Tìm hiểu về rôbôt công nghiệp

Định nghĩa rôbốt còn đợc Mikell P .groo ve, một nhà nghiên cứu rôbôt mởrộng nh sau: Rôbốt công nghiệp là những máy hoạt động tự động đợc điều khiển theo ch-ơng trình thể hiện việc thay

Bộ giáo dục và đào Tạo cộng hoà x hội chủ nghĩa việt namã hội chủ nghĩa việt nam

Trờng đh bách khoa hà nội Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Nhiệm vụ Thiết kế đồ án tốt nghiệp Họ và tên ………

………

khoá ………

Ngành………

1.Đầu đề thiết kế: ………

………

………

………

………

2 Các số liệu ban đầu:

………

………

………

………

………

3.Nội dung các phần thuyết minh và phần tính toán:

………

………

………

………

………

………

………

………

4 Các bản vẽ (ghi rõ các loại bản vẽ về kích thớc các bản vẽ) ………

………

………

………

5 Cán bộ hớng dẫn:

Phần Họ tên cán bộ ………

………

………

………

………

6 Ngµy giao nhiÖm vô thiÕt kÕ………

7 Ngµy hoµn thµnh nhiÖm vô: ………

Ngµy th¸ng n¨m 200 Chñ nhiÖm bé m«n C¸n bé híng dÉn (ký, ghi râ hä tªn) (ký, ghi râ hä tªn)

nhãm häc sinh ® hoµn thµnh· héi chñ nghÜa viÖt nam (vµ nép vµ nép toµn bé b¶n vÏ cho khoa)

NhËn xÐt cña gi¸o viªn duyÖt

NhËn xÐt cña gi¸o viªn híng dÉn.

Lời nói đầu

Cùng với sự phát triển của khoa hoc kỹ thuật, ngành điều khiển và tự

động hoá đã có những bớc tiến quan trọng Quá trình đó đã góp phần khôngnhỏ vào việc tăng cờng năng suất lao động, giảm giá thành, tăng chất lợng

và độ đồng đều về chất lợng, đồng thời tạo điều khiển cải thiện môi trờnglàm việc của con ngời, đặc biệt trong một số công việc có độ an toàn thấp,hoặc có tính độc hại cao Ngày nay, các khái niệm “dây chuyền sản xuất tự

động” hay “rôbôt ” – “Ngời máy” – “Tay máy” đã trở nên quen thuộc đốivới mọi ngời Thế nhng cách đây không lâu trong những thập niên đầu thế

kỷ 20 những khái niệm ấy chỉ là những ý tởng sơ khai trong trí tởng tợngphong phú của con ngời

Năm 1920 lần đầu tiên ngôn ngữ rôbôt xuất hiện trong các tác phẩmkhoa học viển tởng của nhà soạn kịch Kapek Với các mẫu thiết kế ban đầu,rôbôt ngày càng đợc nâng cao về tính năng động: linh hoạt hơn, chính xáchơn, thông minh hơn và đáp ứng nhanh hơn Từ rôbôt đầu tiên vào đầu thậpniên 60, theo mẫu Versatran của công ty AMF (American Machine Foundry)hoạt động theo chơng định trớc, cho đến các dạng rôbôt tự thích nghi, đủthông minh để tự giải quyết nhiệm vụ mà con ngời đặt ra cho nó trong điềukhiển thay đổi của môi trờng hoạt động xung quanh Nhờ đó rôbôt ngày càng

có vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp, đặc biệt trong các hệ thốngsản xuất linh hoạt (FMS) và hệ thống sản xuất tích hợp máy tính (CIM)

Hiện nay ở rất nhiều nớc rôbôt phát triển theo hớng phục vụ sản xuấtcông nghiệp mà còn theo hớng phục vụ trong sinh hoạt và giải trí gia đình

ở các nớc có nền công nghiệp phát thì việc đa rôbôt vào trong quá trìnhsản xuất trong các nhà máy để dần thay thế con ngời ở những nơi có môitrờng độc hại, môi trờng phóng xạ; đồng thời khắc phục các tình trạngkhông đồng về chất lợng sản phẩm đợc phát triển một cách mãnh mẽ trongthời gian gần đây Đồng thời, công cuộc tự động hoá dây chuyền sản xuất làchiến lợc phát triển của các tập đoàn sản xuất lớn trong tơng lai

Hiện nay, ở nớc ta việc áp dụng tự động hoá và trang bị Rôbôt chocác dây chuyền sản xuất trong các nhà máy là một khái niệm mới mẽ và b-

ớc đầu đang đợc áp dụng nhng để quá trình áp dụng có hiệu qủa thì nhữngngời cán bộ kỹ thuật cần có một khái niệm cụ thể và kiến thức cơ bản vềlĩnh vực này Với những lý do trên thì việc tìm hiểu về Rôbôt là việc cần

tiến hành nhằm mục đích trang bị những kiến thức cơ bản về rôbôt công

nghiệp đặc biệt là sinh viên các trờng kỹ thuật; những cán bộ kỹ thuật tơng

lai của đất nớc Vì lẽ đó mà đề tài “Tìm hiểu về rôbôt công nghiệp ”đợc

thầy giáo Nguyễn Doãn ý giao cho nhóm chúng em gồm: Lê Trọng Nghĩa,

Trần Đình Phúc và Nguyến Mạnh Tuyến với yêu cầu cụ thể là: bạn Lê

Trọng Nghĩa chịu trách nhiệm tìm hiểu về phần điều khiển của rôbôt còn

bạn Nguyễn Mạnh Tuyến và em Trần Đình Phúc chịu trách nhiệm tìm hiểu

về về kết cấu và các dạng truyền dẫn thờng dùng trong rôbôt

Sau hơn ba tháng đợc sự hớng dẫn và giúp đỡ tận tình của thầy giáo

Nguyễn Doãn ý cùng với việc tham khảo một số tài liệu có liên quan chúng

em đã hoàn thành bản đồ án đáp ứng nhiệm vụ đợc giao với nội dung và

chất lợng yêu cầu

Tuy nhiên trong đồ án này, do khả năng còn nhiều hạn chế, thiếu nhiều

tài liệu, kinh nghiệm đồng thời là một lĩnh vực mới nên chúng em không

tránh khỏi những sai sót Chúng em mong đợc sự chỉ bảo của thầy giáo

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Doãn ý cùng các

thầy trong khoa “Cơ Khí” và khoa “Tự Động Hoá” về sự chỉ bảo và tạo điều

kiện thuận cho chúng em hoàn thành bản đồ án này

Chơng I

Tổng quan về rôbốt

I Khái niệm về rôbôt.

Theo viện nghiên cứu rôbôt Hoa Kỳ thì rôbôt đợc định nghĩa nh sau:

Rôbôt là một tay máy có nhiều chức năng thay đổi đợc các chơng trình hoạt động, đợc dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã đợc lập trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng.

Định nghĩa rôbốt còn đợc Mikell P groo ve, một nhà nghiên cứu rôbôt mởrộng nh sau:

Rôbốt công nghiệp là những máy hoạt động tự động đợc điều khiển theo

ch-ơng trình thể hiện việc thay đổi vị trí của những đối tợng thao tác khác nhau với mục đích tự động hoá các qúa trình sản xuất.

Không dừng lại ở những định nghĩa trên rôbôt còn đợc nhiều nhà khoa học

đa ra nhiều định nghĩa khác nhau với giáo s Sitegu Watanabe (Đại học tổng hợpTokyo) rôbôt phải thỏa mãn các yếu tố sau:

- Có khả năng thay đổi chuyển động

- Có khả năng cảm nhận đợc đối tợng thao tác

- Có số bậc chuyển động (bậc tự do cao)

- Có khả năng thích nghi với môi trờng hoạt động

- Có khả năng hoạt động tơng hỗ với đối tợng bên ngoài

Còn với giáo s Mosahiro Mori (viện công nghệ Tokyo) thì rôbôt côngnghiệp phải có những đặc điểm sau:

- Có khả năng thay đổi chuyển động

- Có khả năng xử lý thông tin (biết suy nghĩ)

- Có tính vạn năng

- Có những đặc điểm của ngời và máy

Ngoài các ý trên, định nghĩa trong OCT 25 686 – 85 còn bổ sung chorôbôt công nghiệp chức năng điều khiển trong quá trình sản xuất:

Rôbôt công nghiệp là máy tự động đợc đặt cố định hay di động, bao gồm cơ cấu chấp hành dạng tay máy và có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển chơng trình có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng vận động và

điều khiển trong quá trình sản xuất.

Qua rất nhiều định nghĩa trên thì rôbôt có thể hiểu là những thiết bị tự độnglinh hoạt bắt trớc các chức năng lao động công nghiệp của con ngời

1.2 Phân loại rôbôt:

Trong công nghiệp ngời ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản nhất củarôbôt để giúp cho việc nhận biết dễ dàng Có 4 yếu tố chính để phân loại rôbôt nhsau:

- Theo dạng hình học của không gian hoạt động

- Theo thế hệ rôbôt

- Theo hệ điều khiển

- Theo nguồn đẫn động

* Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động.

Rôbôt đợc phân theo sự phối hợp giữa 3 trục chuyển động cơ bản rồi sau đó

bổ sung để mở rộng thêm bậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt Vùnggiới hạn tầm hoạt động của rôbôt đợc gọi là không gian làm việc

* Phân loại rôbôt theo theo hệ.

Theo quá trình phát triển ta có thể chia ra các thế hệ sau:

1.2.2.1:Rôbôt thế hệ thứ nhất.

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

đổi Theo chơng trình định trớc Chơng trình ở đây có 2 dạng chơng trình “cứng”không thay đổi đợc nh điều khiển bằng hệ thống cam và điều khiển với chơng

trình điều khiển theo yêu cầu công nghệ của môi trờng sử dụng nh các panel điềukhiển hoặc máy tính.

Đặc điểm:

- Sử dụng các cơ cấu cam với công tắc giới hạn hành trình

- Điều khiển vòng hở

- Có thể sử dụng băng từ hoặc các băng đục lỗ để đa chơng trình vào hệ

điều khiển Tuy loại này không đổi chơng trình đợc

- Sử dụng phổ biến trong công việc lắp đặt

1.2.1.2 Rôbôt thế hệ thứ 2:

ở thế hệ này rôbôt đợc trang bị các thiết bị cảm biến (sensors) cho phépcung cấp tín hiệu phản hồi trở lại hệ thống điều khiển về trạng thái Vị trí khônggian của rôbôt cũng nh thông tin từ môi trờng bên ngoài nh trạng thái vị trí của đốitợng thao tác, của các máy công nghệ mà rôbôt phối hợp nhiệt độ của môi trờngvv giúp cho bộ điều khiển đợc có thể chọn thuật toán thích hợp để điều khiểnrôbôt thực hiện những thao tác xử lý phù hợp Nói cách khác đây cũng là rôbôt với

điều khiển theo chơng trình nhng có thể tự điều chỉnh hoạt động thích ứng vớinhững thay đổi của môi trờng Thao tác với rôbôt trình độ điều khiển này còn đợcgọi là rôbôt thích nghi cấp thấp

Rôbôt bao gồm các rôbôt sử dụng cảm biến trong điều khiển (sensors –coontrlled robôt) Cho phép tạo đợc những dòng điều khiển kín servo

Đặc điểm:

- Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy

- Có thể tự đa ra chơng trình đáp ứng dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến nhờcác chơng trình đợc cài từ trớc

- Hoạt động của rôbôt có thể lập trình đợc lập trình đợc nhờ các công cụ nh bànphím, panel điều khiển

1.2.1.3.Rôbôt thế hệ thứ 3.

Đây là dạng phát triển cao nhất của rôbôt tự cảm nhận Các rôbôt ở đây đợc trang

bị những thuật toán xử lý những phản xạ logic thích nghi theo những thông tin vàtác động của môi trờng lên chúng; nhờ đó rôbôt tự biết phải làm gì để hoàn thànhcông việc đợc đặt ra cho chúng Hiện nay cũng có nhiều công bố về thành tựutrong lĩnh vực điều khiển này trong các phòng thí nghiệm và đợc đa ra thị trờng d-

ới dạng những rôbôt giải trí có hình dạng của những động vật máy

Rôbôt thế hệ này bao gồm các rôbôt đợc trang bị hệ thống thu nhận hình ảnhtrong điều khiển (vision – controlled robotl ) Cho phép nhìn thấy và nhận dạngcác đối tợng thao tác

Đặc điểm:

- Có những đặc điểm nh rôbôt thế hệ thứ 2 và điều khiển hoạt động trên cơ sở xử

xử lý thông tin thu nhận đợc từ hệ thống thu nhận hình ảnh

- Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp nh phân biệt các đối tợng có hình dạng vàkích thớc khác nhau

1.2.1.4.Rôbôt thế hệ thứ t

Bao gồm các loại rôbôt sử dụng các thuật toán và cơ chế điều khiển thích nghi(ada ptively) đợc trang bị bớc đầu khái niệm lựa chọn các đáp ứng tuân theo một

mô hình tính toán xác định trớc nhằm tạo ra những ứng xử phù hợp với điều kiệncủa môi trờng thao tác.

Đặc điểm:

- Có những đặc điểm tơng tự nh thế hệ 2 và 3, có khả năng tự động lựa chọn chơngtrình hoạt động và lập trình lại cho các hoạt động dựa trên các tín hiệu thu nhận đ-

ợc từ cảm biến

- Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tơng đối lớn để giải các bài toán tối u với điều kiệnbiến không đợc xác định trớc Kết quả bài toán sẽ là tập hợp các tín hiệu điềukhiển các đáp ứng của rôbôt

Phân loại theo điều khiển:

Có 2 loại điều khiển rôbôt: Điều khiển hở và điều khiển kín

1: Điều khiển hở:

Dùng truyền động bớc (động cơ điện ,động cơ thuỷ lực hoặc khí nén) mà quãng ờng hoặc góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điêù khiển Kiểu điều khiển này đơngiản nhng đạt độ chính xác thấp

đ-Điều khiển kín (điều khiển servo):

Sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển Có 2 kiểu điềukhiển servo: điều khiển điểm - điểm và điều khiển đờng

Với điều khiển điểm - điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kiatheo đờng thẳng với tốc độ cao (không làm việc) Nó chỉ làm việc tại các điểmdừng Kiểu điều khiển này đợc dùng trên các rôbôt hàn điểm; vận chuyển; tán

đinh, bắn đinh

Điều khiển theo đờng đảm bảo phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bấtkỳ,với tốc độ có thể điều khiển đợc Có thể gặp kiểu điều khiển nay trên các rôbôthàn hồ quang

1.2.4: Phân loại theo nguồn dẫn động

1.2.4.1: Rôbôt dùng nguồn cấp điện.

Nguồn điện cấp cho rôbôt thờng là DC để điều khiển động cơ DC Hệ thốngnguồn AC cũng đổi thành DC Các động cơ sử dụng thờng là động cơ bớc, độngcơ DC servo, động cơ AC servo Rôbôt loại này có thiết kế gọn, chạy êm, định vịrất chính xác Các ứng dụng là hàn và sơn

Nguồn thuỷ lực sử dụng lu chất không nén đợc là dầu ép Hệ thống cần đợc trang

bị bơm để tạo áp lực dầu Tay máy là các xylanh thuỷ lực chuyển động thẳng vàquay, và các động cơ dầu Rôbôt loại này đợc ứng dụng cho tải trọng lớn

1.3 ứng dụng của rôbôt.

1.3.1 Mục tiêu ứng dụng của rôbôt:

Mục tiêu ứng dụng rôbôt trong công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suấtdây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lợng và khả năng cạnh tranhcủa sản phẩm; Đồng thời cải tiến điều kiện lao động Điều đó xuất phát từ những

u điểm cơ bản của rôbôt, đã kết thúc lại qua bao nhiêu năm đợc ứng dụng ở nhiềunớc những u điểm cơ bản đó là :

Rôbôt có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn thợ lànhnghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc.Vì thế rôbôt có thể góp phầnnâng cao chất lợng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm Hơn thế, rôbôt còn cóthể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi với sự biến đổi mẫu mã, kích cỡsản phẩm theo yêu cầu của thị trờng cạnh tranh

Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng rôbôt là vì giảm đợc đáng kểchi phí cho ngời lao động, nhất là ở các nớc có mức tiền lơng cao cho lao động,cộng các khoản phụ cấp và bảo hiểm xã hội Theo số liệu của Nhật Bản thì nếumột rôbôt làm việc thay cho môt ngời thợ thì tiền mua rôbôt chỉ bằng tiền chi phícho ngời thợ đó từ 3 đến 5 năm tuỳ theo rôbôt làm việc mấy ca Còn ở Mỹ, trungbình trong một giờ làm việc rôbôt mang lại 13USD tiền lời ở nớc ta trong nhữngnăm gần đây ở nhiều doanh nghiệp khoản chi phí lơng bổng cũng chiếm tỷ lệ caotrong giá thành sản phẩm.việc áp dụng rôbôt có thể làm tăng năng suất dâychuyền công nghệ, sỡ dĩ nh vậy vì nếu tăng nhịp độ khẩn trơng của dây chuyềnsản xuất, nếu không thay thế con ngời bằng rôbôt thì ngời thợ sẽ không theo kịphoặc rất chóng mệt mỏi Theo số liệu của hãng Funic, Nhật Bản thì năng suất cókhi tăng đến 3 lần

ứng dụng rôbôt có thể cải thiện điều kiện lao động Đó là u điểm nổi bật màchúng ta cần lu tâm Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi ngời lao động phảilàm việc suốt buổi trong môi trờng rất bụi bặm, ẩm ớt, nóng nực hoặc ồn ào quámức cho phép nhiều lần Thậm chí ở nhiều nơi ngời lao động còn làm việc ở môitrờng độc hại, nguy hiểm đến sức khoẻ của con ngời, dễ bị cụt chân tay, dễ bịnhiễm hoá chất độc hại, nhiễm sóng điện từ và phóng xạ

1.3.2 Các bớc ứng dụng.

Việc u tiên đầu t trớc hết phải nhằm để đồng bộ hoá cả hệ thông thiết bị, rồi tự

động hoá và rôbôt hoá khi cần thiết Để quyết định đầu t việc rôbôt hoá cho cảdây truyền công nghệ hoặc chỉ ở một vài công đoạn, ngời ta thờng xem xét cácmặt sau:

Nghiên cứu quá trình công nghệ đợc rôbôt hoá và phân tích toàn bộ hệ thống sảnxuất của xí nghiệp

ở đây cần xét đến đầy đủ các chi phí và nếu hiệu quả tính ra cho toàn bộ hệthống không thể hiện rõ thì việc đầu t rôbôt hoá là cha cần thiết

Xác định các đối tợng cần rôbôt hoá

Khi xác định thay thế rôbôt ở những nguyên công nào thì phải xem xét khả năngliệu rôbôt đó có thay thế đợc không và có hiệu qủa hơn không Thông thờng ngời

ta u tiên ở những chỗ làm việc quá nặng nhọc, bụi bặm, ồn ào, độc hại hoặc qúa

đơn điệu Xu hớng thay thế hoàn toàn bằng rôbôt thực tế không hiệu quả bằngviệc giữ lại một số công đoạn mà nó đồi hỏi sự khéo léo của con ngời

Xây dựng mô hình quá trình sản xuất đợc rôbôt hoá:

Sau khi xác định sơ đồ tổng thể quá trình công nghệ, cần xác định dòng chuyểndịch nguyên liệu và dòng thành phần để đảm bảo sự nhịp nhàng đồng bộ của toàn

hệ thống Có thể phát huy hiệu quả vốn đầu t

Chọn mẫu rôbôt thích hợp hoặc chế tạo rôbôt chuyên dùng

Đây là bớc quan trọng, vì rôbôt có nhiều loại với giá tiền khác nhau, nếu khôngchọn đúng thì không những đầu t quá đắt mà còn không phát huy đợc, nh kiểudùng ngời không đúng chỗ, việc này thờng xẩy ra khi mua rôbôt của nớc ngoài

Có những chức năng của rôbôt đợc trang bị nhng không đợc dùng cho công việc

cụ thể mà nó đảm nhận, trên dây truyền sản xuất Vì thế mà giá thành tăng lên chỉ

có lợi cho nơi cung cấp thiết bị

Cấu trúc rôbôt hợp lý nhất là cấu trúc theo modul hoá Nh thế có thể hạ giá thànhsản xuất, đồng thời áp dụng đợc nhu cầu phục vụ đa dạng Cấu trúc càng đơn giảncàng dễ thực hiện độ chính xác cao và hạ giá thành Ngoài ra còn có thể tự tạodựng các rôbôt thích hợp với công việc trên cơ sở mua lắp các modul chuẩn hoá

Đó là hớng triển khai hợp lý với đại bộ phận các xí nghiệp trong nớc hiện naycũng nh trong tơng lai

Chơng ii

Cấu Tạo chung của rôbôt

Về mặt truyền động và điều khiển, rôbôt đợc cấu tạo từ những khối cấutrúc cơ khí hoạt động nhờ các cấu tác động Những cơ cấu tác động này có thểhoạt động phối hợp với nhau để thực hiện những công việc phức tạp dới sự điềukhiển của một bộ phận có cấu tạo nh máy tính, còn gọi là những bộ phận điềukhiển PC – based Với những đặc điểm về cấu tạo và hoạt động thì rôbôt thờng đ-

ợc sử dụng trong các hệ thống sản xuất linh hoạt dạng Workell và các hệ thốngsản xuất tích hợp máy tính Ngày càng có nhiều các dây chuyền sản xuất tự động

có sử dụng rôbôt thay thế dần các dây chuyền sản xuất tự động với chơng trìnhhoạt động cứng trớc đây

Việc ứng dụng rôbôt vào sản xuất gắn liền sự hiểu biết dầy đủ các vấn đề cóliên quan chặt chẽ với nhau nh các dạng nguồn dẫn động, các hệ thống và các chế

độ điều khiển, các cảm biến trang bị trên rôbôt, khả năng của phần mềm và ngônngữ lập trình cũng nh chọn lựa các bộ phận giao tiếp và xuất nhập tín hiệu phù hợpcho các bộ phận chấp hành khác nhau Trong chơng này sẽ đề cập đến những vấn

đề cơ bản về các thành phần và cấu hinh của rôbôt công nghiệp

Về mặt kết cấu rôbôt đợc chế tạo rất khác nhau, nhng chúng đợc xác định

Thuật ngữ “Tay máy” và rôbôt trong quan niệm của những nhà chuyên

môn trong lĩnh vực này không khác biệt Để thuận tiện trong trình bày, ở đây tahiểu tay máy là một dạng rôbôt có cấu tạo mô phỏng theo ngững dặc điểm cấu tạocơ bản của cánh tay ngời cũng có thể hiểu tay máy là tập hợp các bộ phận và cơcấu cơ khí đợc thiết kế để hình thành các khối có chuyển động tơng đối với nhau,

đợc gọi là các khâu động Trong đó, phần liên kết giữa các khâu động đợc gọi làcác khớp động hay còn gọi là các trục Tay máy cũng bao gồm cả các cơ cấu tác

động là các phần tử thực hiện các chuyển động để vận hành tay máy nh động cơ

điện, xylanh, dầu ép, xylanh khi nén vv… phần quan trọng khác trên các tay máy

là bộ phận hay khâu tác động cuối để thao tác trên đối tợng làm việc – thờng làcác tay gắp hoặc các đầu công cụ chuyên dùng khác

Tay máy hay có thể là cánh tay cơ khí của rôbôt công nghiệp thông thờng làchuỗi động hở đợc tạo thành từ nhiều khâu đợc liên kết với nhau nhờ các khớp

động, khâu cuối (hay khâu tác động cuối) của tay máy thờng có dạng một tay gắphoặc gắn dụng cụ thao tác mỗi khâu động trên tay máy có nguồn dẫn động riêngnăng lợng và chuyển động truyền đến cho chúng đợc điều khiển trên cơ sở tín hiệunhận đợc từ bộ phận phản hồi là các biến nhằm thông báo trạng thái hoạt động củatrạng thái khâu chấp hành, trong đố vấn đề đợc đặc biệt quan tâm là vị trí và tốc

độ dịch chuyển của khâu cuối – khâu thể hiện kết quả tổng hợp các chuyển độngcủa các khâu thành phần

2.1.1 Bậc tự do của tay máy.

Thông thờng các tay máy có trên một bậc tự do, số bậc tự do hay bậcchuyển động của tay máy là khả năng chuyển động độc lập của nó trong khônggian hoạt động Trong lĩnh vực rôbôt học (robotics) ngời ta gọi mỗi khả năngchuyển động (có thể là chuyển động thẳng, dọc theo trục song song với một trụckhác hoặc chuyển động quay quanh trục là một trục tơng ứng theo một trục là mộttoạ độ suy rộng dùng để xác định vị trí của trục trong không gian hoạt động Mỗitrục của tay máy đều có cơ cấu tác động và cảm biến vị trí đợc điều khiển bởi một

bộ xử lý riêng

Thông qua các khảo sát thực tế, ngời ta nhận thấy là để nâng cao độ linh hoạtcủa tay máy sử dụng trong công nghiệp, các tay máy phải có bậc chuyển độngcao Tuy nhiên, số bậc chuyển động này không không nên quá sáu, lý do chính làvới sáu bậc chuyển động, nếu bố trí hợp lý,sẽ đủ rể tạo ra khả năng chuyển độnglinh hoạt của khâu tác động cuối nhằm có thể tiếp cận đối tợng thao tác (nằmtrong vùng không gian công tác của nó) theo mọi hớng Ngoài ra, số bậc tự donhiều hơn sáu sẽ không kinh tế và khó điều khiển hơn Sáu bậc chuyển động sẽ đ-

ợc bố trí gồm:

Ba bậc chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị

Ba bậc chuyển động bổ sung hay chuyển động địng hớng

Ba bậc chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị

Về mặt nguyên lý cấu tạo, tay máy là một tập hợp các khâu đ ợc liên kết với nhauthông qua các khớp động để hình thành một chuỗi động hở Khớp động đợc sửdụng trên các tay máy thờng là các khớp loại 5 (khớp tịnh tiến hoặc khớp quayloại 5) để dễ chế tạo, dễ dẫn động bằng nguồn độc lập và cũng dễ điều khiển Taymáy có số chuyển động độc lập thờng là từ 3 trở lên

Trờng hợp mỗi khâu động trên tay máy có một khả năng chuyển động tịnhtiến hoặc chuyển động quay Mỗi khâu động trên tay máy, về nguyên tắc, có ítnhất là khả năng chuyển động thờng là từ một trở lên Nh vậy khả năng bậc tự dohay bậc chuyển động cũng chính là khả năng chuyển động độc lập mà một taymáy có thể thực hiện đợc

Trờng hợp mỗi khâu động trên tay máy có một khả năng chuyển động độclập, thì tay máy có bao nhiêu khâu động sẽ có bấy nhiêu bậc chuyển động và cũng

có từng ấy khớp động hay trục Các chuyển động cơ bản, hay chuyển động trênmột tay máy là những chuyển động có ảnh hởng quyết định đến dạng hình họckhông gian hoạt động của nó Các chuyển động này thực hiện việc kẹp hoặc súng

phun sơn, phun vữa, hoặc ống dẫn dây hàn vv… có đủ độ linh hoạt trongchuyển động để đảm bảo khả năng hoàn thành nhiệm vụ công nghệ đặt ra Đểhoàn toàn định hớng tới t thế làm việc với đối tợng thao tác cũng cần tới tối thiểu

ba bậc chuyển động, tơng tự nh các chuyển động xoay của cổ tay ngời ba khớpquay loại năm đợc sử dụng để xoay khâu tác động cuối Trong mặt phẳng ngang,mặt phẳng đứng và quay xung quanh trục của nó

Lu ý; ở đây thêm nhiều bậc tự do ngoài việc làm tăng khả năng linh hoạtcho tay máy thì làm tăng sai số dịch chuyển nghĩa là làm tăng sai số tích luỹ trong

điều khiển vị trí của khâu tác động cuối dẫn đến gia tăng, chi phí và thời gian sảnxuất và bảo dỡng rôbôt

2.1.2 Tay máy toạ độ vuông góc.

ứng dụng chính của loại này là các rôbôt vận chuyển vật liệu,sản phẩm đúc,dập, chất dỡ hàng hoá, lắp ráp các chi tiết máy

u điểm:

Không gian làm việc rộng lớn có thể dài tới 20m

Đối với loại gắn trên trần sẽ dành đợc diện tích sàn lớn cho việc khác

Hệ thống điều khiển đơn giản

Hạn chế:

Việc thêm vào các cần trục hay các loại thiết bị vận chuyển khác nhautrong không gian làm việc của rôbôt không đợc thích hợp cho lắm Việc duy trì vịtrí của các cơ cấu truyền động và các thiết bị điều khiển điện đối với loại rôbôttrên đều gặp nhiều trở ngại

2.1.3: Tay máy toạ độ trụ

Trong 3 chuyển động chính, rôbôt đợc trang bị rôbôt đợc trang bị 2 chuyển

động tịnh tiến và môt chuyển động quay

*u điểm

Có khả năng chuyển động nhanh và sâu vào trong các máy sản xuất

Cấu trúc theo chiều dọc của máy để lại nhiều khoảng trống cho sản phẩm.Kết cấu vững chắc có khả năng mang tải lớn

Khả năng lặp lại lớn

*Nhợc điểm

Nhợc điểm duy nhất là giới hạn tiến về phía trái và phải do kết cấu cơ khí

và giới hạn các kích cỡ của cơ cấu tác động theo chiều ngang

2.1.4: Tay máy toạ độ cầu:

Rôbôt loại này đợc bố trí ít nhất 2 chuyển động quay trong 3 chuyển động

định vị dạng rôbôt này là dạng điều khiển servo sớm nhất

2.1.5 Tay máy toàn khớp bản lề và SCARA.

Loại cấu hình dễ thực hiện nhất đợc ứng dụng cho rôbôt là dạng khớp nốibản lề và kế đó là dạng 3 trục thẳng đứng, gọi tắt là dạng SCARA Dạng này vàdạng toạ độ trụ phổ cập nhất trong ứng dụng công nghiệp bởi vì chúng cho phépcác nhà sản xuất rôbôt sở dụng một cách trực tiếp và dễ dàng các cơ cấu tác độngquay nh các động cơ điện, động cơ dầu ép, khí nén

Hình 11: sơ đồ động học , không gian hoạt động, nguyên lý làm việccủa các dạng rôbôt

robot toạ độ cầu

robot dạng SCARA robot toạ độ trụ

robot toạ độ vuông góc

robot liên kết bản lề

định vị, tay máy sẽ đợc bổ sung tối đa là ba bậc chuyển động định hớng dạng 3chuyển động quay quanh 3 trục vuông góc gồm :

Chuyển động xoay cổ tay, góc quay

Chuyển động gập cổ tay, canh tay  (PITCH)

Chuyển động lắc cổ tay, góc quay  (YAW)

Hai chuyển động gập (PITCH) và lắc cổ tay(YAW) thực hiện trên hai

ph-ơng vuông góc Loại rôbôt SCARA không cần phải bổ xung các chuyển động nàyvì điều đó sẽ phá vỡ đặc trng hoạt động của nó Tùy theo yêu cầu của thao táccông nghiệp đặt ra cho rôbôt, ngời thiết kế cần thực hiện sự phối hợp đa dạng cácchuyển động định vị với các chuyển động định hớng

Chuyển động lắp ghép, kẹp của khâu công tác cuối thờng không đợc tínhvào lực chuyển động (hay bậc tự do) của rôbôt ngoại trừ trờng hợp tay gắp códạng tay gắp servo đợc điều khiển bởi một mạch riêng trên bộ điều khiển.(hình2.15)

2.1.7 Các chế độ hoạt động của tay máy và rôbôt công nghiệp:

Rôbôt công nghiệp thờng có hai chế độ hoạt động:

1) Chế độ huấn luyện: ( teaching mode)

Chế độ này còn gọi là chế độ lập trình, ở chế độ hoạt động này chơng trìnhthao tác của rôbôt sẽ đợc ngời sử dụng " ớc định" bằng những bớc chơng trình, cónghĩa là mỗi bớc chơng trình sẽ đợc nhập vào bộ điều khiển bằng những công cụkhác nhau đợc trang bị kèm theo nh panen lập trình và điều khiển (teath pendant),

bộ mô phỏng (simualator hoặc makette) hoặc bàn phím trong trờng hợp điều khiểntrực tiếp bằng máy tính Trong một số trờng hợp khi kích thớc và trọng lợng kíchthớc tay máy khá bé, có thể sử dụng ngay cả cách thức dùng tay gắp trực tiếp cáckhâu của tay máy để đa khâu tác động cuối tuần tự qua các điểm trên quỹ đạo dựkiến ở mỗi bớc chơng trình, tọa độ các khâu sẽ đợc lu lại nhằm cho phép lậpthành 1 tập hợp các bớc tuần tự để đa tay gắp hay dụng cụ công nghệ gắn trênkhâu tác động cuối của tay máy di chuyển trên quỹ đạo dự kiến Toàn bộ trình tựcác bớc thao tác đó đợc lu lại trong bộ nhớ, sau đó cho tay máy hoạt động lại toàn

bộ của chu trình thao tác để kiểm tra Trờng hợp cần điều chỉnh chơng trình hoạt

động có thể thay đổi các bớc của chơng trình, chèn thêm hoặc bớt đi các chơngtrình cho đến khi đạt yêu cầu về quỹ đạo và tốc độ dịch chuyển đặt ra

2) Chế độ tự động:

Chế độ này còn gọi là chế độ thực hiện thao tác công nghệ, ở chế độ nàykhi có tín hiệu khởi động dựa theo dữ liệu chơng trình gồm các bớc tuần tự lutrong bộ nhớ đã đợc thiết lập trong chế độ huấn luyện, tay may sẽ "tự động" thựchiện chơng trình quỹ đạo

Chơng iii:

Cơ sở lựa chọn rôbôt

Chơng này sẽ khái quát kết cấu cơ khí điển hình của tay máy Nó nhằm tạocho ngời sử dụng rôbôt một cơ sở thực tiễn để chọn mua loại rôbôt phù hợp vớiyêu cầu của công nghệ và đặc điểm sử dụng Đồng thời, đây cũng là tài liệu thamkhảo cho ngời thiết kế tổ hợp rôbôt

3.1) Các thông số kỹ thuật của rôbôt công nghiệp

RBCN rất đa dạng về kết cấu và tính năng, đợc đánh giá bằng các thông số kỹthuật rất khác nhau Tuy nhiên có những thông số kỹ thuật chung cho hầu hếtrôbôt Dựa vào những thông số kỹ thuật chung đó, ngời ta thống nhất hoá và tiêuchuẩn hoá kết cấu tính năng của rôbôt Ngời dùng có kinh nghiệm không bao giờ

cố chọn rôbôt có tính năng kỹ thuật tốt nhất mà biết chọn các thông số u tiên thoảmãn yêu cầu của công việc với chi phí thấp nhất: Ví dụ, với một rôbôt vận chuyểnthì 3 bậc tự do có thể là đủ nhng rôbôt phun sơn thì cần 6 bậc tự do Rôbôt lắp ráphoặc rôbôt phục vụ máy công cụ thờng phải có độ chính xác định vị cao còn phunsơn thì không cần Trên rôbôt hàn điểm có thể chọn kiểu điều khiển điểm- điểmcho rẻ còn trên rôbôt hàn hồ quang thì nhất thiết phải dùng điều khiển đờng…Mụcnày nói về khái niệm và hớng lựa chọn một số thông số kỹ thuật chính

3.1.1 Sức nâng của tay máy:

Đó là khối lợng lớn nhất của vật mà rôbôt có thể nâng đợc( không kể khốilợng của tay máy) trong điều kiện nhất định, ví dụ khi tốc độ chuyển dịch cao nhấthoặc khi tay với dài nhất Nếu rôbôt có nhiều tay thì đó là sức nâng tổng thể củatay máy Thông số này quan trọng đối với các rôbôt vận chuyển, xếp dỡ, lắp ráp…

Sự tham khảo các tài liệu kỹ thuật hiện nay của rôbôt cho thấy dải sức nângcủa tay máy thay đổi rất rộng từ 0,1 đến hàng nghìn kg Các rôbôt có sức nâng lớnthờng dùng hệ truyền động thuỷ lực và điện, trong đó tỷ lệ dùng động cơ điệnngày càng tăng Truyền động khí nén đến nay vẫn cha đợc dùng nhiều trên rôbôtnhng chủ yếu với các rôbôt có sức nâng dới 40 kg.

Đối với một số kiểu rôbôt ngoài sức nâng ngời ta còn quan tâm đến lựcmômen lớn nhất mà cánh tay hoặc bàn tay có thể sinh ra

3.1.2 Số bậc tự do của phần công tác:

Đó là tổng số các toạ độ mà phần công tác có thể dịch chuyển so với thânrôbôt Số bậc tự do càng lớn thì hoạt động của rôbôt càng linh hoạt nhng điềukhiển nó càng phức tạp

Trong cơ học đã có công thức tính bậc tự do DOF của một chuỗi động học

Một thông số khác đến vùng công tác của tay máy là tầm với của cánh tay.Tầm với sẽ gây nên sự mất ổn định của tay máy khi làm việc Sự phân bố củarôbôt theo phần công tác và theo tầm với đợc thể hiện theo biểu đồ hình 5.4

3.1.4: Độ chính xác định vị.

Độ chính xác định vị đợc thể hiện khả năng đối tợng đạt đợc chính xác tới

điểm đích Đó là 1 thông số rất quan trọng, ảnh hởng tới sự thao tác chính xác củaphần công tác và khả năng bám quỹ đạo của nó

Đối với thiết bị điều khiển số, độ chính xác định vị liên quan đến hai thông

số là độ phân giải điều khiển và độ lặp lại

Tuỳ theo yêu cầu công nghệ, ngời ta dùng rôbôt có độ chính xác định vịtrong khoảng (0,055)mm Hình 5.5 q2 cho thấy 70% số rôbôt có sai số định

vị không quá 10m Với khả năng của máy tính và các thiết bị điều khiển hiệnnay thì việc giảm sai số định vị xuống còn 0,05mm là không ảnh hởng tới vấn đềkinh tế và kỹ thuật

3.1.5: Tốc độ dịch chuyển.

Xét về năng suất, ngời ta mong muốn tốc độ dịch chuyển (thẳng hoặc góc)của phần công tác hoặc của từng khâu càng cao càng tốt Tuy nhiên, xét về mặt cơhọc, tốc độ cao sẽ dẫn đến những vấn đề nh giảm tính ổn định, lực quán tính lớn,

Các bộ điều khiển và hệ thống chấp hành hiện đại cho phép nâng tốc độ

điều khiển tới hàng trăm met trên phút nhng theo biểu đồ hình 5.6 q2 cho thấyphần lớn rôbôt có tốc độ dịch chuyển tối đa trong khoảng 100  1000 mm/s (6

60 m/p)

3.1.6: Đặc tính của hệ điều khiển

Hệ điều khiển ảnh hởng rất lớn tới tính năng của rôbôt Khi chọn hệ điềukhiển, ngời ta quan tâm tới các khía cạnh sau

3.1.6.1: Kiểu điều khiển.

Có hai kiểu điều khiển hay dùng nhất cho rôbôt công nghiệp đó là điềukhiển điểm - điểm và điều khiển contour Điều khiển đợc dùng cho các rôbôt hàn

điểm, tán đinh, vận chuyển… Điều khiển contour vạn năng hơn song trớc đây ítdùng hơn vì phải sử dụng hệ thống điều khiển phức tạp và đắt tiền Ngày nay, nhờ

sự phát triển của kỹ thuật điều khiển số còn có sự trợ giúp của máy tính, nó đợcdùng ngày càng phổ biến

3.1.6.2: Bộ nhớ.

Bộ nhớ trên rôbôt hiện đại thờng đợc chia làm hai loại: bộ nhớ hệ thống và bộnhớ chơng trình Bộ nhớ hệ thống lu trữ các phần mềm hệ thống, phần mềm côngdụng chung nh hệ điều hành dữ liệu máy, các môdul chơng trình tính toán độnghọc, động lực học Bộ nhớ chơng trình để lu trữ các chơng trình ứng dụng của ngờidùng và các dữ liệu liên quan Thờng thì bộ nhớ chơng trình là RAM, có dung l-ợng hạn chế nên dung lợng của bộ nhớ chơng trình một thông số kỹ thuật đángquan tâm Nó có thể đợc tính bằng số KB hoặc số từ, số câu lệnh

3.1.6.3 Giao diện với thiết bị ngoại vi.

Các thiết bị ngoại vi có thể là thiết bị công nghệ mà rôbôt phải phục vụ hay cùnglàm việc nh máy công cụ, phơng tiện vận chuyển, thiết bị đo…hoặc các thiết bị lutrữ, hiển thị, in ấn Phần lớn các rôbôt phục vụ trong dây truyền sản xuất có khảnăng nối ghép trong hệ CIM thông qua dao diện và mạng truyền thông chuẩn

3.1.6.4: Các tiện ích.

Đối với các thiết bị đợc điều khiển bằng máy tính thì các tiện ích là rất quantrọng Đó là tiện ích lập trình có trợ giúp đồ họa, hệ thống dạng (teach-in) môphỏng…

Bộ thông số kỹ thuật chính của các rôbôt thơng mại thơng đợc các nhà chếtạo cung cấp các catolog Trong một sổ tay cũng có các bản thống kê về thông số

kỹ thuật của các rôbôt do các hãng lớn trên thế giới sản xuất

3.2: Thiết kế và tổ hợp rôbôt

3.2.1: Các nguyên tắc chung.

Về cơ bản thiết kế rôbôt cũng tuân theo những quy tăc chung của việc thiết kếmáy Chúng ta sẽ áp dụng các nguyên tắc đó vào đối tợng cụ thể là rôbôt.

3.2.1.1: Đảm bảo sự đồng bộ hệ thống.

Rôbôt phải làm việc trong hệ thống công nghiệp cùng với các thiết bị khác nênchúng phải phối hợp nhịp nhàng với nhau Ví dụ rôbôt phục vụ cho máy công cụkhi nhận đợc tín hiệu gia công xong chi tiết phải tác động mở kẹp, nhặt chi tiết bỏlên băng tải, nhặt phôi từ băng tải khác đặt vào cơ cấu kẹp, kẹp phôi, lùi ra khỏivùng gia công, phát tín hiệu kẹp xong để cho phép máy công cụ làm việc Nh vậy,trạng thái làm việc của máy, rôbôt, các băng tải phải đợc thờng xuyên giám sát,

điều khiển đồng bộ với nhau, sự trục trặc trong phối hợp sẽ gây ra rối loạn và nguyhiểm

3.2.1.2: Xuất phát từ nhu cầu công nghệ.

Mỗi rôbôt đều đợc thiết kế và chế tạo để trực tiếp thực hiện hoặc phục vụ mộtquá trình sản xuất cụ thể, vì vậy các thông số kỹ thuật của rôbôt phải đáp ứngnguyên công công nghệ Ví dụ, rôbôt hàn hồ quang phải có khu di chuyển que hàntheo đờng hàn định trớc; có tốc độ di chuyển của phần công tác (kẹp que hàn )phải phù hợp với chế độ hàn; có khả năng tự điều chỉnh để duy trì khoảng cách vàgóc nghiêng của que hàn so với bề mặt vật hàn, phải có cơ cấu tự động cặp quehàn, rôbôt lắp ráp phải có khả năng nắm đợc vật, di chuyển và đặt nó đúng chỗcần lắp và thực hiện các thao tác lắp chúng cần độ chính xác và độ định vị caohoặc trang bị hệ điều khiển thích nghi để thích nghi nhận biết vị trí của vật lắphoặc lựa chọn nó theo tình huống

3.2.1.3: Chọn kết cấu điển hình.

Kế thừa kết cấu là nguyên tắc cơ bản của thiết kế máy Khi thiết kế máy dù cố ýhay không, ít hay nhiều, ngời thiết cũng phải cần kế thừa kết cấu nào đó Điểnhình hoá kết cấu là sự kế thừa kết cấu một cách có ý thức, và có tổ chức bằng cách

hệ thống hoá kết cấu, tổ chức kết cấu thành các nhóm điển hình Công việc củangời thiết kế là chọn kết cấu điển hình Hiệu chỉnh nó nêú cần và tổ hợp nó vào hệthống Sử dụng kết cấu điển hình làm cho quá trình thiết kế và chế tạo đợc đơngiản, nhanh tróng chất lợng và rẻ tiền Thiết kế rôbôt theo phơng pháp tổ hợpmôdul là dạng cao nhất của điển hình hoá kết cấu

3.1.2.4: Đảm bảo sự hoà hợp giữa rôbôt và môi tr ờng.

Nguyên tắc này đảm bảo sự làm việc có hiệu quả, tin cậy, an toàn bền lâu củarôbôt Nó tính đến nhiệt độ môi trờng, độ ẩm, lợng khí hoặc chất gây hại, mức độbụi, mức độ dung động…Có hai biện pháp đảm bảo sự hoà hợp giữa rôbôt với môitrờng Biện pháp thứ nhất là đảm bảo môi trờng, nh điều hoà không khí, lọc bụi,lọc độc, cách li chống dung Biện pháp này có hiệu quả khi phạm vi của rôbôtrộng ví dụ nh trong phân xởng, hầm mỏ…khi đó ngời ta dùng biện pháp thứ hai làbảo vệ rôbôt hoặc các bộ phận của nó khỏi tác động có hại của môi trờng ví dụbao kín các khối điều khiển, làm mát cục bộ các bộ phận phát nhiệt hoặc tăng khảnăng chịu nhiệt của chúng Nhiều khi phối hợp các biện pháp có thể mang lại hiệuquả

3.1.2.5: Sự hoà hợp giữa rôbôt và ng ời dùng.

Đó là tính đến sự tác động của thiết bị đến tâm lý, sinh lý của ng ời dùng Ngàynay ngời ta hay nói đến quan hệ "thân thiện" giữa máy móc với ngời dùng Nó làkết hợp giữa các ngành khoa học, sự hài hoà đó thể hiện ở hình dạng kích th ớc, vị

trí, mầu sắc, âm thanh…mà con ngời cảm nhận khi tiếp xúc với thiết bị Có mộtngành khoa học nghiên cứu về các giải pháp thiết kế sự hoà hợp giữa máy móc vàcon ngời gọi là Ergonomics Đặc tính thể hiện tính phù hợp giữa thiết bị và conngời đợc gọi là tính ergonomics.

3.2.1.6: Thiết kế có định h ớng sản xuất.

Nguyên tắc này nói về tính công nghệ của kết cấu Định hớng của nó làthiết kế ra kết cấu sao cho việc chế tạo nó đợc rễ ràng nhất, rẻ tiền nhất Chỉ tiêucủa tính công nghệ là kinh tế nhng biểu hiện của nó rất khác nhau Tuỳ thuộc điềukiện sản xuất cụ thể, chính vì thế nguyên tắc này còn có tên là thiết kế định hớngphân xởng

3.2.2: Các công việc phải tiến hành khi thiết kế rôbôt.

Rôbôt là thiết bị rất phức tạp nên thiết kế và chế tạo nó là công việc có tầm cỡquốc gia của các ngành hoặc các hãng công nghiệp lớn Riêng việc thiết kế rôbôt

đòi hỏi công việc rất lớn, đa dạng của các tập thể cán bộ thiết kế có trình độchuyên môn cao Thờng các tập thể đó đợc lãnh đạo bởi các công trình s chịutrách nhiệm thiết kế và điều hành chung và các nhóm cán bộ thiết kế chuyênngành, phụ trách hệ thống riêng biệt nh cơ khí, thuỷ khí, khí nén điều khiển vàtruyền động điện… Trong bối cảnh giao lu kỹ thuật và kinh tế mang tính toàn cầu

nh hiện nay, không mấy khi ngời ta thiết kế và chế tạo các thiết bị từ A đến Z Tuynhiên để hình dung một cách tổng quát về quát trình thiết kế rôbôt chúng ta cầnlàm những việc sau:

1) Phân tích quá trình công nghệ để xác định khâu nào cần sử dụng rôbôt,chú ý đặc biệt các khâu phải sử dụng lao động chân tay hoặc điều kiện lao độngkhắc nghiệt Sơ bộ đánh giá khả năng và hiệu quả của việc sử dụng rôbôt vào cáckhâu đó

2) Nghiên cứu các thông số kết cấu của đối tợng dự định sẽ xử lý bằngrôbôt nh hình dạng, kích thớc, khối lợng, trạng thái vật lý (cứng, mềm, lỏng…) sựphân bố khối lợng của tải trọng

3) Nghiên cứu điều kiện môi trờng sử dụng rôbôt nh nhiệt độ, bụi, rung

động, khả năng gây cháy nổ

4) Xác định các thông số kỹ thuật chính của rôbôt theo yêu cầu công nghệ

Từ đó tính toán các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, lựa chọn phơng án thiết kế thíchhợp về mặt kỹ thuật và kinh tế

5) Phân chia kết cấu thành các cụm cơ cấu chính xác cụm nào có sẵn trênthị trờng, có thể mua đợc, cụm nào có thể sử dụng thiết kế đã có, cụm nào phảithiết kế hoàn toàn Phân chia nhiệm vụ thiết kế các cụm cho các cán bộ thiết kếchuyên ngành

6) Tổ hợp hệ thống, thử nghiệm trên mô hình Trong giai đoạn này nên sửdụng kỹ thuật mô hình hoá trên máy tính để giảm chi phí và thời gian thử nghiệm

7) Chế độ thử nghiệm rôbôt trong phòng thiết kế và sản xuất

8) Đánh giá tính kết cấu và tính năng kỹ thuật, công nghệ chế tạo, kinh tế

Từ đó đề xuất các biện pháp hoàn thiện kết cấu và công nghệ chế tạo rôbôt

Trong mỗi bớc thiết kế cần chú ý tham khảo những mẫu rôbôt đã có hoặctìm mua các cụm chức năng tiêu chuẩn có sẵn trên thị trờng Cũng cần hết sứcquan tâm đến điều kiện chế tạo các cụm kết cấu mới Tuỳ tình hình cụ thể một sốbớc có thể là không cần thiết hoặc trình tự thực hiện chúng có thể thay đổi

3.2.3: Thiết kế rôbôt theo phơng pháp tổ hợp môdul.

Phơng pháp tổ hợp theo môdul đợc áp dụng trong thiết kế và sản xuất máymóc nói chung Phơng pháp này đặc biệt có hiệu quả đối với các sản phẩm thôngdụng nh ôtô, máy công cụ, rôbôt…bản chất của phơng pháp này là tổ hợp thiết bị

từ các cụm kết cấu có công dụng chung nh thân các cơ cấu phát và truyền lực,phần công tác, phần điều khiển chúng đợc nối ghép và truyền năng lợng hoặcthông tin cho nhau nhờ các chi tiết nối ghép nhanh Muốn thiết kế và sản xuấtrôbôt theo phơng pháp tổ hợp môdul thì cụm kết cấu phải đợc thống nhất hóa, tiêuchuẩn hóa

Phơng pháp tổ hợp môdul có các u điểm chính sau:

- Giảm thời gian thiết kế và chế tạo vì sử dụng các bản thiết kế hoặc cáccụm chế tạo có sẵn trên thị trờng Nhiệm vụ của ngời thiết kế mới chỉ là chọn tổhợp chúng theo yêu cầu thực tế và chế tạo bổ xung các chi tiết phụ

- Thỏa mãn các điều kiện làm việc tiêu chuẩn với kết cấu đơn giản, Sử dụng

đợc các giải pháp tối u, ít chạm phải các kết cấu và chức năng thừa Khi thay đổitheo yêu cầu công nghệ, ví dụ cải tạo dây chuyền sản xuất, không nhất thiết phảimua bán rôbôt mới mà có thể thay đổi bổ xung một số môdul làm việc của nó

- Nâng cao chất lợng và độ tin cậy của thiết bị vì các cụm tiêu chuẩn đợcchế tạo với chất lợng cao, đợc thử nghiệm tại các cơ sở chuyên môn hoá có kinhnghiệm đợc đầu t đầy đủ các thiết bị gia công và thử nghiệm chuyên dùng

- Giảm giá thành thiết bị vì các cụm đợc sản xuất với tính hàng loạt cao

- Vì các môdul của rôbôt đợc chuẩn hoá cao nên nhiều rôbôt sẽ đợc sử dụngchung một số ít môdul giống nhau nên dễ dàng trong việc bảo dỡng, bảo trì, sửachữa và thay thế chúng sau này

Nhợc điểm chính:

Nhợc điểm cơ bản của phơng pháp tổ hợp môdul là khó thoả mãn các yêucầu cá biệt Có một số trờng hợp làm cho thiết bị cồng kềnh, nặng nề, tính năng kỹthuật không hợp lý Mặt khác phải tốn kém rất nhiều cho việc thống nhất hoá, tiêuchuẩn hoá kết cấu

- Sự thống nhất hoá, tiêu chuẩn hoá kết cấu nhằm giảm số lợng chủng loạisản phẩm nên luôn mâu thuẫn với tính đa dạng trong kết cấu và sử dụng chúng.Mặt khác sự phát triển không ngừng trong thiết kế, công nghệ, vật liệu, kết cấu,luôn luôn có xu thế phá vỡ các tiêu chuẩn đã xây dựng Lựa chọn chỉ tiêu đã thốngnhất hoá và tiêu chuẩn hoá là việc khó khăn Đối với rôbôt, ngời ta chọn các chỉtiêu sau:

+) Theo tính năng: Ngời ta phân ra thành các "gam" về sức nâng, tốc độdịch chuyển, tầm với, độ chính xác, định vị…một số tính năng không thể thay đổi,một số khác có thể thay đổi đợc trong bộ gam Tơng tự ngời ta cũng phân nhómrôbôt theo điều khiển, ví dụ điều khiển điểm- điểm, điểm- đờng

+) Theo chức năng: Ngời ta thống nhất hoá, tiêu chuẩn hoá các cụm chứcnăng cơ bản, nh cụm chuyển động thẳng, động thẳng góc, phần công tác, hệ điềukhiển, hệ chấp hành, thiết bị đo Chúng ta có thể tìm thấy thông số kỹ thuật củacác cụm tiêu chuẩn trong các sổ tay Môt cụm chức năng phải có vai trò độc lậpnhất định, đồng thời phải có tính vạn năng Ví dụ, hệ điều khiển cần có khả nănglàm việc với hệ chấp hành điện cơ, thuỷ khí, khí nén, có thể nhận tín hiệu từ cácloại sensor khác nhau Tay có thể lắp và làm việc với các loại thiết bị kẹp khác

+) Theo công nghệ: Ngời ta thống nhất hoá và tiêu chuẩn hoá điều kiện sửdụng rôbôt ví dụ, rôbôt hàn, sơn, phục vụ dây chuyền sản xuất Một ví dụ điểnhình kết cấu tổ hợp môđun có thể thấy ở rôbôt MHU seuior, MHU junior của hãngElectrolux (Thụy Điển).

3.3: Một số kết cấu điển hình

Để minh hoạ các t tởng chung về thiết kế rôbôt đã trình bày ở trên, đồngthời giúp bạn đọc hình dung đợc phần nào về kết cấu của rôbôt, kế thừa có chọnlọc chúng khi cần phải thiết kế Phần này giới thiệu một số kết cấu điển hình củacác kết cấu rôbôt công nghiệp do các hãng khác nhau trên thế giới sản xuất

3.3.1: Rôbôt cố định trên nền dùng hệ toạ độ Đêcac và toạ độ trụ.

Đơn giản nhất thuộc nhóm này là rôbôt có cánh tay chuyển động trên trụdẫn hớng Côngxôn Một trong những đại diện của nhóm này là rôbôt Mp4 củaLiên Xô cũ Đó là loại rôbôt điện-cơ với sơ đồ động đợc biểu diễn trên hình 5.10q2 trang 111

Trong thân 1 của rôbôt chứa cơ cấu nâng tay quay và quay nó quanh 1 trụcthẳng đứng, chuyển động quay đợc phát động từ bộ động cơ giảm tốc 3 qua cặpbánh răng 4-5 Bánh răng 4 gắn liền với ống 6 và tang trống 7 Góc quay của tangtrống và của cánh tay đợc giám sát nhờ cặp sensor không tiếp xúc 8 Xilanh khínén 9 có tác dụng định vị chính xác vị trí góc của cánh tay Cơ cấu nâng cánh taygồm động cơ điện 18, bộ truyền trục vít-bánh vít 19 bánh răng 20, thanh răng găntrên ống 6, cánh tay đợc kẹp và lên xuống theo ống này Cánh tay của rôbôt duỗi

đợc nhờ động cơ 10, cặp bánh răng- thanh răng 11 Vị trí theo hớng kín của cánhtay đợc giám sát nhờ sensor không tiếp xúc và các "cờ" gắn trên các rãnh chữ Tcủa tấm 12 Điểm dừng chính xác của cánh tay đạt đợc nhờ xilanh khí nén 14.Rôbôt đợc trang bị bộ điều khiển chu trình

Với cơ cấu nâng cánh tay kiểu Côngxôn nh mô tả ở trên, khoảng cách dịchchuyển của cánh tay máy theo phơng thẳng đứng bị hạn chế bởi chiều dài dẫn h-ớng nhỏ Vì vậy nó đợc dùng trong các rôbôt nâng chuyển đơn giản, làm việctrong hệ tọa độ vùng góc hoặc tọa độ trụ, dùng chuyển động khí nén hoặc điện- cơ

và bộ điều khiển chu trình đơn giản

Để khắc phục khuyết điểm nâng cánh tay nói trên, cánh tay đợc gắn bàn

tr-ợt (hình 5.11q2 trang 113) Trụ dẫn hớng tựa hai đầu cho phép nâng chiều cao củavùng công tác tới 2m, tải trọng 11000kg, số bậc tự do 37 Rôbôt thuộc nhómnày đợc sản xuất hầu hết các nớc lớn trên thế giới Ví dụ của Nga là P-100C,Bulgari có P5-231, Ba lan có HM-3,MP3, Mỹ có họ rôbôt Versatrau Chúng dùng

hệ thống chuyển động cơ khí- thuỷ lực chuyển động quay quanh trục thẳng đứng

đợc thực hiện bởi hai xylanh thuỷ lực và truyền động xích Chuyển động thẳng

đứng của bàn trợt do các xylanh thuỷ lực đảm nhận Hệ truyền động cho bàn tay(quay, trợt, gắp và nhả vật) đợc đặt trong cánh tay tuỳ theo yêu cầu sử dụng,chúng có thể đợc trang bị các loại điều khiển khác nhau Loại đơn giản nhất chỉ lu

đợc 20 lệnh, loại hiện đại hơn có bộ nhớ trong mở rộng cho phép sử dụng chơngtrình con và và các chu trình chuẩn

Một dạng khác thuộc nhóm này là rôbôt có tay gắp Đó là sản phẩm củahãng Nagoyakiko, Tokyo keiki (Nhật) Trên hình (5.12 q2 trang114) là sơ đồ độnghọc của rôbôt MATBACiRB-10 do hãng Tokyo keiki sản xuất Trên thân 1 lắp các

hệ thống nâng hạ và quay giá cánh tay 33 Cánh tay gồm hai khâu 22 và 25 dài

nh nhau nối với nhau băng khớp trụ và truyền động qua nhau bằng xích Góc quaycủa khâu bị động 22 gấp đôi của khâu chủ động 25 để duy trì phơng chuyển độngngang của phần công tác Phơng nằm ngang của bàn tay đợc duy trì nhờ cơ cấubình hành các khâu 22, 25 và các thanh nối 21, 28 Trên đầu mút khâu 22 gắn giá

20 của cổ tay và bàn tay Động cơ thuỷ lực 15 quay cổ tay, động cơ thuỷ lực 19tạo chuyển động ra vào (kẹp, nhả) của ngón tay Chuyển động nâng hạ giá 33 do

động cơ thuỷ lực 34 đảm nhận Cơ cấu quay giá 33 gồm hai xylanh thuỷ lực và hai

bộ truyền xích 7 Xylanh thuỷ lực 35 thực hiện co duỗi cánh tay, các cảm biến12,32,37 dùng để giám sát vị trí bàn quay 10, cánh tay 25 và giá 33

Các rôbôt có thể đợc trang bị bộ điều khiển TKC-10 của hãng Keiki hoặcRC-7000 (Thuỵ điển) TKC-10 là bộ điều khiển vị trí dùng tín hiệu tơng tự Nó cóthể dùng đồng thời hai toạ độ RC-7000 là bộ điều khiển số, có thể điều khiển

đồng thời 7 toạ độ, bộ nhớ có thể chứa 250 -5000 câu lệnh Nó có 20 cổng vào ra

để nối ghép thiết bị ngoại vi

3.3.2: Rôbôt trên nền dùng toạ đô cầu.

Trong hệ toạ độ cầu, để dịch chuyển bàn tay theo phơng thẳng đứng cầnphối hợp 3 chuyển động: Tịnh tiến cẳng tay theo hớng kính R, quay cánh tayquanh khớp vai trong mặt phẳng thẳng đứng một góc  và chuyển động quay củacánh tay quanh khớp cổ tay để bù góc quay  Muốn chuyển động theo một quỹ

đạo bất kỳ thờng rôbôt phải có 5-6 bậc tự do Các rôbôt UNIMATE của hãngUnimation inc (Mỹ) là đại diện điển hình của loại rôbôt này Hãng sản xuất trên

10 mẫu cơ sở để thực hiện nhiệm vụ khác nhau trên dây truyền sản xuất Ngoài ranhiều nớc đã sản xuất rôbôt toạ độ cầu theo thiết kế của Unimation Trên hình ) làsơ đồ kết cấu của rôbôt Unimate Markii Nó có 5 bậc tự do, cánh tay đợc gắn trêntrụ 31, quay quanh trục thẳng đứng nhờ xylanh thuỷ lực 18 Xylanh thuỷ lực 17tạo nên chuyển động lắc (quay) của cánh tay quanh khớp vai Xylanh 30 tạochuyển động ra vào (hớng, kính) của cẳng tay Xylanh 14 tạo chuyển động quaycủa cổ tay quanh trục Chuyển động cổ tay trong mặt phẳng thẳng đứng do xylanh

và bộ truyền xích đặt trong ống cẳng tay thực hiện

Một phơng án kết cấu của rôbôt dùng toạ độ cầu là cánh tay Nhiều khâu u

điểm của kết cấu này là gọn, có vùng làm việc lớn Chúng thờng sử dụng trực tiếp

động cơ chuyển động quay nhng một số vẫn dùng động cơ chuyển động thẳngkem theo một số cơ cấu biến đổi chuyển động nh xích, thanh răng, đòn…để tạochuyển động quay của thanh bị dẫn Nhờ vậy bộ phận công tác vẫn giữ đợcchuyển động thẳng trong khi các khâu dẫn chuyển động quay Cơ cấu nh vậy đợcứng dụng trên rôbôt phun sơn COAT-A-MATiC của hãng Retab (Thuỵ điển) Sơ

đồ kết cấu trên hình (5.14 trang116 q2) Rôbôt có 6 bậc tự do, mâm 16 quayquanh trục thẳng đứng nhờ xylanh thuỷ lực 18 Cánh tay liên kết với mâm quaykhớp quay Xy lanh thuỷ lực 21 có 1 đầu gắn với mâm quay qua tấm nối 20, đầukia gắn với khâu 8 thông qua chạc 24 tạo chuyển động lăc l cho khâu 8 Chuyển

động quay của khâu 28 do xylanh 9 thực hiện Chuyển động lắc của cổ tay quanhhai trục vuông góc đợc thực hiện nhờ hai động cơ thuỷ lực quay 1 và3 Động cơthuỷ lực 6 quay giá quay kẹp súng phun sơn quanh trục còn lại Trạng thái của hệthống đợc giám sát nhờ các sensor kiểu triết áp 2, 4, 5, 7, 15 Trên rôbôt dùng bộ

điều khiển contuor, việc lập trình đợc thực hiện bằng phơng pháp dạy, nghĩa là

đ-ợc vận hành dịch chuyển đầu sơn theo toạ độ cầu, thiết bị điều khiển nhớ lại quỹ

đạo dới dạng chơng trình, lò xo 11 giữ vai trò cân bằng giúp cho việc dịch chuyển

đầu phun sơn bằng tay đợc dàng

và rôbôt chuyển động theo hai phơng

Rôbôt CM402.80.1 (liên xô) là đại diện điển hình của rôbôt kiểu palăng

Nó đợc thiết kế để phục vụ cho 60 kiểu máy gia công kim loại có trục chính nằmngang bố trí theo 1 băng hoặc hai hàng song song Sơ đồ động học của rôbôtCM402.80.1 đợc thể hiện trên hình 5.15 Cánh tay của rro đợc gắn trên một giá

có thể di chuyển trên ray trong khoảng 12m nhờ động cơ bớc thuỷ lực M1 Hộpgiảm tốc hai cấp và cơ cấu bánh răng-thanh răng Thanh răng đợc gắn trên thanhray 11 Khâu dẫn 3 và khâu bị dẫn 5 của cánh tay chuyển động nhờ các động cơ b-

ớc thuỷ lực có khuyếch đại thuỷ lực M2 và M3 Thông qua hộp giảm tốc một cấp

và cặp vít me-đai ốc 9-10 và 7-8 Đó là các chuyển động quay, lắc l quanh các trục

2 và 6 Trong các hộp giảm tốc có các ly hợp điện-từ EM1 và EM2 để phanh cáccơ cấu khi ngắt dòng điện cung cấp cho động cơ Đầu trục 4 với các xylanh thuỷlực XL1 tạo chuyển động quay của cổ tay

Rôbôt CM402.80.1 đợc trang bị bộ điều khiển YM-331 với dung lợng

bộ nhớ 0.5kb, lập trình bằng phơng pháp dạng

Rôbôt kiểu cẩu trục có tầm hoạt động, độ cứng vững và sức nâng cao hơnkiểu palăng Tuy nhiên kết cấu cồng kềnh và phải gắn liền với nhà xởng Để thêmmột chuyển động cho rôbôt cần trục cần bổ xung thêm hệ thống truyền động.Ngoài điều đó ra, kết cấu của phần tay máy không có gì khác kiểu palăng

3.3.4: Rôbôt có điều khiển thích nghi.

Rôbôt có điều khiển thích nghi (gọi là rôbôt thich nghi) là loại rôbôt có khảnăng tự phản ứng một cách có lợi trớc sự biến động không lờng trớc đợc của môitrờng Sự phản ứng đó dựa vào các thông số đo đợc của môi trờng, ví dụ nh vị trí,tính chất vật lý của đối tợng hoặc dựa vào trạng thái của các cơ cấu rôbôt Trongtrờng hợp này chơng trình điều khiển chỉ định hớng sơ bộ hoạt động của rôbôt.Chính nó sẽ tìm hiểu thu thập bổ xung và chính xác hoá hoạt động của mình trêncơ sở phân tích thực tế của môi trờng Nhờ khả năng thích ứng linh hoạt với môitrờng mà các rôbôt thích nghi làm đợc những việc mà rôbôt thờng không thể làm

đợc ví dụ nh tìm kiếm, nhận biết đối tợng, thay đổi lực kẹp, định vị hoặc định ớng chi tiết…Phần lớn rôbôt thông thờng có thể trở thành rôbôt thích nghi nếuthêm hệ thống sensor để thu nhận thông tin về môi trờng, chơng trình phân tíchthông tin thu đợc và ra quyết định theo chiến lợc nhất định

h-Hình 5.6 mô tả hoạt động của cơ cấu thích nghi trên rôbôt kiểu Hi-T-HandExpert-2 của hãng Hitachi (Nhật) Nó đợc dùng để nối hai chi tiết tròn xoay vớinhau (Hình 5.16a trang 118 q2) là sơ đồ chung của toàn hệ thống thiết bị lắp rápgồm rôbôt chính 4 có 3 bậc tự do, dùng toạ độ đêcác và 1 rôbôt phụ 7 có 1 bậc tự

do (quay quanh trục thẳng đứng) Hai máng 5 và 6 cung cấp hai chi tiết cần lắp cơ

cấu thích nghi đợc lắp trên tay 3 của rôbôt chính 4 qua lò xo phẳng dạng chữ thập

2 Trên lò xo có dán hệ tenzomet để xác định 3 thành phần X, Y, Z của lực tiếpxúc của hai chi tiết Tuỳ theo tỷ lệ các thành phần lực của chơng trình điều khiểnxác định phơng di chuyển của tay sao cho tâm trục trùng với tâm lỗ để có thể lồngchúng vào nhau (hình 5.16 b) Với cơ cấu này rôbôt có thể lắp khe hở khoảng20m

Hình 5.17 là sơ đồ kết cấu thích nghi, phối hợp giữa thiết bị quan sát quanghọc và hệ thống xúc tác cơ điện đợc lắp trên rôbôt ETL của Nhật Rôbôt có 6 bậc

tự do, trên các ngón tay có gắn các sensor xúc giác, làm việc ở chế độ 1- 0 để giúprôbôt tìm vị trí và hớng của các vật trong vùng công tác

Vị trí của các ngón tay khi tiếp xúc với vật đợc giám sát nhờ các sensor vịtrí đặt trên bàn tay, từ đó xác định kích thớc của vậy và thay đổi lực kẹp của ngóntay Hệ thống quan sát gồm các camera 1 và 3 cùng kính lọc mầu 2 để nhận biếthình dạng vi trí của các vật trên mặt bàn Các khối phân tích: 5 - mầu sắc; 6 - hìnhdạng; 7- vị trí; khối 8 tạo chơng trình điều khiển, khối 9 điều khiển chuyển độngcủa rôbôt, khối 10 điều khiển bàn tay theo tín hiệu xúc giác

3.4: cơ cấu tay kẹp

3.4.1: Khái niệm và phân loại tay kẹp.

Phần công tác của rôbôt rất đa dạng Trên các rôbôt chuyên dùng thì phầncông tác cũng la thiết bị chuyên dùng Ví dụ phần công tác của rôbôt phun sơn làsúng phun sơn, của rôbôt hàn là kìm kẹp dây Trên một loạt các rôbôt vạn năng,thờng là các rôbôt vận chuyển, lắp ráp, xếp dỡ…thì phần công tác có chức năngnắm giữ và thực hiện các thao tác khác nhau với đối tợng (xoay, lựa, đặt…) Bỏqua sự khác biệt về kết cấu, căn cứ vào chức năng chính của cơ cấu ta gọi tay kẹp.Mục này sẽ nói về cơ cấu

Các đối tợng mà rôbôt phải xử lý rất khác nhau về kích thớc hình dạng vàtính chất vật lý nên tay kẹp cũng hết sức đa dạng Yêu cầu cơ bản đối với tay kẹp

là làm việc tin cậy: bắt đúng đối tợng, giữ chắc… ng không làm hỏng đối tợng.nhNgoài ra nó còn gọn, nhẹ, tác động nhanh Tính vạn năng và gọn nhẹ luôn mâuthuẫn với nhau Một mặt ngời ta cố gắng mở rộng phạm vi hoạt động của từng taykẹp Mặt khác ngời ta tạo ra bộ các tay kẹp có tính năng khác nhau để dùng có thểchọn tay kẹp phù hợp nhất cho từng việc cụ thể

Tay kẹp đợc phân chia theo nhiều đặc trng khác nhau nh theo công dụng,theo phơng pháp giữ vật, theo tính vạn năng…Chúng ta quan tâm đến các đặc trngliên quan trực tiếp đến các cơ cấu nh sau

- Theo nguyên lý tác động có tay kẹp cơ khí, chân không, từ trờng tĩnh điện

- Theo khả năng điều khiển có tay kẹp không có điều khiển, điều khiểncứng, điều khiển thích nghi

- Theo nguồn năng lợng có các loại tay kẹp có dẫn động và không có dẫn

động

3.4.2: Kết cấu của tay kẹp

Do sự đa dạng về kết cấu của các tay kẹp, ở đây ta không thể mô tả hết cácdạng kết cấu của chúng mà chỉ nghiên cứu một số tay kẹp điển hình

3.4.2.1: Tay kẹp cơ khí:

Đó là loại tay kẹp để giữ, di chuyển đối tợng bằng các mỏ kẹp, móc, càng,tấm đỡ…

Tay kẹp không có điều khiển dùng các loại mỏ, nhíp, chấu…để kẹp vật nhờtác dụng của lò xo hoặc nhờ lực đàn hồi của chi tiết trong hệ thống (hình 5.18).Kết cấu của các tay kẹp này rất đơn giản Chúng không có nguồn dẫn động riêng,không có cơ cấu hãm nên lực kẹp dao động theo kích thớc của đối tợng Vì vậychúng thuộc loại tay kẹp chuyên dùng, đợc thiết kế cho từng loại đối tợng cụ thểvới phạm vi thay đổi kích thớc hẹp Do các điểm trên, chúng đợc trong sản xuấthàng khối.

Để đảm bảo sự làm việc tin cậy và ổn định ngay cả khi biến động kích thớccủa đối tợng, tay kẹp đợc bổ xung cơ cấu hãm Ví dụ nh cơ cấu trong hình 5.19.Nhờ cơ cấu hãm mà tay kẹp làm việc với hành trình kẹp, nhả một cách rành mặchhơn mặc dù vẫn không có nguồn dẫn động riêng

Tay kẹp trên hình 5.19 a đợc dùng với chi tiết tròn xoay Lực kẹp đợc tạo rakhi dới tác dụng của trọng lực, tấm nêm 4 tác dụng nên mặt phẳng nghiêng Trên

đuôi của mỏ kẹp 1 Khi đặt vật xuống, nêm 4 tiến gần đến vật, hai mỏ kẹp đợc giảiphóng nhả vật do lực kẹp của lò xo 13 Đáng chú ý ở đây là cơ cấu hãm nó gồmthân 7 gắn liền với cần 5, chốt hãm 10 gắn trên cần 12 nhng có thể quay tự trên

đó Trong lỗ của thân 7 có lồng ( không quay đợc) hai bạc 8 và 9 Bạc 8 có cácvấu phía dới, bạc 9 có các vấu cả trên và dới Mỗi lần ăn khớp và trợt tơng đối vớicác vấu ở trên chốt 10 sẽ làm quay chốt đó 450 Trong hành trình nhả, thân 7 tiếngần đến đầu 5, chốt 10 tiếp xúc với bạc 8, quay 450, khi đi xuống tiếp xúc với đầutrên của bạc 9 lại quay 450 và bị mắc trong lỗ Hai mỏ kẹp bị giữ ở trạng thái nhả.Trong hành trình kẹp, sau khi chốt 2 tiếp xúc với vật, đầu 3 và thân 7 tiến gần đếnnhau Chốt 10 tiếp xúc với bạc 8, bị quay 450 Khi đi xuống chốt 10 lại tiếp xúcvới bạc 9 , bị quay tiếp 450 nữa Kết quả là chốt lọt qua đợc rãnh và lọt khỏi lỗ.Các mỏ 1 đợc khoá lại ở trạng thái kẹp

Tay kẹp trên hình 5.19 b làm việc theo nguyên lý tơng tự nhng dùng để kẹpcác chi tiết dạng đĩa, bắnh răng, bạc…trong t thế thẳng đứng Hai loại trên đợcdùng trong sản xuất hàng khối, để nhấc các vật tròn xoay có khối lợng không quá

30 kg, kích thớc không đợc giao động quá 0.05mm Chúng đợc coi là tay kẹpphạm vi công tác cứng

Với nguyên lý làm việc nh hai loại trên, tay kẹp trong hình 5.19c trang 124q2 thuộc loại có phạm vi công tác hẹp, cho phép dao động kích thớc lớn hơn từ 1,5

đến 2 mm Nó kẹp vào mặt trụ trong của vật nhờ một dẫy bi 2 xếp theo vòng tròn.Mặt côn 1 có góc côn nhỏ hơn góc ma sát giữa các viên bi và vật liệu chi tiết (th -ờng 5-6 độ) tạo ra lực kẹp khi nhấc vật (chuyển động lên) và nhả vật (chuyển độngxuống)

Để tăng độ tin cậy kẹp và nhả, có lực kẹp lớn phạm vi công tác rộng ngời tadùng tay kẹp có dẫn động Nguồn động lực thờng là động cơ thuỷ lực hoặc khínén

Trên hình 5.20 q2 trang 124 là sơ đồ kết cấu tay kẹp có truyền động thuỷlực Hình 5.20 a là hai tay kẹp, dùng chung cụm cơ sở là xylanh thuỷ lực và haicàng dẫn động Mỏ kẹp có thể thay đợc vì vậy có thể kẹp vào mặt trong hoặc mặtngoài của chi tiết Kết cấu tay kẹp trên hình 5.20 b cho phép điều chỉnh khoảngcách giữa hai mỏ kẹp

Trên hình 5.21 q2 trang 125 là sơ đồ kết cấu các tay kẹp với truyền độngkhí nén Các tay kẹp kiểu a và b có mỏ kẹp thay đổi đợc để dùng với các bề mặt

khác nhau về hình dạng và kích thớc Tay kẹp kiểu c đợc sử dụng cơ cấu hình bìnhhành duy trì đợc độ song song giữa hai mỏ kẹp ngay cả khi độ mở trong phạm virộng.

Thay cho cơ cấu bằng càng, tay đòn…Trên nhiều tay kẹp ngời ta dùngthanh răng trong đó đuôi các mỏ kẹp có dạng quạt răng (hình 5.22 q2) u điểmchính của cơ cấu này là gọn, làm việc tin cậy Các sơ đồ trên hình vẽ cũng biểudiễn các dạng mỏ tự định tâm Chúng có thể làm việc ở hai vị trí, ví dụ vị trí kẹpphôi và vị trí đa phôi vào mâm của máy tiện Kết cấu cho phép định vị chi tiết tại 3

điểm Sự kết hợp giữa truyền động thanh răng với đòn cũng gặp trên nhiều kiểutay kẹp Khi đã có nguồn dẫn động riêng, các tay kẹp có thể đợc điều khiển từ ch-

ơng trình bằng các lệnh nhả, kẹp đơn giản hoặc có chu trình điều khiển phức tạphơn nh thay đổi khoảng công tác làm việc nhiều vị trí

3.4.2.2: Tay kẹp chân không và điện từ

Kết cấu của tay kẹp điện từ và chân không đợc thể hiện trên hình 5.23.Các tay kẹp kiểu này dùng lực hút (chân không hoặc từ lực) để nhấc và dichuyển đối tợng Trong một vài trờng hợp ngời ta còn dùng cả lực hút tĩnh điện u

điểm của loại này là có kết cấu đơn giản, có thể dùng với các bề mặt hay vật màtay kẹp cơ khí khó đáp ứng Ví dụ chi tiết phẳng, rộng nhng mỏng nh tấm tôn,giấy mỏng hình dạng chi tiết thay đổi ngẫu nhiên…Tuy có nhiều điểm giống nhau, cơ cấu kẹp điện từ và khí nén có những đặc điểm sử dụng khác nhau nh kê trongbảng 5.1 q2 trang 127

3.4.2.3:Tay kẹp dùng buồng đàn hồi.

Buồng đàn hồi thờng đợc làm bằng cao su, chất dẻo, lực kẹp sinh ra do sựbiến dạng của buồng đàn hồi dới tác dụng của khí nén hoặc thuỷ lực Trên hình5.24 q2 trang128 là sơ đồ các tay kẹp dùng buồng đàn hồi do hãng Simrit (Pháp)chế tạo Chi tiết có thể đợc định vị và kẹp tại mặt trụ trong mặt ngoài nhờ buồng

đàn hồi hình trụ (a) hoặc định vị nhờ khối v và kẹp nhờ vòng ôm đàn hồi (b)

3.4.2.4: Tay kẹp thích nghi.

Trên các tay kẹp kiểu này, ngời ta đặt các sensor để thu nhận thông tin về

sự tồn tại, vị trí, hình dáng, kích thớc, khối lợng, trạng thái bề mặt, mầu sắc…của

đối tợng để rôbôt tự động tìm cách xử lý thích hợp nh nhận hay không nhận, thay

đổi nơi chuyển đến, vị trí và lực kẹp Trên hình 5.25 a trang 128 q2 là sơ đồ taykẹp kiểu Authropomorphic (tay ngời) Tay kẹp có 3 ngón các đốt nối với nhau vànối với bàn tay bằng các chốt và có thể chuyển quay tơng đối với nhau 450 nhờcác động cơ điện một chiều Toàn bộ các ngón có 11 bậc tự do và phạm hoạt độnglớn hơn tay ngời cùng kích thớc Chuyển động quay quanh các khớp đợc giám sátbằng các sensor chuyển vị Lực kẹp đợc giám sát và điều chỉnh theo thông tin từcác sensor áp lực Bàn tay có khối lợng là 240g, sức nâng 0,5 kg Bàn tay trên hình5.25 (b) có 6 sensor xúc giác 3, kiểu Miccroswitch để nhận biết đối tợng khi chạmvào nó Phía trong, trên đầu các ngón và trên càng 1 giữa các ngón có 17 sensor áplực 2, 4, 6 kiểu biến trở Hai photodiode 5 trên đầu các ngón tay để định vị đối t-ợng và để "dẫn đờng" cho bàn tay tiếp cận tới nó Tay kẹp trên hình 5.25c có khảnăng tim, định tâm và kẹp chi tiết dạng bạc nó có sensor lực 2 lắp trên đầu dò 3.Trên đầu các ngón có các sensor đo xạ quang học 5 Đầu dò 3 sau khi chạm vào

đối tợng sẽ di chuyển tiếp xúc với mặt trụ của đối tợng Xác định tâm và chuyển

động tới tâm của nó Sau đó nhờ các sensor 5, mỏ kẹp đợc đa đến tiếp xúc với bềmặt kẹp chi tiết.

3.4.3: Phơng pháp tính toán tay kẹp

Khi tính toán cần tính lực kẹp cần thiết để nhấc và di chuyển đối tợng ,tínhlực hoặc công suất của cơ cấu dẫn động, kiểm nghiệm các chi tiết cơ cấu theo điềukiện bền, kiểm nghiệm khả năng phá hỏng bề mặt của đối tợng do tác dụng củalực kẹp,….Trong một số các trờng hợp, phải tính toán hình học để đảm bảo độchính xác định vị Về nguyên tắc trung ta có thể áp dụng các phơng pháp tính toáncơ học nh với mọi cơ cấu khác Phần này sẽ đề cập đến phơng pháp tính toán cácthông số đặc trng cho một số cơ cấu điển hình

3.4.3.1:Ttính toán tay kẹp cơ khí

-) Tính lực tiếp xúc:

Lực tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa các mỏ kẹp và đối tợng đợc xác địnhvới hai mục đích: đảm bảo đủ lực kẹp đồng thời không làm hỏng bề mặt đối tợng.Bảng 5.2 cho sơ đồ kẹp và công thức tính toán tơng ứng

-) Đối tợng đợc đỡ bởi cơ cấu kẹp (sơ đồ 1 và 4 ) và vậy lực ma sát ảnh ởng rất ít đến lực kẹp

h ) Đối tợng đợc giữ bởi cơ cấu hãm (sơ đồ 2 và 5), lực ma sát có ảnh hởngnhất định đến lực kẹp

-) Đối tợng đợc giữ nhờ ma sát (sơ đồ 3 và 6), vì vậy ảnh hởng của nó rấtlớn

Trên thực tế ngời ta áp dụng tổng hợp các phơng pháp kẹp Trong quá trìnhlàm việc ảnh hởng của các yếu tố luôn thay đổi nên khi tính toán phải xét đến tr-ờng hợp tới hạn

-) Tính dẫn động:

Trong một số trờng hợp nhất là khi kẹp nhờ lực ma sát thì ứng suất tiếp xúckhá lớn Điều đó có thể dẫn đến h hỏng bề mặt mỏ kẹp hoặc hoặc đối tợng nhất làcác chi tiết máy đã đợc gia công tinh Vì vậy điều kiện chung là ứng suất thực tếphải nhỏ hơn giá trị cho phép Công thức tính tiếp xúc cho các điều kiện thông th-ờng đợc cho trong bảng 5.4 trong đó giá trị  đơc cho trong bảng 5.5

3.4.3.2: Tính toán tay kẹp chân không và điện từ.

Công thức kiểm nghiệm lực kẹp cần thiết đợc cho trong bảng 5.6 dùng chocác trờng hợp chân không, điện từ, tĩnh điện lực P trong các công thức cho trờnghợp chân không và điện từ nh sau:

Pb : áp suất d trong buồng hút

Đối với hệ thống nối giữa buồng hút với bơm có gioăng kín khít thì áp suất

Pb đợc lấy bằng áp suất chân không của bơm Nếu không đạt đợc yêu cầu trên thì

có thể chọn:

Pa - Pb = (3,0 –3,5) N/cm2

in: sè ampe – cña cuén d©y nam ch©m

F: DiÖn tÝch tiÕp xóc gi÷a nam ch©m vµ vËt

Rk,Rl: Tõ trë cña khe hë kh«ng khÝ vµ cña lâi thÐp trong m¹ch tõ

NÕu trong vËt liÖu s¾t tõ cã chøa c¸c t¹p chÊt P, S, Ni…th× tõ trë t¨ng, lùckÑp bÞ gi¶m

nó phải có cấu tạo sao cho điểm mút của khâu cuối cùng đảm bảo dễ dàng dichuyển theo một quỹ đạo nào đó, đồng thời khâu này có một định hớng nhất địnhtheo yêu cầu Khâu cuối cùng thờng là bàn kẹp hoặc khâu gắn liền với dụng cụlàm việc Điểm mút của khâu cuối cùng là điểm đáng quan tâm nhất vì đó là điểmtác động của rôbôt lên đối tác và đợc gọi là “điểm tác động cuối” Chính ở điểmnày cần quan tâm không những vị trí nó chiếm trong không gian mà cả hớng tác

động của khâu cuối đó

Gắn vào “đỉêm tác động cuối”này một hệ toạ độ thứ u và gắn mỗi khâu

động một hệ toạ độ động khác, còn gắn liền giá đỡ với hệ tọa độ cố định Đánh số

kí hiệu các hệ tọa độ này từ 0 đến n bắt đầu từ giá cố định Khi khảo sát chuyển

động của rôbôt cần biết “định vị và định hớng”tại điểm tác động cuối trong mọithời điểm Nhiều khi lại cần biết cả vận tốc và gia tốc chuyển động của rôbôt tạithời điểm tác động cuối đó cũng nh tại thời điểm khác trên rôbôt đó là nội dungquan trọng của bài toán về động học rôbôt Các lời giải của bài toán này đợc xác

đối tác mà còn phải xác định hớng tác động của khâu cuối cùng đó

Nh vậy trạng thái của rôbôt tại “điểm tác động cuối” hoàn toàn xác địnhbằng sự định vị và định hớng tại điểm tác động cuối đó

Nh đã đề cập ở trên 3.14 biểu thị sự định vị và định hớng bằng ma trậntrạng thái cuối TE , ma trận này đợc viết nh sau:

z z z z

y y y y

x x x x

P w v u

P w v u

P w v u

Trong số các phần tử của ma trận SX1 là tọa độ Px Py Pz của “điểm tác độngcuối” (E), mỗi cột của ma trận quay 33 là một vectơ đơn vị chỉ phơng một trụccủa hệ tọa độ u v w biểu diễn trong hệ tọa độ chính XYZ

Hệ tọa độ động uvw gắn liền với khâu cuối cùng và có gốc là “điểm tác

động cuối” Nếu theo ký hiệu các tọa độ đợc xác định đánh số từ 0 đến n thì thayuvw bằng xu yu zu tơng ứng

Trong nhiều tài liệu kỹ thuật của nớc ngoài dùng cả ký hiệu hệ tọa độ này

là u, s, a các ký hiệu hệ tọa độ này là hoàn toàn tơng ứng với nhau và đợc để thíchhợp với hệ thống khi diễn đạt ở nơi đó

A - vectơ có hớng tiếp cận với đối tác

S - vectơ có hớng đờng trợt đóng mở bàn kẹp, có tài liệu còn gọi phơng nắm,bắt và ký hiệu là 0

z z z z

y y y y

x x x x

P a s n

P a s n

P a s n

Việc định hớng khâu cuối có thể thực hiện theo phép quay Roll – Pitch –Yaw hay một số phép quay khác Hình 4.2 trang 90 q3 biểu thị các góc quay Roll– Pitch – Yaw của bàn kẹp rôbôt

Bàn kẹp của rôbôt có thể tác động trực tiếp với đối tợng, ví dụ cầm, nắm

và di chuyển chúng Nhiều khi các dụng cụ thao tác lại đợc kẹp chặt trong bàn kẹphoặc gắn trực tiếp với cánh tay của rôbôt Lúc đó “điểm tác động cuối”đợc hiểu là

điểm đầu mút của dụng cụ Trên hình 4.3 mô tả hệ tọa độ xu yu zu gắn liền với

điểm đầu mút của dụng cụ, trong đó trục zu nằm theo phơng của dụng cụ

4.3: mô hình hoạt động của dụng cụ

4.3.1: Ma trận quan hệ.

Chọn hệ tọa độ cố định gắn liền với giá đỡ và hệ tọa độ động gắn với từngkhâu động Ký hiệu các hệ tọa độ này từ 0 đến u, kể từ giá cố định trở đi

Một điểm bất kỳ nào đó trong không gian đợc xác định trong hệ tọa độ thứ

i bằng bán kính vectơ ri và trong hệ tọa độ cố định x0 y0 z0 đợc xác định bằng bánkính vectơ r0:

Nh vậy, tích của các ma trận Ai là ma trận Ti mô tả vị trí và hớng của khâuthứ i so với giá cố định thờng ký hiệu ma trận T với 2 chỉ số trên và dới Chỉ số dớichỉ khâu đang xét còn chỉ số trên chỉ toạ độ đợc dùng để đối chiếu Ví dụ 4.7 cóthể viết lại là:

Ti = 0Ti = A1 Ti (4.8)

Với 1Ti = A2 A3…Ai (4.9)

Là ma trận mô tả vị trí và hớng của khâu thứ i so với khâu thứ nhất trong

ký hiệu thờng bỏ qua các chỉ số trên nếu chỉ số đó bằng 0

4.3.2: Bộ Thông Số DH.

Dới đây trình bầy cách xây dụng các hệ toạ độ với 2 khâu động liên tiếp i

và i+1 hình 4.4 tr92 quyển 3 là trờng hợp 2 khớp động liên tiếp là khớp quay.Hình 4.5 khớp i là khớp tịnh tiến

Trớc hết xác định bộ thông số cơ bản giữa 2 trục quay của khớp động i+1

và i

Ai là độ dài đờng vuông góc chung giữa 2 trục khớp động i+1 và i

i là góc chéo giữa 2 trục khớp động i+1 và i

di là khoảng cách đo dọc trục khớp động i từ đờng vuông góc chung giữatrục khớp động i+1 và trục khớp động i tới đờng vuông góc chung giữa khớp động

i và trục khớp i-1

i là góc giữa 2 trục vuông góc chung nói trên

Bộ thông số này đợc gọi là bộ thông số Denavit – Hartenberg, hoặc viếttắt là bộ thông số DH

Biến khớp:

Nếu khớp động i là khớp quay thì i là biến khớp

Nếu khớp động i là tịnh tiến thì di là biến khớp

Để ký hiệu biến khớp dùng thêm dấu * và trong trờng hợp khớp tinh tiến thì

ai đợc xem là bằng không

4.3.3: Thiết lập hệ toạ độ.

Gốc của hệ tọa độ gắn liền với khâu thứ i ( gọi là hệ tọa độ thứ i) đặt tạigiao điểm giữa đờng vuông góc chung ai và trục khớp động i+1 Trờng hợp 2 trụcgiao nhau thì gốc tọa độ lấy trùng giao điểm đó

Nếu 2 trục song song với nhau thì chọn gốc hệ tọa độ là điểm bất kỳ trêntrục khớp động i+1

Trục Zi của hệ tọa độ thứ i nằm dọc theo trục khớp động i+1

Trục Xi của hệ tọa độ thứ nằm dọc theo đờng vuông góc chung hớng từkhớp động i đến khớp động i+1

Trờng hợp 2 trục giao nhau hớng trục xi trùng với hớng vectơ tích Zi x Zi-1tức là vuông góc với mặt phẳng chứa Zi, Zi-1

VD: Xét 1 tay máy co 2 khâu phẳng nh hình 4.6 tr94 q3 Gắn các hệ tọa độvới các khâu nh trên hình 4.6

Trục Z0 ,Z1 ,Z2 vuông góc với mặt giấy

Hệ tọa độ cố định này là 00x0y0z0 chiều x0 hớng từ 00 đến 01

Hệ tọa độ 01x1y1z1 có gốc tọa độ 01 đặt tại tâm trục khớp động 2

Hệ tọa độ 02x2y2z2 có gốc tọa độ 02 đặt tại tâm trục khớp động cuối khâu 2Bảng thông số DH của tay máy nh sau:

Khâu i i ai di

-Quay quanh truc Zi-1 một góc i

- Tịnh tiến dọc trục Zi-1 một quãng di

-Tịnh tiến dọc trục Xi-1 ( đã trùng với x1) một đoạn ai

-Quay quanh trục Xi một góc ai

4 bớc biến đổi này đợc biểu diễn bằng tích các ma trận thuần nhất sau:

Ai = r(Z, i).Tp(0,0,di)Tp(ai, 0, 0)R(x, i) 4.10

Biểu thức 4.10 là quan hệ tọa độ i so với tọa độ i-1 và đợc gọi là mô hình

DH Cách tính lập mô hình động học theo kiểu mô hình DH tỏ ra thuận tiện

Trong khi giải quyết vấn đề cơ học robot, vì thế đợc dùng khá rộng rãi.Ngoài ra còn tồn tại một vài cách khác để thiết lập mô hình động học nhuniversal-model, s-model [26]

1 0 0

0 1 0

0 0 1

z y x

P P

P

= Tp (Px,Py,Pz)

Phép quay các trục tọa độ:

Quay quanh trục ox 1 góc 

0

0 cos sin

0

0 sin cos

0

0 0 0

0 cos 0 sin

0 0 1 0

0 sin 0 cos

0 1 0 0

0 0 cos sin

0 0 sin cos

0 0

i i

i

i i i i i

i i

i i i i i i i

d C

S

S S

C C

C S

C a C S C S C

Đối với khớp tịnh tiến ( a=0) thì ma trận Ai có dạng:

0 0

0

0 0

i i

i

i i i

i i

i i i i i

d C

S

S C C

C S

C S C S C

z z z z

y y y y

x x x x

P a s n

P a s n

P a s n

= Tn 4.15

Phơng trình 4.15 là phơng trình động học cơ bản của robot

4.4 Trình tự thiết lập hệ phơng trình động học của robot.

Để thiết lập hệ phơng trình động học của robot có thể tiến hành theo các bớc sau:

1 Xác định các hệ tọa độ:

Việc gắn hệ tọa độ với các khâu co vai trò rất quan trọng, Khi thiết lập hệphơng trình động học của robot Nguyên tắc chung đã trình bầy một cách tổngquát trong phần 4.3 trong thực tế các trục nối khớp động của robot thờng songsong hoặc vuông góc với nhau Tức là rơi vào các trờng hợp đặc biệt nên có thểgây nhầm lẫn Hơn nữa việc xác định các hệ tọa độ cần phải phù hợp với các phépbiến đổi của ma trận Ai để có thể sử dụng đợc bộ thông số DH Vì thế, trình tựxác định các hệ tọa độ cần lu ý các điểm sau:

- Trục Zi phải chọn cùng phơng với trục khớp động i+1

- Các hệ tọa độ phải tuân theo quy tắc bàn tay phải

- Khi gắn hệ tọa độ lên các khâu phải tuân theo các phép biến đổi của matrận Ai đó là 4 phép biến đổi:

Ai = r(Z, i).Tp(0,0,di)Tp(ai, 0, 0)R(x, i)

Nh vậy có thể xem hệ tọa độ thứ i+1 là do phép biến đổi từ hệ tọa độ thứ i Cácphép

quay R và tịnh tiến Tp trong các phép biến đổi này phải có mặt trong các phép biến

đổi của ma trận Ai Các thông số DH cung đợc xác định dựa vào các phép biến đổinày

VD: nếu việc gắn 1 hệ tọa độ nào đó mà gốc 0i đã tịnh tiến theo dọc trụcyi-1 một đoạn thì làm việc đó không đúng vì không có phép biến đổi Tp (0,y,0)trong ma trận Ai Tơng tự cũng không co phép quay quanh trục yi trong ma trậnAi

Việc gắn hệ tọa độ lên các khâu ở vị trí khi mà biến khớp có giá trị ban

Sau đây trình bầy chi tiết các bớc khi thiết lập hệ phơng trình động học của robot:

Ví dụ: Cho một robot có 3 khâu với cấu hình RRT nh hình 4.8 tr98q3 Hãy thiếtlập hệ phơng trình động học robot này

Giải:

1 Xác định hệ tọa độ

Đặt các trục tọa độ Zi(i=0,1,2,3) cùng phơng với với các trục khớp động nh trênhình 4 Trục Z xem nh đã quay di 900 so với trục Z0 Bớc quay này tơng ứng vớiphép quay R(x0,i) Trong biểu thức tính ma trận Ai Muốn vậy, trục x0 phải vuônggóc với Z0, Z1 chọn chiều của x0 từ trái sang phải để góc quay 1 = 90 (chiềuquay dơng là chiều quay ngợc kim đồng hồ)

Gốc O đã chọn xem nh là đã tịnh tiến dọc trục Z0 một đoạn d1 so với gốc O và

t-ơng ứng với phép biến đổi Tp ( 0,0,d1)

Các trục y0, và y1 xác định theo quy tắc bàn tay phải Nếu chọn trục Z2 nh hình4.9 tức là xem nh đã quay trục Z1 di một góc 90 quanh trục y, vì phép biến đổinày không có trong biểu thức tính Ai nên không dùng đợc và cần thay đổi vi trícủa khâu thứ 3 nh trên hình 4.10tr99q3 Tức là thay đổi vị trí ban đầu của robot đểlàm mốc tính toán

Theo hình 4.10 trục Z2 có phơng thẳng đứng ở vị trí này xem nh trục Z1 đã quayquanh trục x1 một góc 2 = -90 để thành Z2 nhng nếu vẫn đặt O2 tại vi trí cũ nhphơng án 1 trên hính 4.9 xem nh là đã tịnh tiến gốc tọa độ O1 đi một đoạn dọc trụci1, tức là thực hiện phép tịnh tiến Tp(0,y,0) Tuy nhiên phép tịnh tiến này không cótrong biểu thức Ai Do vậy phải chọn gốc tọa độ O2 trùng với gốc tọa độ O1, tức là

để độ tịnh tiến dọc theo trục y= 0

Đặt gốc O3 tại tâm bàn kẹp và chọn x3, z3 nh trên hình 4.10 Nh vậy là đã tịnhtiến gốc tọa độ dọc theo trục z2 một đoạn dz , tơng ứng với phép biến đổi Tp(0,0,dz)

0 1 0

0 0

0 0

1

1 1

1 1

d

C S

S C









0 0 1 0

0 0

0 0

2 2

2 2

S C

1 0 0

0 0 1 0

0 0 0 1

0 0 1 0

0 0

0 0

2 2

2 2

S C

1 0 0

0 0 1 0

0 0 0 1

0 0

0 0

1 0

0

0

3 2 2

2

3 2 2

2

d C C

S

d S S

0 1 0

0 0

0 0

1

1 1

1 1

d

C S

S C

0 0

0 0

1 0 0

0

3 2 2

2

3 2 2

2

d C C

S

d S S

0 0

0

1

3 2 1 2

1 1

1 1

3 2 1 2

1 1

2 1

d d C S

d S S S

S C

C S

d S C S

C S

C C

z z z z

y y y y

x x x x

P a s n

P a s n

P a s n

Từ 4.7 lập biểu thức T6 đối với trờng hợp n=6 là trờng hợp thờng gặp

T6 là mô tả vị trí và hớng của khâu thứ 6 trong hệ tọa độ cơ sở gắn với giá đỡ, có

đổi E Nh vậy vị trí và hớng của công cụ tại tại điểm cuối đợc miêu tả trong hệ tọa

độ chung bởi x

x = Z T6E (4.18)Quan hệ 4.18 có thể mô tả bằng mô hình đồ toán chuuyển đổi trên hình 4.12 trang

103 q3

Từ đồ toán này có thể rút ra:

T6 = Z-1.E-1 (4.19)

Với Z-1 và E-1 là các ma trận nghịch đảo

CHơng 5 Tổng hợp chuyển động của rôbôt

5.1: Nhiệm vụ tổng hợp chuyển động của rôbôt

ở chơng trớc chúng ta đã khảo sát bài toán phân tích động học của rôbôt: chotrớc chơng trình chuyển động cần xác định các quy luật thay đổi của các thông số

động học đặc trng cho sự chuyển động của các khâu Chơng trình chuyển động

đ-ợc biểu thị bằng hàm qi(t), (i = 1,2….n) sao cho bàn kẹp của rôbôt thực hiện đợccác chuyển dịch trớc

- Các bài toán tổng hợp này rất đa dạng, tuỳ thuộc vào các yếu tố sau

đây

- Sự chuyển dịch trớc ở dạng nào: dạng quỹ đạo hay phơng trình nào đó,biết điểm đầu, điểm cuối hay một số điểm trung gian trên đờng đi vv

- Chỉ định trớc các vị trí liên tiếp của bàn kẹp hay là cả định hớng của nó

- Có những hạn chế gì trong quá trình chuyển động của rôbôt Thông ờng có hai loại hạn chế:

+ Do kết cấu của rôbôt mà có thể hạn chế phạm vi thay đổi về giá trị của biến khớp hoặc vận tốc và gia tốc của chuyển động

+ Do môi trờng hoạt động có yêu cầu không va chạm vào các vật xungquanh

- Số bậc tự do của cơ cấu rôbôt nh đã phân tích ở trên có thể d thừa hoặc không và bài toán có thể có lời giải đa trị hoặc đơn trị Biết chuyển động của bàn kẹp, cần xác định quy luật thay đổi các biến khớp tơng ứng Đó là nội dung chính của việc tổng hợp qũy đạo chuyển động của rôbôt

- Có thể xem quỹ đạo chuyển động là tập hợp liên tiếp các vị trí khác nhaucủa bàn kẹp Trong thực tế cũng cần xét lại một số xét lại một số hữu hạncác vị trí quỹ đạo Tại mỗi vị trí trên quỹ đạo cần xác định bộ thông số cácbiến khớp qi Đó là nội dung của bài toán tác động ngợc của rôbôt

5.2: bài toán động học ngợc

Bài toán động học ngợc đợc đặc biệt quan tâm vì lời giải của nó là cơ sở chủyếu để xây dựng chơng trình điều khiển chuyển động của rôbôt bám theo quỹ đạocho trớc Có nhiều công trình nghiên cứu tìm lời giải cho bài toán này Đối với tr-ờng hợp n > 6 thì hình nh chỉ có lời giải theo phơng pháp số đối với một bài toánrôbôt cụ thể nào đó nhng cha có phơng pháp chung nào hiệu quả Bản thân việcgiải bài toán động học ngợc bằng phơng pháp số nhiều khi đòi hỏi thời gian tínhtoán kéo dài thậm chí không đi đến lời giải Sở dĩ nh vậy là vì thờng gặp các hệphơng trình siêu việt không phải lúc nào cũng có độ hội tụ lời giải Điều đó ảnh h-ởng không nhỏ đến đảm bảo thời gian thực trong điều khiển rôbôt

Đối với trờng hợp n= 6 là trờng hợp thờng gặp trong thực tế công nghiệpnên có nhiều công trình nghiên cứu hơn tuy nhiên ở đây các lời giải tìm đợc hầu

nh chỉ trong trờng hợp riêng, có đặc điểm hình động học riêng biệt đợc tận dụng

để thiết lập quan hệ cần thiết khi thiết lập lời giải Trong đó nên lu ý các côngtrình sau: [7] giải bài toán động học ngợc của rôbôt Puma theo phơng pháp hìnhhọc, đặc biệt là công trình [12] dùng phơng pháp biến đổi ngợc của ma trận thuầnnhất 4x4, áp dụng cho rôbôt Stanford Nhợc điểm của phơng pháp này là cha cócách chung để xác định một lời giải có thể thích hợp ngay trong số khá nhiều lờigiải có thể tồn tại

Trong [35] đã tiến hành độc lập việc tìm thử một phơng án cho trờnghợp rôbôt n bậc tự do còn trong [38] lại đề xuất một phơng án thực dụng, gọi làtên phơng án “các nhóm 3”.

z z z z

y y y y

x x x x

P a s u

P a s u

P a s u

(5.1)

Các ma trận Ai (i = 1,2…n) là hàm các biến khớp qi véctơ định vị bàn kẹphoặc “điểm tác động cuối ” p = (PxPyPz) cũng là hàm của các biến khớp qi Vectơ

định vị bàn kẹp hoặc “điểm tác động cuối” p = (PxPyPz)T cũng là hàm của qi Cácvectơ u, s, a là các véctơ đơn vị chỉ phơng các trục của hệ toạ độ chỉ phơng Cácvectơ trong hẹ tọa độ gắn liền với bàn kẹp hoặc “điểm tác động cuối” biểu diễntrong hệ tọa độ cố định XYZ Các vectơ này vuông góc với nhau từng đôi một chonên chín thành phần của chúng tồn tại độc lập chỉ có ba thành phần

Hai ma trận ở vế trái và vế phải của phơng trình (5.1) đều là các ma trậnthuần nhất 4x4 So sánh các thành phần tử tơng ứng của hai ma trận trên ta có 6phơng trình độc lập với các ẩn số qi (i = 1,2…n) Có 3 trờng hợp có thể xẩy ra:

Nếu ẩn số (thờng cũng là bậc tự do của rôbôt) n < 6 thì lời giải khônghoàn chỉnh, tức là lúc này rôbôt không đa bàn kẹp đến vị trí và định hớng mongmuốn đợc hoặc có thể, ví dụ đạt tới vị trí nhng không thoả mãn yêu cầu về định h-ớng Trờng hợp này cũng có thể áp dụng khi không có yêu cầu hoàn chỉnh về cácthông số định vị và hớng của bàn kẹp

Nếu n = 6 tức là ẩn số lớn hơn số phơng trình thì bộ biến khớp q1 – q6hoàn toàn xác định Tuy nhiên lời giải không phải lúc nào cũng dễ dàng tìm ra bởivì nói chung các phơng trình này nói chung có thể là siêu việt và hệ phơng trìnhnày không phải là lúc nào cũng có độ hội tụ của lời giải

Nếu n > 6, tức là ẩn số lớn hơn phơng trình thì có khả năng nhiều lờigiải, tức là cùng đạt tới một vị trí và hớng của bàn kẹp, có thể có nhiều thông

số bộ biến khớp

Xuất phát từ ý muốn để động cơ của rôbôt đợc nâng cao, tức là hoạt

động linh hoạt hơn thì cơ cấu chấp hành nh một cơ cấu không gian, phải cónhiều bậc tự do hơn 6 Khi đó cơ cấu của rôbôt có thể có nhiều phơng án để đạttới đích Điều đó cũng rất cần thiết, nhất là khi môi trờng làm việc có nhiều ch-ớng ngại vật Tuy nhiên trong lúc này lại nẩy sinh khó khăn trong tính toán vì

sự đa trị của bài toán Nhiều trờng hợp máy tính không chọn đợc lời giải thíchhợp hoặc chọn quá lâu nên không thể quyết định kịp thời các giá trị của biếnkhớp để điều khiển chuyển động của rôbôt Sở dĩ nh vậy là do khi giải bài toánthờng gặp các hệ phơng trình siêu việt nh đã nói là không phải bao giờ cũng cólời giải Ngoài ra có những lời giải là không đợc coi là thích hợp Nếu chúng v-

ợt qua ngoài phạm vi hạn chế của các biến khớp tuỳ thuộc kết cấu của rôbôt.5.3: Các phơng pháp giải bài toán động học ngợc

5.3.1 Trờng hợp rôbôt n bậc tự do.

Nh đã đề cập ở phần trên, khi giải quyết nhiệm vụ tổng hợp quỹ đạo tổnghợp của rôbôt thờng nhiều lần phải lặp laị việc giải bài toán động học ngợc Trongkhá nhiều trờng hợp giải bằng phơng pháp số lại không xác định đợc lời giải thích