duy trì trực tiếp sai lệch vị trí của tay robot trong không gian làm việc bằng không. Lượng đặt của hệ thống điều khiển là vị trí đặt của tay trong không gian làm việc và lượng phản hồi vị trí thực của tay. Khâu tính toán động lực học ngược sẽ phụ thuộc mạch vòng điều khiển phản hồi. Xd Bộ điều khiển BBĐ Động cơ Cơ cấu robot X Cảm biến Hình 2.4. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ở không gian làm việc 2.2.2. Phân loại theo mức độ ràng buộc của robot, ta có hệ thống điều khiển phân tán và hệ thống điều khiển tập trung. Đối với các robot có tỉ số truyền của bộ truyền lớn, có thể coi hệ thống robot n bậc tự do sẽ gồm n hệ thống độc lập 1 đầu vào/ 1 đầu ra (SISO) và sự ràng buộc giữa các khớp được coi là thành phần nhiễu, có thể bỏ qua. Bởi vậy bộ điều khiển của các khớp được thiết kế độc lập với nhau. Đó chính là hệ thống điều khiển phân tán. Hệ thống điều khiển tập trung được xây dựng cho các robot có tỉ số truyền của bộ truyền nhỏ, khi đó robot là 1 hệ thống có tính ràng buộc và phi tuyến cao gồm nhiều đầu vào và nhiều đầu ra (MIMO). 20 Tải về bản full