Ứng dụng Sensor gia tốc Mems trong việc đo góc nghiêng và đo độ rung

Sơ đồ khối của một hệ lò xo-gia trọng Các dipole điện trong vật liệu áp điện Đáp ứng tần số của sensor gia tốc kiểu áp điện Sơ đồ của sensor kiểu áp trở Mô hình một tụ điện đơn bên trái

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Hà Nội - 2005

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Vũ Việt Hùng

ỨNG DỤNG SENSOR GIA TỐC MEMS

TRONG VIỆC ĐO GÓC NGHIÊNG VÀ ĐO ĐỘ RUNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật vụ tuyến điện tử và thụng tin liên lạc

Mã số: 2.07.00

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Cán bộ hướng dẫn: GS.TSKH Nguyễn Phú Thùy

Hà nội - 2005

MỤC LỤC

Lời cám ơn

Các chữ viết tắt

Danh sách bảng biểu

Danh sách hình vẽ

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan về các hệ vi cơ điện tử (MEMS)

1.1 Giới thiệu về MEMS

1.2 Công nghệ chế tạo MEMS

1.2.1 Công nghệ vi cơ khối

1.2.2 Công nghệ vi cơ bề mặt

1.2.3 Công nghệ LIGA

1.3 Sensor gia tốc MEMS

1.3.1 Sensor

1.3.2 Sensor gia tốc

1.3.3 Một số loại sensor gia tốc

1.3.4 Ba loại sensor gia tốc trên thị trường

1.3.5 So sánh một số thông số của sensor gia tốc sử dụng công nghệ vi cơ với sensor gia tốc dựa trên vật liệu áp điện

1.4 Tóm tắt

Chương 2 Tay máy robot

2.1 Giới thiệu

2.2 Phân loại robot

2.3 Các thành phần cơ bản của tay máy robot

2.3.1 Bộ thao tác (Manipulator) 2.3.2 Bộ chấp hành cuối cùng (end - effector) 2.3.3 Nguồn nuôi

2.3.4 Bộ điều khiển 2.4 Động học tay máy

2.4.1 Cấu trúc tay máy 2.4.2 Động học tay máy thuận 2.4.3 Động học tay máy ngược 2.5 Sensor trong robot

2.5.1 Vai trò của sensor trong điều khiển robot 2.5.2 Các loại sensor trong robot

iv v vi vii ix

1 1 3 4 4 5 6 6 6 7 12

17 19

20 20 20 21 21 22 23 23 25 25 25 28 30 30 31

i

2.5.2.2 Cơ quan ngoại cảm 2.6 Tóm tắt

Chương 3 Lý thuyết rung động

3.1 Giới thiệu

3.2 Nguồn rung

3.2.1 Chuyển động quay 3.2.2 Chuyển động tịnh tiến, chuyển động qua lại kiểu pittong 3.3 Các lĩnh vực ứng dụng phân tích rung

3.4 Lý thuyết rung động

3.4.1 Chuyển động điều hòa 3.4.2 Chuyển động không điều hòa 3.4.3 Các tham số đo được

3.5 Thu thập dữ liệu

3.5.1 Các thiết bị đo 3.5.2 Phân loại phép đo 3.6 Các loại tín hiệu và định dạng dữ liệu rung

3.6.1 Phân loại tín hiệu 3.6.2 Biểu diễn trên miền thời gian 3.6.3 Biểu diễn trên miền tần số 3.7 Phân tích dữ liệu rung

3.7.1 Tích phân Fourier FIT 3.7.2 Khai triển Fourier FSE 3.7.3 Phép biến đổi Fourier rời rạc DFT 3.8 Tóm tắt

Chương 4 Thực nghiệm khảo sát sensor gia tốc ADXL202

Chương 5 Đo góc nghiêng và đo độ rung

5.1 Sử dụng sensor gia tốc ADXL202E để đo góc nghiêng

5.1.1 Giới thiệu 5.1.2 Mô tả hệ thống 5.1.3 Kết quả thực nghiệm

3133

34343435353639394142434344454547484950505152

535353565860616469

7070707174ii

5.2.1 Giới thiệu 5.2.2 Mô tả mạch điện 5.2.3 Kết quả thu được 5.3 Kết luận

Kết luận

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

76777984868789

iii

Lời cám ơn

Đầu tiên tôi xin gửi lời cám ơn chân thành nhất tới GS Nguyễn Phú Thùy, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ cho tôi rất nhiều GS Nguyễn Phú Thùy đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong thời gian học tập và công tác tại Khoa Công nghệ (giờ là Khoa Điện tử Viễn thông và Bộ môn Vi cơ điện tử và vi hệ thống)

Tôi cũng xin gửi lời cám ơn tới TS Trần Quang Vinh và các cán

bộ phòng thí nghiệm Robotic đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn Tôi cũng xin gửi lời cám ơn của mình tới các thầy giáo trong Khoa, các cán bộ thuộc Bộ môn Vi cơ điện tử và vi hệ thống đã giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn

Vũ Việt Hùng

iv

Các chữ viết tắt

ACL ADC DFT FFT FIT FSE ICs iMEMS ITIMS LIGA MEMS SEM

Advanced Control Language Analog to Digital Conversion Discrete Fourier transform Fast Fourier transform Fourier integral transform Fourier series expansion Integrated Circuits integrated Microelectromechanical systems International Training Institute for Materials Science Lithography, Galvanoforming, moulding processes Microelectromechanical systems

Scanning Electron Microscope

v

Danh sách bảng biểu

Bảng 1.1 So sánh các loại sensor gia tốc của các hãng Endevco, PCB Piezotronics

và Analog Devices

Bảng 4.1 Mô tả chân của vi điều khiển BS2SX

Bảng 4.2 Một số thông số đặc trưng của sensor ADXL202

Bảng 4.3 Giá trị điện dung Cx và Cy tương ứng với các độ rộng dải thông khác nhau

Bảng 4.4 Giá trị của điện trở RSET

175559

6364

vi

Sơ đồ khối của một hệ lò xo-gia trọng Các dipole điện trong vật liệu áp điện Đáp ứng tần số của sensor gia tốc kiểu áp điện

Sơ đồ của sensor kiểu áp trở

Mô hình một tụ điện đơn (bên trái) và hai tụ nối tiếp nhau (bên phải) Cấu trúc và một số kích thước hình học của tụ vi phân

Sơ đồ của sensor PCB Piezotronics 352C67

Sơ đồ của sensor Endevco 7265A-HS Hình chiếu của sensor ADXL50 (bên trên) và ADXL150 (bên dưới) Ảnh SEM của một phần sensor ADXL150

Biểu đồ phát triển của sensor MEMS của hãng Analog Devices Đáp ứng biên độ và tần số

Độ nhạy và nhiệt độ

So sánh nhiễu nền của hai loại sensor Các thành phần cơ bản của robot công nghiệp Các phần của bộ thao tác: thân, cánh tay và cổ tay

Ba bậc tự do trương ứng với chuyển động của cổ tay robot:

chuyển động lên xuống, chuyển động trái phải và chuyển động quay

Cơ cấu tay máy với các khớp Một cơ cấu chấp hành ba bậc tự do

Sử dụng lượng giác để rút ra phương trình động học

Mô tả cơ cấu chấp hành trong bài toán động học ngược Những thành phần có thể gây ra rung động trong máy Biểu diễn một chuyển động tuần hoàn với chu kỳ T

Mô tả một chuyển động điều hoàChuyển động không điều hoàPhân loại tín hiệu

Tín hiệu được biểu diễn trong miền thời gian

1234578910111113131415161818192122

2225262729353940414647

vii

Sơ đồ ghép nối Basic Stamp với cổng nối tiếp của máy vi tính

Sơ đồ khối của bộ vi điều khiển AT90S8535 Cấu trúc dầm của ADXL202

Cấu trúc dầm ở một góc của sensor gia tốc ADXL202

Sơ đồ cấu trúc mạch điện của sensor ADXL202

Bộ giải điều chế đồng bộ sử dụng trong mạch điện ADXL202

Biên độ của nhiễu nền của sensor ADXL202AQC

Mật độ phổ công suất nhiễu của sensor ADXL202AQC Các hướng đặt sensor

Hệ đo đặc trưng góc của sensor ADXL202

Sơ đồ kết nối

Sử dụng bộ đếm xung để đo T1 Mối liên hệ giữa xung lối ra trên kênh X và góc nghiêng Mối liên hệ giữa xung lối ra trên kênh Y và góc nghiêng

Hệ thống điều khiển tay máy từ xa

Sơ đồ khối của hệ điều khiển tay máy từ xa

Vị trí của sensor gắn trên tay người ánh xạ lên các khớp của tay máy

Sơ đồ nguyên lý kết nối vi điều khiển BS2SX với sensor ADXL202E

Môi trường ảo trên màn hình máy tính Hành động của người điều khiển và tay máy

Sơ đồ ghép nối sensor ADXL202AQC với máy tính

Sơ đồ nguyên lý của mạch điện Gắn sensor lên màng loa để đo rung

Dữ liệu thu được ở lối ra của sensor gia tốc Phổ tần số của tín hiệu lối ra sensor khi rung động với tần số 128Hz

Độ dịch chuyển, vận tốc, gia tốc theo thời gian Mạch tích phân đơn giản

Tích phân theo hình thang Vận tốc, độ dịch chuyển của rung động dạng sin với tần số 128 Hz Giao diện phần mềm Matlab trên máy tính

495154555657606162636565666667676868717273

74757677788080818282838384

viii

Mở đầu

Công nghệ vi cơ điện tử MEMS mới xuất hiện trong thời gian gần đây nhưng đã có những đóng góp quan trọng trong qua trình phát triển khoa học kỹ thuật và công nghệ do những ưu điểm nổi bật của nó Công nghệ này cho phép tạo ra những sản phẩm có kích thước rất nhỏ nhưng đạt

Bộ môn Vi cơ điện tử và vi hệ thống thuộc Trường đại học Công nghệ đã tập trung nghiên cứu các ứng dụng của sản phẩm MEMS Nằm trong chương trình nghiên cứu đó, luận văn này được thực hiện với mục đích tìm hiểu về sensor gia tốc kiểu tụ và các ứng dụng của loại sensor này

Luận văn bao gồm năm chương Chương 1 giới thiệu sơ qua về công nghệ MEMS và sensor gia tốc MEMS, một số ưu điểm của sensor gia tốc MEMS so với các loại sensor khác Chương 2 trình bày một số đặc điểm của robot công nghiệp, đặc biệt là tìm hiểu vai trò của một số loại sensor trong robot Chương 3 tìm hiểu những vấn đề cơ bản về lý thuyết rung động, phân tích mối quan hệ giữa các thông số của rung động (biên

độ, tần số, vận tốc, gia tốc) và các phương pháp phân tích đo đạc các thông số đó Chương 4 trình bày các kết quả khảo sát sensor ADXL202 Chương 5 trình bày một số kết quả thực nghiệm thu được khi sử dụng sensor gia tốc MEMS ADXL202 để đo góc nghiêng (gia tốc tĩnh) và đo rung động (gia tốc động) dựa trên các mạch điện tử được thiết kế để thu thập dữ liệu và phần mềm trên máy tính để xử lý số liệu

ix

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ

(MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM=MEMS)

1.1 Giới thiệu về MEMS

Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX, cuộc cách mạng về công nghệ micro

đã diễn ra và hứa hẹn một tương lai tươi sáng cho tất cả các ngành công nghiệp Hệ thống vi cơ điện tử (MicroElectroMechanical System) viết tắt là MEMS cũng đã được

ra đời và phát triển trong giai đoạn này

Tuy mới được phát triển trong một thời gian ngắn nhưng các sản phẩm MEMS

đã mang lại cho xã hội những lợi ích to lớn, qua đó đã khẳng định được tầm quan trọng của mình MEMS đã và đang tạo ra những thay đổi mang tính cách mạng trong truyền thông, đời sống, khoa học và trong lĩnh vực thiết bị, linh kiện nhờ rất nhiều đặc điểm nổi bật của mình Hình 1.1 giới thiệu một số sản phẩm MEMS

Hình 1.1 Ảnh SEM của một số sản phẩm MEMS

Vũ Việt Hùng

1

Các thiết bị MEMS giao tiếp với cả tín hiệu điện và không điện, đồng thời tương tác với thế giới vật lý cũng giống như với thế giới điện bằng cách kết hợp xử lý tín hiệu với các bộ cảm biến MEMS không chỉ bao gồm các thành phần điện mà còn

có các phần tử cơ học, mà một số có thể chuyển động được như: sensor áp suất, sensor gia tốc, con quay vi cơ… Các thiết bị MEMS được thiết kế dựa trên các kỹ thuật VLSI

và hệ CAD cơ khí Cũng giống như các IC trước đây, MEMS cũng hướng tới kích thước nhỏ hơn, tốc độ cao hơn, nhiều chức năng hơn, linh hoạt hơn và rẻ tiền hơn [3] Hình 1.2 trình bày kích thước điển hình của linh kiện MEMS khi so sánh với các đối tượng khác

Hình 1.2 Kích thước của linh kiện MEMS

Những thành phần điện được cấu tạo bằng cách sử dụng công nghệ của mạch tích hợp (IC) [4] Những thành phần cơ học lại được cấu tạo từ công nghệ vi cơ (micromachining) trên đế silíc hoặc thêm vào những lớp cấu trúc mới để hình thành nên những thiết bị cơ và cơ điện tử Điểm đặc biệt và cơ bản của công nghệ MEMS đó

là tận dụng được đặc tính cơ học của vật liệu silíc để tạo ra những cấu trúc cơ học chuyển động kết hợp với các yếu tố vi điện tử- điều này đã tạo ra những thế hệ sản phẩm công nghệ mới [5]

Công nghệ vi cơ ra đời từ những năm 1960 với các linh kiện ban đầu được ứng dụng làm các đầu đo áp suất và biến dạng thay thế cho các đầu đo cơ truyền thống Cùng với sự phát triển của công nghệ thì công nghệ MEMS không chỉ còn bó hẹp trong các loại cảm biến cơ mà còn được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực cảm biến khác: cảm biến nhiệt, cảm biến từ, cảm biến quang, cảm biến hóa, cảm biến sinh

Vũ Việt Hùng

2

học Ngoài ra, các linh kiện MEMS còn được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống

chấp hành, các hệ thống điều khiển tự động v.v [6]

Cấu trúc cơ bản của MEMS bao gồm vi cấu trúc, vi mạch điện tử, vi cảm biến

và vi chấp hành được tích hợp trên cùng một chip như trình bày trên hình 1.3

Hình 1.3 Các thành phần của thiết bị MEMS

Các thiết bị MEMS này cho phép cảm nhận sự thay đổi tín hiệu ở phạm vi kích

thước µm và thông qua hệ vi điện tử và hệ vi chấp hành sẽ tác động lại môi trường

xung quanh

1.2 Công nghệ chế tạo MEMS

Các thiết bị MEMS này được chế tạo bằng vật liệu silíc và do đó nó có những

ưu điểm về tính chất điện và tính chất cơ so với các loại vật liệu khác

¾ Vật liệu silíc là vật liệu đã được sử dụng phổ biến trong công nghệ vi điện tử,

giá thành của loại vật liệu này rẻ hơn các loại vật liệu khác do việc chế tạo các

phiến silíc được thực hiện trong quy mô công nghiệp

¾ Vật liệu silíc cho phép tích hợp các các phần điện tử và vi cấu trúc trên cùng

một chip và làm tăng khả năng giảm kích thước của các linh kiện

¾ Vật liệu silíc có những tính chất cơ rất tốt:

o Độ bền kéo của silíc là 6.109 N/m2 trong khi độ bền kéo của thép là

MEMS được chế tạo bằng công nghệ vi cơ mà nó có thể được phân loại thành hai công nghệ chính: công nghệ vi cơ khối và công nghệ vi cơ bề mặt

1.2.1 Công nghệ vi cơ khối

Công nghệ vi cơ khối là công nghệ tạo vi cấu trúc bằng cách gia công cả khối vật liệu (ở đây là một tấm silíc) Phương pháp để tạo vi cấu trúc dùng trong công nghệ

vi cơ khối là phương pháp ăn mòn ướt (ăn mòn đẳng hướng, ăn mòn dị hướng) hoặc phương pháp ăn mòn khô (ăn mòn nhờ phản ứng ion, ăn mòn bằng plasma) Sơ đồ của quy trình công nghệ vi cơ khối được trình bày trên hình 1.4

Hình 1.4 Quy trình của công nghệ vi cơ khối

1.2.2 Công nghệ vi cơ bề mặt

Công nghệ vi cơ bề mặt liên quan đến quá trình tạo nên các lớp vật liệu mỏng với cấu trúc khác nhau trên vật liệu đế Có hai loại lớp vật liệu khác nhau được sử dụng để phủ lên bề mặt đế là lớp vật liệu "hi sinh" (sacrificial material) và lớp vật liệu tạo cấu trúc Lớp vật liệu hi sinh là lớp vật liệu được phủ lên bề mặt lớp đế theo hình dạng của cấu trúc cần chế tạo và nó sẽ bị loại bỏ trong qúa trình tạo cấu trúc Thông thường thì lớp này là vật liệu oxit silíc Lớp vật liệu tạo cấu trúc sẽ được phủ lên trên lớp vật liệu "hi sinh" và chúng không phản ứng với các chất ăn mòn sử dụng để tạo cấu trúc, vật liệu của lớp này là các đa tinh thể silic, silicon nitride Sau quá trình ăn

Vũ Việt Hùng

4

mòn sẽ hình thành vi cấu trúc trên bề mặt đế ban đầu Hình 1.5 trình bày quá trình chế tạo linh kiện theo công nghệ vi cơ bề mặt

Hình 1.5 Quá trình chế tạo sử dụng kỹ thuật vi cơ bề mặt

A: Đế silíc ban đầu B: Phủ lớp silíc nitride bảo vệ đế C: Phủ tiếp một lớp oxide trên bề mặt silicon nitride D: Tạo mẫu oxide bằng mặt nạ và ánh sáng cực tím E: Phủ một lớp polysilicon lên trên bề mặt oxide F: Loại bỏ lớp oxide

1.2.3 Công nghệ LIGA

LIGA (Lithographie Galvanoformung Abformung) được hiểu là quy trình công nghệ vi đúc (Micromolding) [3] Thuật ngữ tiếng Đức này có nghĩa là quang khắc (lithography), mạ điện, và đúc Công nghệ này sử dụng các khuôn "đúc" hay "dập" vật liệu với độ chính xác cao làm công cụ trong việc chế tạo các vi cấu trúc Quy trình này

Vũ Việt Hùng

5

có thể được sử dụng cho việc sản xuất các vi cấu trúc ba chiều, có tỷ số cạnh cao (high-aspect-ratio) với nhiều loại vật liệu khác nhau như kim loại, polymers, gốm và thuỷ tinh Hạn chế chủ yếu của công nghệ LIGA là cần phải có một nguồn chuẩn trực sóng ngắn tia X giống như một máy synchrotron

Sử dụng các quy trình vi đúc có thể chế tạo các vi cấu trúc kim loại tỷ số cạnh cao có nhiều ứng dụng như là các bề mặt phản xạ cho các thành phần quang học, các vật liệu từ cho các sensor/cơ cấu chấp hành điện từ Ngoài ra, độ dày của các cấu trúc

có tỷ số cạnh cao càng lớn sẽ tạo ra độ cứng trục giao với đế càng lớn, cũng như làm tăng mômen xoắn trong các cơ cấu chấp hành tĩnh điện Các cấu trúc mạ kẽm (Ni), mạ đồng (Cu) hoặc cấu trúc hợp kim chứa ít nhất một trong các kim loại này là những cấu trúc kim loại được dùng phổ biến Crôm, SiO2, polyimide, photoresist và Titan thường được dùng làm vật liệu hy sinh (sacrificial material)

1.3 Sensor gia tốc MEMS

1.3.1 Sensor

Sensor (cảm biến) cho phép chúng ta phát hiện, phân tích và ghi lại các hiện tượng vật lý mà rất khó đo lường bằng cách khác Sensor biến đổi các đại lượng vật lý như khoảng cách, vận tốc, gia tốc, lực, áp suất … thành các tín hiệu điện Các giá trị của các tham số vật lý ban đầu có thể được tính toán thông qua các đặc trưng thích hợp của tín hiệu điện như: biên độ, tần số, độ rộng xung …[7]

Kích thước sensor cũng là một yếu tố rất quan trọng Trong hầu hết các trường hợp, sensor có kích thước nhỏ được sử dụng nhiều hơn vì mật độ tích hợp sensor cao

và giá thành sensor rẻ hơn Một cuộc cách mạng trong công nghệ sản xuất sensor là việc ứng dụng công nghệ chế tạo vi điện tử Các sensor được chế tạo theo cách này được gọi là các hệ thống vi cơ điện tử (microelectromechanical systems - MEMS) [8]

Sensor MEMS được chế tạo đầu tiên là sensor áp suất sử dụng phần tử nhạy điện kiểu áp trở (piezoresistive) Hiện nay, các sensor MEMS bao gồm nhiều loại khác nhau: sensor gia tốc, con quay vi cơ, sensor đo nồng độ hóa học…

1.3.2 Sensor gia tốc

Sensor gia tốc cho phép biến đổi gia tốc thành một tín hiệu điện ở lối ra Áp

dụng định luật II Newton, F = ma, đo lực tác động lên một vật mà ta đã biết trước khối

Vũ Việt Hùng

6

lượng, từ đó ta tính ra được gia tốc tác động lên vật Có rất nhiều cách để đo lực tác động lên khối gia trọng, nhưng cách phổ biến nhất được dùng trong sensor gia tốc là

đo khoảng cách dịch chuyển của khối gia trọng tương tự như khi khối gia trọng đó được treo bằng một lò xo Một hệ thống lò xo-gia trọng được vẽ trong hình 1.6

Hình 1.6 Sơ đồ khối của một hệ lò xo-gia trọng

Hệ thống có thể được mô tả bởi phương trình vi phân sau:

trong đó: m là khối lượng của khối gia trọng, B là hệ số suy hao, K độ cứng của lò xo

Khi sensor gia tốc hoạt động ở xa tần số cộng hưởng của hệ lò xo-gia trọng thì ảnh hưởng của hệ số suy hao B có thể bỏ qua Với những khoảng cách dịch chuyển đủ nhỏ thì hệ số K có thể coi như là hằng số Ở trạng thái cân bằng, khi khối gia trọng không chuyển động, lực đàn hồi của lò xo cân bằng với lực tác động lên khối gia

trọng Độ dịch chuyển của khối gia trọng, x, là một tham số có thể chuyển đổi thành

tín hiệu điện bằng nhiều cách Có hai cách phổ biến nhất được dùng, đó là đo sự thay đổi điện trở của vật liệu áp trở (piezoresistive material) và đo sự thay đổi điện dung của tụ điện khi phần tử điện chuyển động Ngoài ra còn một cách thứ ba nữa cũng được dùng để chế tạo sensor, đó là đo sự thay đổi điện tích trên bề mặt của vật liệu áp

điện (piezoelectric material) khi có lực tác động vào bề mặt của vật liệu [6, 7, 8]

1.3.3 Một số loại sensor gia tốc

a) Sensor gia tốc kiểu áp điện (Piezoelectric accelerometer sensor)

Vật liệu áp điện tạo ra một điện tích tức thời trên bề mặt tỉ lệ với biên độ của lực tác động Điện tích này xuất hiện do sự phân cực của các dipole điện bên trong, như hình 1.7, và sau đó bị trung hòa rất nhanh do các điện tích tự do trong môi trường

Vũ Việt Hùng

7

Một lực tác động vào tinh thể có thể là nguyên nhân gây ra sự biến dạng của cấu trúc dipole, làm cho điện tích bề mặt thay đổi tạm thời cho đến khi nó bị trung hòa lại Như vậy điện tích trên vật liệu áp điện là một hàm số của biên độ của sự biến dạng và phụ thuộc vào việc sự biến dạng đó xuất hiện nhanh như thế nào [3, 7, 10]

Hình 1.7 Các dipole điện trong vật liệu áp điện

Vật liệu áp điện có điện trở nội rất cao, vì thế hai mặt của vật liệu trông giống như các bản cực của tụ điện Điện áp đi qua các bản cực là hàm của điện tích và điện dung:

force

Q V C

=

Một loại vật liệu áp điện tự nhiên là tinh thể thạch anh nhưng có độ nhạy thấp,

vì thế người ta đã tìm ra hỗn hợp gốm sắt điện nhân tạo có độ nhạy tốt hơn và do đó được dùng nhiều hơn trong loại sensor gia tốc kiểu áp điện Nói chung, sử dụng vật liệu áp điện là một cách có hiệu quả dùng để đo gia tốc, nhưng chúng có nhược điểm

là không ổn định khi đo gia tốc một chiều và có mối quan hệ phức tạp giữa điện áp lối

ra và biên độ gia tốc và tần số Sensor áp điện là loại sensor điển hình dùng để đo gia tốc có biên độ và tần số cao như các cú va chạm mạnh, shock Hình 1.8 trình bày đáp ứng tần số của sensor gia tốc kiểu áp điện [10] Từ hình vẽ này ta thấy dải đo của sensor gia tốc kiểu áp điện có thể lên tới gần 50 KHz

Vũ Việt Hùng

8

Hình 1.8 Đáp ứng tần số của sensor gia tốc kiểu áp điện

b) Sensor gia tốc kiểu áp trở (Piezoresistive accelerometer sensor)

Vật liệu áp trở là một điện trở trạng thái rắn, điện trở của nó thay đổi khi có một sức căng cơ học tác động vào Đặc biệt, độ dẫn của vật liệu áp trở tỉ lệ tuyến tính với lực tác dụng, hay điện trở tỉ lệ nghịch với lực tác dụng Sơ đồ của hai loại áp trở được trình bày trong hình 1.9 Ở hình a) áp trở được hình thành bằng cách sắp xếp các dây dẫn nằm trên lớp điện trở mỏng, điện trở giữa các dây dẫn sẽ thay đổi khi lớp điện trở mỏng bị biến dạng Một áp trở như vậy có thể được chế tạo trên bề mặt của một phần

tử đàn hồi, để đo sự biến dạng của phần tử đàn hồi cũng như sự chuyển động của khối gia trọng

cho loại trừ sự căng hoặc sự nén cơ học, và khi đó điện trở của vật liệu áp trở là một hàm của độ rộng khe hở của cầu áp trở

b)

Hình 1.9 Sơ đồ của sensor kiểu áp trở

Nói chung, chúng ta đều có thể sử dụng cả hai cách sắp xếp trên để chế tạo sensor gia tốc Để tăng độ nhạy và giảm dao động do nhiệt độ gây ra người ta dùng nhiều áp trở với cùng một hệ lò xo-khối gia trọng sắp xếp trong cùng một mạch cầu [7, 10]

c) Sensor gia tốc kiểu tụ (Differential-capacitance accelerometer sensor)

Như ở phần trước đã trình bày, khi bỏ qua hệ số suy hao D, ta thu được một phương trình đơn giản:

Vũ Việt Hùng

10

Hình 1.10 Mô hình một tụ điện đơn (bên trái) và hai tụ nối tiếp nhau (bên phải)

Điện dung của tụ điện được cho bởi công thức

0

x

k

C= , trong đó k là hệ số đặc trưng cho tính chất của chất giữa hai bản cực (điện môi) Gia tốc cần đo làm dịch chuyển bản cực ở giữa làm thay đổi điện dung của tu điện Và để tăng độ chính xác và

độ nhạy người ta thường đo điện dung vi phân (hình 1.11), tức là theo dõi sự khác nhau về điện dung của hai tụ điện khi bản cực ở giữa bị dịch chuyển [9, 11, 13]

Hình 1.11 Cấu trúc và một số kích thước hình học của tụ vi phân

Nếu bản cực ở giữa dịch chuyển một khoảng cách x, thì:

x x

k

CA

+

=0

hoặc có thể viết như sau:

x x

x C

CA

+

=0

0

và

x x

x C

CB

−

=0 0

Vũ Việt Hùng

11

0 0

0

1 1

Với những giá trị nhỏ của x, biểu thức trên trở thành

0

2

x

x C

C ≈

∆

tức là, sự khác nhau về điện dung tỉ lệ với độ dịch chuyển x

Phần lớn các sensor gia tốc dựa trên nguyên tắc làm việc của sensor kiểu tụ Sensor gia tốc kiểu tụ đơn có thể xây dựng với trục nhạy vuông góc với mặt phẳng của silíc và bản cực của tụ điện, cho phép hình thành một vùng tụ điện rất lớn và do đó có

độ nhạy rất cao Một kiểu sensor phổ biến hơn là dùng một cặp tụ điện vi phân được chế tạo với trục nhạy nằm trên mặt phẳng của thiết bị Một ưu điểm khác của sensor gia tốc kiểu tụ vi phân là có thể dùng một hệ lực phản hồi tĩnh điện để tránh tính phi tuyến trong tụ điện bằng cách luôn giữ cho vị trí của khối gia trọng chuyển động gần với vị trí cố định

1.3.4 Ba loại sensor gia tốc trên thị trường

a) Sensor gia tốc kiểu áp điện PCB Piezotronics 352C67

Sensor gia tốc kiểu áp điện PCB Piezotronics 352C67 không phải là sensor dạng MEMS, tuy nhiên, việc tìm hiểu về cấu trúc của chúng cũng là rất cần thiết Toàn

bộ sensor được đặt trong một vỏ bằng titan và được bịt kín Hầu hết các sensor gia tốc kiểu áp trở không có đủ độ nhạy để đo chính xác các chuyển động nhỏ vì vật liệu áp điện trong sensor là vô cùng nhỏ Phần tử áp điện trong sensor PCB Piezotronics 352C67 được dùng chủ yếu trong chế độ đo sự biến dạng trượt (shear mode), nó làm giảm nhiễu nền và độ nhạy với nhiệt xuất hiện từ cột trụ trung tâm (center post) Sơ đồ của sensor được trình bày trong hình 1.12 [7]

Sensor bao gồm một bộ khuếch đại bên trong vỏ để khuếch đại điện áp áp trở

và tạo ra một lối ra trở kháng thấp Nhờ có tín hiệu lối ra của bộ khuếch đại này mà độ nhạy của sensor cỡ khoảng 100mV/g Cũng như tất cả các loại sensor kiểu áp điện khác, sensor gia tốc áp điện không đáp ứng với thế DC và tần số gia tốc thấp nhất có thể đo được là khoảng 0,5 Hz

Vũ Việt Hùng

12

Hình 1.12 Sơ đồ của sensor PCB Piezotronics 352C67

b) Sensor gia tốc kiểu áp trở Endevco 7265A-HS

Sensor gia tốc kiểu áp trở Endevco 7265A-HS được xây dựng trên một chip đơn và sau đó được đóng gói trong một vỏ nhôm Sensor gia tốc áp trở Endevco 7265A-HS sử dụng một hệ thống lò xo-gia trọng MEMS, mà khối gia trọng được gắn dọc theo biên một khớp nối silíc (silicon hinge) Sơ đồ của sensor được cho trên hình 1.13 Trục nhạy với gia tốc nằm trong mặt phẳng của linh kiện Khớp nối hoạt động như một lò xo quay sinh ra một lực tỉ lệ với góc giữa vị trí hiện tại của khối gia trọng

và vị trí cân bằng, lực này chống lại lực gia tốc Các sensor áp trở được gắn ở vị trí gần cuối của khối gia trọng và sắp xếp từng cặp trên khớp quay Khi khối gia trọng quay thì các sensor được gia tốc và chúng sẽ đo được biên độ quay [7]

Hình 1.13 Sơ đồ của sensor Endevco 7265A-HS

Vũ Việt Hùng

13

c) Sensor gia tốc kiểu tụ ADXLxxx

Sensor gia tốc ADXLxxx của hãng Analog Devices được đóng gói như mạch tích hợp IC chuẩn với vỏ gốm hoặc kim loại Sensor ADXLxxx sử dụng hệ lò xo-gia trọng MEMS và đo điện dung vi phân do các phần tử nhạy điện sinh ra khi có gia tốc tác động lên sensor Hình 1.14 trình bày một hệ thống điển hình của sensor gia tốc ADXLxxx Trục nhạy với gia tốc được sắp xếp trên mặt phẳng của sensor Khối gia trọng là một miếng đế gắn với các góc bằng lò xo hoặc dây treo Hình 1.15 trình bày ảnh SEM của các sensor gia tốc, trong đó chỉ ra các khối gia trọng, dây treo và các phần tử điện dung [9, 11, 12, 13]

Hình 1.14 Hình chiếu của sensor ADXL50 (bên trên) và ADXL150 (bên dưới)

Cấu trúc của sensor gia tốc ADXLxxx có thể được mô tả như sau: trên một đế silíc đơn bao gồm một hệ lò xo-gia trọng và toàn bộ mạch điện để tính gia tốc từ độ

Vũ Việt Hùng

14

dịch chuyển của khối gia trọng Mạch điện này được bố trí nằm xung quanh khối gia trọng Hãng Analog Devices gọi công nghệ này là iMEMS, tức là hệ thống vi cơ điện

tử tích hợp (integrated MEMS) Tín hiệu lối ra cuối cùng của chip là một điện áp tương tự từ 0-5V và tỉ lệ tuyến tính với gia tốc

Hình 1.15 Ảnh SEM của một phần sensor ADXL150

Sensor gia tốc của hãng Analog Devices hiện nay mới chỉ có loại sensor một chiều và hai chiều Với sensor hai chiều, hai trục được bố trí vuông góc với nhau trên mặt phẳng đế Hiện nay có hai cách chế tạo sensor hai chiều, cách thứ nhất là dùng hai sensor gia tốc một chiều khác nhau đặt trên hai trục vuông góc, và cách thứ hai là chỉ

sử dụng một khối gia trọng mà nó có thể dịch chuyển tự do theo cả hai trục trên mặt phẳng

Khi chế tạo sensor gia tốc ba chiều đơn chip thì gặp phải một số khó khăn trong công nghệ chế tạo Nếu sử dụng một khối gia trọng để đo theo cả ba trục thì rất khó để đảm bảo chuyển động của khối gia trọng là tuyến tính theo cả ba trục vì việc thiết kế các dây treo là vô cùng phức tạp Nếu sử dụng ba khối gia trọng riêng biệt thì bị giới hạn bởi công nghệ khi đo gia tốc ở bên ngoài mặt phẳng Tuy nhiên, hãng Analog Devices đã sản xuất thử nghiệm một sensor gia tốc ba chiều ADXL330 với độ phân giải ±2g trên mỗi trục và hãng hy vọng sẽ đưa ra thị trường trong thời gian sớm nhất [14]

Với cấu trúc được trình bày như trên thì sensor ADXLxxx có thể đo được cả gia tốc âm và gia tốc dương, đồng thời đo được cả gia tốc tĩnh (gia tốc trọng trường) dùng

để đo độ nghiêng và gia tốc động [15,16] Trong các ứng dụng thông thường của sensor gia tốc, trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống, thì các sensor gia tốc một

Vũ Việt Hùng

15

chiều và hai chiều là đủ đáp ứng được yêu cầu Từ khi sensor gia tốc iMEMS đầu tiên xuất hiện từ năm 1993, độ phân giải của sensor cũng như giá cả cũng đã thay đổi một cách đáng kể Hình 1.16 trình bày biểu đồ về sự phát triển của các loại sensor gia tốc ADXL

a) Độ phân giải của sensor gia tốc theo thời gian

b) Giá cả của sensor gia tốc theo thời gian Hình 1.16 Biểu đồ phát triển của sensor MEMS của hãng Analog Devices

Vũ Việt Hùng

16

Dưới đây là bảng so sánh một số thông số của ba loại sensor gia tốc được trình

bày ở trên

Bảng 1.1So sánh các loại sensor gia tốc của các hãng Endevco, PCB Piezotronics và

Analog Devices

Nhà sản xuất Endevco PCB Piezotronics Analog Devices

Độ nhạy theo trục ngang 5% max 5% max 5% max

Gia tốc cực đại chịu được 2000 g 5000 g 1000 g

Khối lượng < 5.9 grams 2.0 grams 0.934 grams

Kích thước 11.9x7.4x7.4 mm 11.4x7.1x7.1 mm 10.5x 0.6x4.3 mm

1.3.5 So sánh một số thông số của sensor gia tốc sử dụng công nghệ vi cơ với

sensor gia tốc dựa trên vật liệu áp điện

Ta hãy thực hiện một sự so sánh các đặc trưng của sensor gia tốc ADXL105 với

sensor gia tốc kiểu áp điện để có thể khẳng định về ưu điểm của sensor gia tốc kiểu tụ

[17]

Hình 1.17 so sánh đáp ứng ứng biên độ của hai loại sensor gia tốc Đáp ứng

biên độ của sensor gia tốc ADXL105 tương đối bằng phẳng trong dải tần số khảo sát

(0 ÷ 2KHz), trong khi sensor gia tốc kiểu áp điện có đường đáp ứng đi xuống với hệ số

tương đối lớn Đáp ứng biên độ của sensor gia tốc kiểu áp điện ở tần số 1 kHz và ở

100 Hz chênh lệch nhau tới 5%, trong khi sensor ADXL chỉ lệch có 1% Ở 5 kHz, giá

trị này cũng chỉ lệch 2% so với đáp ứng biên độ ở 100 Hz Đặc trưng này là vô cùng

có giá trị khi dùng sensor gia tốc đo rung động, vì đo rung trong các máy theo dõi điều

kiện cơ khí hoặc máy khử rung yêu cầu phép đo có độ chính xác cao về biên độ

Vũ Việt Hùng

17

Hình 1.17 Đáp ứng biên độ và tần số

Như đã trình bày ở trên, sự chuyển động của khối gia trọng (hay thanh dầm) trong sensor ADXL là tương ứng với lực gia tốc, lực gia tốc này được phát hiện là do làm thay đổi điện dung của tụ điện được hình thành bởi khối gia trọng Tỉ lệ thay đổi điện dung này gần như không thay đổi với nhiệt độ, kết quả là độ nhạy của sensor chỉ thay đổi khoảng ±1% trên dải nhiệt độ công nghiệp từ -400C ÷ 850C (hình 1.18) Trong khi đó, sensor kiểu áp điện có độ trôi nhiệt độ cao hơn, nhưng bù lại nó có thể hoạt động ở dải nhiệt độ rộng hơn (-750C ÷ 1250C)

Hình 1.18 Độ nhạy và nhiệt độ

Vũ Việt Hùng

18

Nhiễu của sensor gia tốc kiểu tụ và kiểu áp điện cũng rất khác nhau (hình 1.19) Thành phần nhiễu của sensor áp điện tăng đột ngột ở tần số thấp, cao hơn rất nhiều so với sensor kiểu tụ Nhiễu của sensor ADXL105 như nhau ở mọi tần số, đó là do sensor ADXL sử dụng một bộ giải điều chế đồng bộ (sẽ trình bày cụ thể ở mục 4.4.2) để giải

mã tín hiệu lối ra của sensor, điều này làm cho mật độ phổ nhiễu về cơ bản là độc lập với tần số

Hình 1.19 So sánh nhiễu nền của hai loại sensor

1.4 Tóm tắt

Trong chương này trình bày một cách khái quát về MEMS, các khái niệm cơ bản, các công nghệ chế tạo dùng trong MEMS và các sản phẩm của MEMS Đặc biệt, chương này cũng tập trung trình bày về sensor gia tốc, từ nguyên lý lý thuyết cho tới các sản phẩm sensor gia tốc dựa trên các hiệu ứng vật lý khác nhau So sánh sensor MEMS với sensor được chế tạo theo công nghệ khác để chỉ ra một số ưu điểm của sensor MEMS Từ các các ưu điểm của các sensor được chế tạo dựa trên công nghệ MEMS nói trên, chúng tôi đã sử dụng sensor gia tốc ADXL202 để đo góc nghiêng dùng để điều khiển cách tay robot và đo độ rung như sẽ trình bày trong chương 5 dưới đây

Vũ Việt Hùng

19

Nghiên cứu và phát triển robot là xu thế tất yếu trong tất cả các lĩnh vực nhằm cải thiện cách thức hoạt động của robot và mở rộng phạm vi ứng dụng của robot trong tương lai Hiện nay robot có thể được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực khoa học, kinh tế, công nghiệp mà điển hình là [18]…

9 Những nơi con người có thể bị nguy hiểm (công nghệ hạt nhân, không gian, quân sự)

9 Trong các công việc vượt quá khả năng lao động của con người (công nghiệp dịch vụ, nông nghiệp)

9 Cho các mục đích nhân đạo ở những nơi có độ nguy hiểm lớn (xác định vùng đất có mìn, tìm kiếm cứu nạn trong thành phố)

2.2 Phân loại robot

Robot công nghiệp có thể phân loại theo các đặc trưng như sau [18, 19]:

- Theo dạng hình học của tay máy: hình chữ nhật, hình trụ, hình cầu…

- Theo các bậc tự do: tay máy, cổ tay

- Theo nguồn nuôi: điện, khí nén, hơi nước và kết hợp

- Theo cách thức chuyển động của tay máy: chuyển động quay, chuyển động theo đường thẳng, chuyển động theo hình trụ…

- Theo kiểu điều khiển: điểm-điểm, theo đường liên tục…

- Theo mức độ thông minh: công nghệ cao, công nghệ thấp

Vũ Việt Hùng

20

2.3 Các thành phần cơ bản của tay máy robot

Hầu hết các robot phức tạp có thể được chia thành một số phần cơ bản Phần này mô tả một cách tóm tắt về một số phần cấu tạo nên robot công nghiệp và chức năng của chúng [18]

Các thành phần cơ bản của một robot công nghiệp như được mô tả trong hình 2.1 bao gồm bộ thao tác, bộ chấp hành cuối cùng end effector (cũng có thể là một phần của bộ chấp hành), nguồn nuôi và bộ điều khiển

Hình 2.1 Các thành phần cơ bản của robot công nghiệp

Bộ thao tác, có thể là tay máy robot, bao gồm các đoạn được nối cùng với nhau

có khả năng chuyển động trong những hướng khác nhau cho phép điều khiển robot thực hiện công việc Bộ chấp hành cuối cùng là một công cụ để kẹp hoặc gắp vật, được gắn cố định vào tay máy robot để thực hiện công việc được yêu cầu Nguồn nuôi cung cấp năng lượng để chuyển thành chuyển động bởi các bộ chấp hành của robot, nguồn nuôi này có thể là điện, khí hoặc hơi nước Bộ điều khiển dùng để khởi động, kết thúc

và điều chỉnh chuyển động của robot, và cũng có thể xem như là lối vào cần thiết của robot và cung cấp lối ra để giao tiếp với thế giới bên ngoài

2.3.1 Bộ thao tác (Manipulator)

Bộ thao tác là một khối cơ khí cung cấp các chuyển động tương tự như chuyển động của cánh tay người Thiết kế cơ khí của bộ chấp hành liên quan trực tiếp tới không gian làm việc và đặc trưng chuyển động của robot Hình 2.2 chỉ ra các phần chính của bộ thao tác

Vũ Việt Hùng

21

Hình 2.2 Các phần của bộ thao tác: thân, cánh tay và cổ tay

Chuyển động của robot có thể chia làm hai loại: chuyển động của cánh tay và thân (vai và khuỷu tay) và chuyển động của cổ tay Chuyển động của các khớp nối riêng biệt liên kết với hai loại chuyển động này được gọi là các bậc tự do Mỗi một trục tương đương với một bậc tự do Các robot công nghiệp thường có từ 4-6 bậc tự

do

Hình 2.3 Ba bậc tự do trương ứng với chuyển động của cổ tay robot:

chuyển động lên xuống, chuyển động trái phải và chuyển động quay

Cổ tay robot có thể đạt tới một điểm trong không gian với sự định hướng cụ thể bởi ba chuyển động: chuyển động lên xuống (pitch), chuyển động trái phải (yaw) và chuyển động quay (roll) Hình 2.3 mô tả ba loại chuyển động của cổ tay robot

2.3.2 Bộ chấp hành cuối cùng (end - effector)

Bộ chấp hành cuối cùng là một đầu cặp hoặc một công cụ được giới hạn không gian làm việc và gắn với khớp cổ tay của robot Nó bao gồm cả hệ thống cảm biến cho phép robot tương tác với môi trường làm việc

Vũ Việt Hùng

22

Phụ thuộc vào các kiểu vận hành, các bộ chấp hành cuối cùng thường là các thiết bị được trang bị với các công cụ khác nhau, như:

- Đầu cặp (gripper), đầu móc (hook), nam châm điện, đầu cặp chân không và các đầu cặp dính (adhesive fingers) để cầm nắm các vật hữu hình

- Súng phun dùng để sơn

- Đánh dấu vị trí để hàn và cắt

- Các công cụ công suất: máy khoan, máy mài…

- Các thiết bị đặc biệt để lắp ráp và gia công cơ khí

- Các dụng cụ đo lường…

Bộ chấp hành cuối cùng nói chung là các công cụ tùy chọn để phù hợp với các công việc cụ thể, phổ biến là các đầu cặp (gripper) có từ hai miếng kẹp trở nên Sự lựa chọn bộ chấp hành cuối cùng thích hợp cho các ứng dụng đặc biệt phụ thuộc vào các nhân tố như: tải trọng, môi trường, sự tin cậy và giá cả

2.3.4 Bộ điều khiển

Bộ điều khiển là một thiết bị xử lý và trao đổi thông tin giữa robot và môi trường làm việc Thiết bị này cung cấp các tín hiệu lối vào cần thiết cho robot và cung cấp các tín hiệu lối ra để điều khiển môtơ

Mức độ phức tạp của bộ điều khiển là rất khác nhau, liên quan tới chức năng và nhiệm vụ mà robot phải thực hiện

Lối vào và lối ra của một hệ thống điều khiển phải cung cấp một giao diện thông tin giữa bộ điều khiển robot và các phần sau:

- Các sensor gắn trong robot

- Các công cụ cơ khí sản xuất

- Các thiết bị tự học

Vũ Việt Hùng

23

- Các thiết bị lưu giữ chương trình

- Các phần cứng khác…

Bộ điều khiển của robot là bộ phận quan trọng nhất trong robot, nó gồm một số

bộ phận nhỏ khác như: hệ thống truyền động, hệ thống điều khiển chuyển động…

Hệ thống truyền động

Hệ thống truyền động cung cấp lực cho robot chuyển động, quyết định tốc độ

và quãng đường chuyển động của các cánh tay robot, và do đó có thể thực hiện được các ứng dụng của robot Phần lớn các robot công nghiệp sử dụng các lực theo một trong ba loại hệ thống truyền động sau đây:

- Khí nén: Truyền động bằng khí nén thường được sử dụng trong các robot nhỏ và được giới hạn trong những thao tác đơn giản, tuần hoàn nhanh và những thao tác nhặt và đặt Robot có hệ thống truyền động bằng khí nén thường chỉ có từ hai đến bốn bậc tự do

- Thuỷ lực: Truyền động bằng thuỷ lực được sử dụng trong các robot lớn hơn Robot có hệ thống truyền động bằng thuỷ lực thường nặng, đòi hỏi không gian chiếm chỗ lớn và có khả năng chịu tải cao

- Điện: Truyền động bằng điện có lợi cho những robot trong các ứng dụng chính xác, công suất thấp nhưng không quan tâm đến tốc độ và sức mạnh như truyền động bằng thuỷ lực Robot truyền động bằng điện có kích thước nhỏ và được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao như lắp ráp điện tử, sơn ôtô…

Hệ thống điều khiển chuyển động

Robot phải có hệ thống điều khiển chuyển động để điều chỉnh sự chuyển động của nó Robot thường sử dụng một trong bốn loại hệ thống điều khiển chuyển động sau:

- Hệ thống điều kiển chuyển động bị giới hạn theo trục

- Hệ thống điều khiển các thao tác lặp lại điểm-điểm (point-to-point playback)

- Hệ thống điều khiển các thao tác lặp lại đường dẫn-viền quanh path playback)

(contour Hệ thống điều khiển thông minh

Vũ Việt Hùng

24

2.4 Động học tay máy

2.4.1 Cấu trúc tay máy

Cơ cấu tay máy thường là một cơ cấu hở, bao gồm các khâu (link) được liên kết với nhau bởi các khớp (joint) Các khớp động này là các khớp quay hoặc tịnh tiến nhắm chuyển động theo yêu cầu như hình 2.4

z

y

x

Hình 2.4 Cơ cấu tay máy với các khớp

Để robot có thể thao tác một cách linh hoạt, cơ cấu chấp hành của nó phải cấu tạo sao cho điểm mút của khâu cuối cùng đảm bảo dễ dàng di chuyển theo một quỹ đạo nào đó, đồng thời khâu này cũng phải có một định hướng nhất định theo yêu cầu Khi khảo sát chuyển động của robot chúng ta cần phải biết tọa độ và sự định hướng của điểm tác động cuối cùng trong mọi thời điểm Đây là nội dung quan trọng của bài toán động học robot mà chúng ta sẽ xét trong chương này

2.4.2 Động học tay máy thuận

Động học tay máy nghiên cứu các khả năng chuyển động và cấu hình của hệ thống tay máy Động học tay máy chỉ liên quan tới dạng hình học của hệ thống mà không quan tâm tới các thông số khác như: lực, vận tốc, năng lượng… Với bài toán động học thuận, chúng ta chỉ cần biết vị trí và sự định hướng của khâu cuối cùng hoặc

hồ Ngoài ra chúng ta cũng cần phải biết chiều dài của các khâu l1, l2, l3 Với các góc (θ1, θ2, θ3) chúng ta thực hiện ba phép quay dưới đây

Hình 2.5 Một cơ cấu chấp hành ba bậc tự do

Với khớp quay thứ ba, góc θ3, chúng ta có một ma trận 3x3

( ) ( )3 3 3

Tâm của phép quay là vị trí của khớp thứ ba trong vị trí ban đầu và có tọa độ (l1+l2, 0), nên dạng ma trận sẽ là:

l l

tâm của phép quay là (l1,0)

Cuối cùng, phép quay ở khớp thứ nhất với góc θ1 Ma trận có dạng rất đơn giản

Như vậy, ma trận A là một mô tả biến đổi đồng nhất với phép quay và phép tịnh tiến

tương đối giữa hệ toạ độ của khâu

Ảnh hưởng của phép quay này được cho bởi tích của ba ma trận:

k k

Hình 2.6 Sử dụng lượng giác để rút ra phương trình động học

vị trí của một điểm bất kỳ trên bộ chấp hành cuối cùng, chúng ta chỉ việc nhân vectơ vị

trí với ma trận K Ví dụ tọa độ của điểm (l

k l l l x

2 2

y l= θ +l θ θ+ +l θ θ+ +Dựa vào hệ trục tọa độ như trong hình 2.6 ta cũng có thể rút ra được phương trình động học trên Tuy nhiên, khi sử dụng hệ trục tọa độ thì chỉ thuận tiện cho những bài toán có ít khớp và chúng ta chỉ quan sát trên hai trục x và y Khi xét bài toán bao gồm cả phép quay quanh trục z và có nhiều khớp thì ta nên dùng ma trận biến đổi động học tay máy

2.4.3 Động học tay máy ngược

Bài toán động học ngược được đặc biệt quan tâm vì lời giải của nó là cơ sở chủ yếu để xây dựng chương trình điều khiển chuyển động của robot bám theo quỹ đạo cho trước Đối với các trường hợp nhiều hơn sáu khâu thì chỉ có lời giải số cho một số loại robot cụ thể Nói chung, với các bài toán động học ngược thì không có một cách giải chung cho các loại robot, mà tùy theo từng yêu cầu cụ thể chúng ta phải tìm một cách giải phù hợp [1, 20]

Để giải bài toán động học ngược, ta phải giải phương trình ma trận sau:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

1 θ1 2 θ2 3 θ3 4 θ4 5 θ5 6 θ6

Trong đó K là ma trận hằng số chỉ ra vị trí và hướng của đầu kẹp Phương trình này

hình thành nên một tập các phương trình phi tuyến của các góc khớp θ1, θ2,…, θ6

Xét bài toán thuận ở phần trước, bây giờ chúng ta chỉ xét vị trí sau hai khâu Phương trình động học ở điểm cuối là:

Hình 2.7 Mô tả cơ cấu chấp hành trong bài toán động học ngược

Do đó, chúng ta có bốn phương trình như sau:

1cos 1 2cos cos1 2 2sin sin1

x l= θ +l θ θ −l θ θ2

2

θ

2 1θ2 2θ

2θ

1 cos= θ +sin (C)

2 2