Robot công nghiệp - Viện Điện ĐH Bách Khoa Hà Nội

LỜI NÓI ĐẦUNăm 1961, Robot kỹ thuật số và được lập trình đầu tiên ra đời, có tên gọi Unimate, từ đó đến nay,ngành robot học không ngừng phát triển và chế tạo robot trở thành

môn kỹ thuật điện (EE1010)

Mã lớp học: 74920

Giảng viên hướng dẫn: TS Dương Minh Đức Họ và tên: Nguyễn Tiến Khang – 20132044

Nguyễn Đức Mạnh – 20132531 Phạm Xuân Ngọc – 20132800

Hà Nội, 2014

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT 5

1.1 Sơ lược quá trình phát triển 5

1.2 Những ứng dụng điển hình của robot 7

1.3 Phân loại robot 10

1.3.1 Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động .10 1.3.2 Phân loại theo thiết kế 11

1.3.3 Phân loại theo bộ điều khiển 11

1.3.4 Phân loại theo nguồn dẫn động 12

1.3.5 Phân loại theo ứng dụng của robot 12

1.4 Xu hướng phát triển của robot 13

1.4.1 Robot điều dưỡng trợ giúp con người 14

1.4.2 Robot cánh tay kép (competitive control robot) 14

1.4.3 Robot đeo được 15

1.4.4 Robot gắp và chuyển động tốc độ cao cơ cấu song song .15 1.4.5 Robot có khả năng học hỏi tương tự như não người 16

1.4.6 Robot cứu hộ 16

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO CỦA ROBOT 17

2.1 Tay máy (manipulator) 17

2.1.1 Chế độ huấn luyện (teaching mode) 18

2.1.2 Chế độ tự động (auto mode) 18

2.2 Bộ điều khiển robot 18

2.2.1 Điều khiển lực 19

2.2.2 Bộ xử lý trung tâm 19

2.2.3 Bộ nhớ 20

2.2.4 Bộ xuất/nhập 20

2.3 Nguồn dẫn động 20

2.3.1 Nguồn dẫn dầu ép 20

2.3.2 Nguồn dẫn truyền động khí nén 20

2.3.3 Nguồn dẫn truyền động điện cơ 21

2.3.4 Nguồn dẫn truyền động hỗn hợp 21

CHƯƠNG 3 CÁC BÀI TOÁN VỀ ROBOT 22

3.1 Bài toán động học 22

3.1.1Động học thuận 22

3.1.2Động học ngược 22

3.2 Bài toán tĩnh học 23

3.3 Bài toán động lực học 23

3.4 Bài toán điều khiển 23

3.1.1 Điều khiển thích nghi 23

3.1.2 Điều khiển tối ưu 23

3.1.3 Điều khiển thông minh 23

3.5 Bài toán dò đường tránh vật cản 24

KẾT LUẬN 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

HÌNH VẼ Hình 1.1 - Robot 4 chân của hãng R.S Mosher và hãng General Electric 5

Hình 1.2 - Xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunokohod 1 6

Hình 1.3 - Robot Shakey - robot đầu tiên nhận dạng đối tượng bằng camera 6

Hình 1.4 - Robot Unmation 7

Hình 1.5 - Robot hàn ARC 7

Hình 1.6 - Robot gắp hàng - đóng gói bia 8

Hình 1.7 - Robot sơn ô tô tự động 8

Hình 1.8 - Robot hàn điểm trong sản xuất xe hơi 9

Hình 1.9 - Robot xếp chồng sản phẩm 9

Hình 1.10 - Robot rà phá bom mìn warrior 710 10

Hình 1.11 - Robot tự hành thám hiểm sao hỏa và mặt trăng 10

Hình 2.1 - Các thành phân chính của một robot công nghiệp 17

Hình 2.2 – Bộ điều khiển robot theo cấu trúc PC – based 18

LỜI NÓI ĐẦU

Năm 1961, Robot kỹ thuật số và được lập trình đầu tiên ra đời, có tên gọi

Unimate, từ đó đến nay,ngành robot học không ngừng phát triển và chế tạo robot trở

thành 1 ngành công nghiệp được chú trọng phát triển ở nhiều quốc gia, với sự đi đầu

của các cường quốc như Mỹ, Nhật Bản….Ngày nay, robot có mặt trong hầu hết các

lĩnh vực của đời sống của con người: sản xuất, y tế, quân sự, hàng không vũ trụ, Các

robot thương mại và robot công nghiệp được sử dụng phổ biến để thực hiện các công

việc với giá rẻ hơn, chính xác và đáng tin cậy hơn con người Chúng cũng được sử

dụng trong các công việc mà độ ô nhiễm cao, nguy hiểm, hoặc đơn điệu Robot được

sử dụng rộng rãi trong sản xuất, lắp ráp, đóng gói và mở gói, vận chuyển, và thăm dò

không gian cũng như lòng đất, phẫu thuật, chế tạo vũ khí, nghiên cứu trong phòng thí

nghiệm, dây chuyền sản xuất hàng loạt… Ngoài ra, còn có các robot phục vụ các nhu

cầu khác của con người như: giải trí, giúp việc, hỗ trợ người khuyết tật….Hiện nay

các loại robot đang không ngừng được hoàn thiện và chế tạo mới nhằm hướng tới

mục tiêu robot có khả năng tư duy như con người, chính vì vậy mà phạm vi ứng dụng

của robot không ngừng mở rộng trong mọi lĩnh vực, đặc biệt là thay thế con người

trong sản xuất, tăng năng suất lao động

Trước những yêu cầu đòi hỏi bức thiết của việc ứng dụng robot vào thực tiễn

cuộc sống, nhóm chúng em đã thực hiện tìm hiểu tổng quan về lịch sử phát triển, cấu

tạo,các bài toán và ứng dụng của robot Từ đó, chúng em đã có cái nhìn tổng quát

nhất về ngành robot học,cũng như có thêm những kiến thức mới về ngành kỹ thuật

Điều khiển - Tự động hóa

Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của TS Dương Minh

Đức trong suốt thời gian thực hiện báo cáo này Với sự giúp đỡ tận tình đó két hợp

cùng sự nỗ lực cố gắng của cả nhóm, chúng em đã hoàn thành báo cáo này Tuy

nhiên, do hạn chế về chuyên môn, kiến thức chưa sâu nên bản báo cáo có thể sẽ

không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em xin chân thành tiếp thu những ý kiến chỉ

bảo đóng góp của thầy để bài báo cáo sẽ hoàn thiện tốt hơn

Xin chân thành cảm ơn!

Nhóm sinh viên thực hiện báo cáo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT

1.1 Sơ lược quá trình phát triển

Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng

sản xuất Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở trên NewYork vào ngày

09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp

Karen Kapek viết năm 1921, còn từ robot là cách gọi tắt của từ robota - theo tiếng

Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch

Những robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào những ứng dụng trong

công nghiệp thực sự lại là những tay máy Vào năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz đã

nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hãng

General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cơ cấu tác động là những động

cơ điện kết hợp với các cử hành trình Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một

dạng tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu

cuối Sử dụng những thành quả đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay

máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển

Năm 1968 R.S Mosher, thuộc hãng General Electric, đã chế tạo một thiết bị

biết đi có bốn chân, có chiều dài hơn 3m, nặng 1.400kg, sử dụng động cơ đốt trong

có công suất gắn 100 mã lực (hình 1.1)

Hình 1.1 Robot 4 chân của hãng R.S Mosher và hãng General Electric

Cũng trong lĩnh vực này, một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạt

được vào năm 197G là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1

được điều khiển từ trái đất (hình 1.2)

Hình 1.2 Xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunokohod 1

Viện nghiên cứu thuộc Trường Đại học Stanford vào năm 1969 đã thiết kế

robot Shakey di động tinh vi hơn để thực hiện những thí nghiệm về điều khiển sử

dụng hệ thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tượng (hình 1.3) Robot này được

lập trình trước để nhận dạng đối tượng bằng camera, xác định đường đi đến đối tượng

và thực hiện một số tác động trên đối tượng

Hình 1.3 Robot Shakey - robot đầu tiên nhận dạng đối tượng bằng camera

Năm 1952 máy điều khiển chương trình số đầu tiên ra đời tại Học Viện Công

nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ) Trên cơ sở đó năm 1954, George Devol đã thiết kế

robot lập trình với điều khiển chương trình số đầu tiên nhờ một thiết bị do ông phát

minh được gọi là thiết bị chuyển khớp được lập trình Joseph Engelberger, người mà

ngày nay thường được gọi là cha đẻ của robot công nghiệp, đã thành lập hãng

Unimation sau khi mua bản quyền thiết bị của Devol và sau đó đã phát triển những

thế hệ robot điều khiển theo chương trình Năm 1962, robot Unmation đầu tiên được

đưa vào sử dụng tại hãng General Motors; và năm 1976 cánh tay robot đầu tiên trong

không gian đã được sử dụng trên tàu thám hiểm Viking của cơ quan Không Gian

NASA của Hoa Kỳ để lấy mẫu đất trên sao Hoả (hình 1.4)

Hình 1.4 Robot Unmation

1.2 Những ứng dụng điển hình của robot

Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp Những ứng

dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn

Một trong những công việc kém năng suất nhất của con người là rèn kim loại ở

nhiệt độ cao Các công việc này đòi hỏi công nhân di chuyển phôi có khối lượng lớn

với nhiệt độ cao khắp nơi trong xưởng Việc tuyển dụng công nhân làm việc trong

môi trường nhiệt độ cao như vậy là một vấn đề khó khăn đối với ngành công nghiệp

này, và robot ban đầu đã được sử dụng để thay thế công nhân làm việc trong điều

kiện môi trường ngặt nghèo như trong lò đúc, xưởng rèn, và xưởng hàn Đối với

robot thì nhiệt độ cao lại không đáng sợ

Hình 1.5 Robot hàn ARC 1

Hình 1.6 - Robot gắp hàng - đóng gói bia 2

Hình 1.7 - Robot sơn ô tô tự động 3

1 ABB Robotics

2 ABB Robotics

3 ABB Robotics

Hình 1.8 - Robot hàn điểm trong sản xuất xe hơi 4

Hình 1.9 - Robot xếp chồng sản phẩm 5

4 New China Factory Auto Tech

5 ABB Robotics

Hình 1.10 - Robot rà phá bom mìn warrior 710 6

Hình 1.11 – Robot tự hành thám hiểm sao hỏa và mặt trăng 7

Robot còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nữa như phục vụ cho máy

công cụ, làm khuôn trong công nghiệp đồ nhựa, gắn kính xe hơi, dò phá bom mìn,

làm bánh,…

1.3 Phân loại robot

1.3.1 Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động

1 Robot toạ độ vuông góc (cartesian robot)

2 Robot toạ độ trụ (cylindrical robot)

3 Robot toạ độ cầu (spherical robot)

4 Robot khớp bản lề (articular robot)

6 www.irobot.com

7 Internet

1.3.2 Phân loại theo thiết kế

Theo quá trình phát triển của robot, ta có thể chia ra theo các mức độ sau đây:

1 Robot thế hệ thứ nhất:

Bao gồm các dạng robot hoạt động lặp lại theo một chu trình không thay đổi

(playback robots), theo chương trình định trước Chương trình ở đây cũng có hai

dạng; chương trình “cứng” không thay đổi được như điều khiển bằng hệ thống cam

và điều khiển với chương trình có thể thay đổi theo yêu cầu công nghệ của môi

trường sử dụng nhờ các panel điều khiển hoặc máy tính

2 Robot thể hiện thứ hai

Trong trường hợp này robot được trang bị các bộ cảm biến (sensors) cho phép

cung cấp tín hiệu phản hồi hỗ trợ lại hệ thống điều khiển về vị trí, trạng thái không

gian của robot cũng như những thông tin về môi trường bên ngoài như trạng thái, vị

trí của đối tượng thao tác, của các máy công nghệ mà robot phối hợp, nhiệt độ của

môi trường, v.v giúp cho bộ điều khiển có thể lựa chọn những thuật toán thích hợp

để điều khiển robot thực hiện những thao tác xử lý phù hợp

3 Robot thế hệ thứ ba

Đây là dạng phát triển cao nhất của robot tự cảm nhận Các robot ở đây được

trang bị những thuật toán xử lý các phản xạ logic thích nghi theo những thông tin và

tác động của môi trường lên chúng; nhờ đó robot tự biết phải làm gì để hoàn thành

được công việc đã được đặt ra cho chúng Hiện nay cũng đã có nhiều công bố về

những thành tựu trong lĩnh vực điều khiển này trong các phòng thí nghiệm và được

đưa ra thị trường dưới dạng những robot giải trí có hình dạng của các động vật máy

4 Robot thế hệ thứ tư

Bao gồm các robot sử dụng các thuật toán và cơ chế điều khiển thích nghi

(adaptively controlled robot) được trang bị bước đầu khả năng lựa chọn các đáp ứng

tuân theo một mô hình tính toán xác định trước nhằm tạo ra những ứng xử phù hợp

với điều kiện của môi trường thao tác

5 Robot thế hệ thứ năm

Là tập hợp những robot được trang bị trí tuệ nhân tạo (artificially intelligent

robot)

1.3.3 Phân loại theo bộ điều khiển

1 Robot gắp - đặt:

Robot này thường nhỏ và sử dụng nguồn dẫn động khí nén Bộ điều khiển phổ

biến là bộ điều khiển lập trình (PLC) để thực hiện điều khiển vòng hở Robot hoạt

động căn cứ vào các tín hiệu phản hồi từ các tiếp điểm giới hạn hành trình cơ khí đặt

trên các trục của tay máy

2 Robot đường dẫn liên tục

Robot loại này sử dụng bộ điều khiển servo thực hiện điều khiển vòng kín Hệ

thống điều khiển liên tục là hệ thống trong đó robot được lập trình theo một đường

chính xác Trong hệ thống điều khiển này, đường dẫn được biểu điễn bằng một loạt

các điểm rời rạc gần nhau và được lưu vào bộ nhớ robot, sau đó robot sẽ thực hiện lại

chính xác đường dẫn đó

1.3.4 Phân loại theo nguồn dẫn động

1 Robot dùng nguồn cấp điện

Nguồn điện cấp cho robot thường là DC để điều khiển động cơ DC Hệ thống

dùng nguồn AC cũng được chuyển đổi sang DC Các động cơ sử dụng thường là

động cơ bước, động cơ DC servo, động cơ AC servo Robot loại này có thiết kế gọn,

chạy êm, định vị rất chính xác Các ứng dụng phổ biến là robot sơn, hàn

2 Robot dùng nguồn khí nén

Hệ thống cán được trang bị máy nén, bình chứa khí và động cơ kéo máy nén

Robot loại này thường được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng nhỏ có tay máy

là các xy - lanh khí nén thực hiện chuyển động thẳng và chuyển động quay Do khí

nén là lưu chất nén được nén, robot loại này thường được sử dụng trong các thao tác

gắp đặt không cần độ chính xác cao

3 Robot dùng nguồn thuỷ lực

Nguồn thuỷ lực sử dụng lưu chất không nén được là dầu ép Hệ thống cần

trang bị bơm để tạo áp lực dầu Tay máy là các xy - lanh thuỷ lực chuyển động thẳng

và quay động cơ dầu robot loại này được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng lớn

1.3.5 Phân loại theo ứng dụng của robot

1 Human robot

Robot hình người được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như giải trí, y tế, dịch

vụ…Đặc điểm của loại robot này là chúng sở hữu khuôn mặt và tay giống như con

người, có khả năng thực hiện những chuyển động tương tự như còn người, đặc biệt

một số loại robot còn có khả năng nhảy, giao tiếp thông minh với con người Sau đây

là một vài ví dụ:

Hình 1.12 Robot phục vụ quán ăn Hình 1.13 Robot nhảy

2 Finger robot

Chứa một ngân hàng tích hợp của 40

chuyển động cơ bắp mà làm cho nó di chuyển

Các cơ được tuân thủ, cho phép cầm tay được

sử dụng trên các đối tượng mềm hoặc dễ vỡ,

và quan trọng hơn là làm cho các tay an toàn

trong việc sử dụng với con người

cung cấp 24 động tác, cho phép ánh xạ trực

tiếp từ một con người với robot

là khả năng nắm giữ trọng lượng của nó

khoảng 3.9kg

3 Under water robot

Robot dưới nước là một trong số những loại robot có nhiều ứng dụng nhất

trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học, tìm kiếm, cứu hộ Với khả năng lặn sâu dưới

nưới đến hàng nghìn mét, gửi những hình ảnh chi tiết về trung tâm điều khiển, rõ

ràng đây là loại robot hữu dụng khi thay thế con người thực hiện những công việc

nguy hiểm dưới nước Ví dụ như robot AUQUA2 có thể di chuyển trên đất liền cũng

như bơi lội và lặn dưới nước phục vụ cho công việc khám khoa học

1.4 Xu hướng phát triển của robot

Trên thế giời hiện nay, công nghệ robot đang thay thế con người ở nhiều ngành

nghề hơn, ở nhiều quốc gia hơn Những chú robot lớn nhỏ, không chỉ là các nhân vật

trong phim khoa học viễn tưởng nữa mà đang trở thành một phần không thể thiếu của

các nền kinh tế: từ làm nông cho đến bác sĩ phẫu thuật…hay kể cả nhân viên đánh

trống trong ban nhạc