Thiết kế và điều khiển mobile robot

Luận văn Thạc Sĩ Chương I: Tổng quan về robot -các ứng dụng của robot - mục tiêu nghiên cứu.1.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1.1 Lịch sử phát triển Năm 1801, Joseph Jacquard phát minh một máy

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2003

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

TS NGUYỄN NHƯ ANH

ThS HỒ TRUNG MỸ

Cán bộ chấm nhận xét 1:

PGS TS VŨ ĐÌNH THÀNH

Cán bộ chấm nhận xét 2:

TS TRẦN XUÂN PHƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐƯỢC BẢO VỆ TẠI HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

Ngày 08 tháng 11 năm 2003

Trang 3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: PHẠM TRÍ TÀI Giới tính: Nam

Ngày tháng năm sinh : 13 – 05 – 1974 Nơi Sinh: Bình Dương

Chuyên ngành: KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ Mã số: 2 07 01

Khóa (năm trúng tuyển): 12 (2001)

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ & ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT

(MOBILE ROBOT’S DESIGN & CONTROL)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

Nhiệm vụ thực hiện

- Thiết kế, chế tạo mô hình Mobile Robot gồm xe Robot và cánh tay robot có các chế độ vận hành như: chế độ điều khiển bằng tay (Manual mode), chế độ tự động (Auto mode), chế độ huấn luyện (Teaching mode)

- Mobile Robot sau khi chế tạo có thể điều khiển từ xa được bằng vô tuyến (manual mode, auto mode, teaching mode) Chúng có thể vận hành độc lập, có thể nhận và thực thi các thao tác con người Khi cần thiết có thể thay đổi chương trình hoạt động (chế độ huấn luyện), có khả năng tránh va chạm cũng như thích nghi với mức độ thấp khi gặp chướng ngại vật trên đường đi

Nội dung nghiên cứu

- Động lực học và cơ cấu truyền động của xe, cánh tay robot

- Cảm biến và các linh kiện cần cho thiết kế mạch giao tiếp

- Cổng giao tiếp Printer Port; thiết bị điều khiển từ xa

- Giải thuật điều khiển; các phương pháp thiết kế robot

- Vi điều khiển

- Lập trình và điều khiển bằng máy tính

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ(Ngày bảo vệ đề cương): 14 – 05 – 2003

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ(Ngày bảo vệ luận văn tốt nghiệp): 14–10–2003

ThS HỒ TRUNG MỸ

Trang 4

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CHỦ NHIỆM NGÀNH

Trang 5

LỜI CẢM ƠN

Xin trân trọng ghi nhận và chân thành cảm ơn Cô Tiến sĩ Nguyễn Như Anh và

Thầy Thạc sĩ Hồ Trung Mỹ đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu và đóng góp

những ý kiến quý báo giúp tôi hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn sự giảng dạy, hướng dẫn tận tình của quý thầy cô ở Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh Nhờ đó, tôi học được những kiến thức khoa học quý báo Những kiến thức bổ ích ấy không những là nền tảng giúp tôi hoàn thành luận văn Cao Học này mà còn giúp tôi tự tin hơn với công tác nghiên cứu khoa học và công việc sau này

Cuối cùng, xin bày tỏ sự biết ơn đến tất cả người thân, bạn bè đã quan tâm giúp đỡ và tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho tôi Chính sự quan tâm thiết thực đó là động lực, là chổ dựa tinh thần giúp tôi hoàn thành chương trình Cao học

TP HCM, ngày 25 tháng 10 năm 2003

KS Phạm Trí Tài

Trang 6

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU

KHIỂN ROBOT TỰ HÀNH

TÓM TẮT

Nghiên cứu thiết kế và điều khiển robot tự hành là một lỉnh vực đáng được quan tâm, đầu tư nghiên cứu, giảng dạy và đưa vào ứng dụng trong những năm gần đây Mục đích của việc sử dụng robot tự hành là nhằm giải quyết các vấn đề chính là

- Tăng năng suất lao động

- Nâng cao chất lượng sản phẩm

- Giảm phế liệu và chi phí cho các công việc lặp lại

- Giảm chi phí cho nguyên công kiểm tra chất lượng sản phẩm

- Giảm chi phí lao động trực tiếp

- Có khả năng thực hiện nhiều nguyên công khác nhau

Những ứng dụng của Robot thật đa dạng và đem lại nhiều lợi ích vô cùng to lớn

Trang 7

MOBILE ROBOT’S DESIGN & CONTROL

ABSTRACT

In recent years, the studying, teaching and applying in designing and controlling mobile robot have been paid attention by scientists and engineers Using robots help

us solve problems such as

- Increasing labor capacity

- Increasing product quality

- Decreasing substandard product

- Minimum accident

- Decreasing operating costs

- Decreasing human power

- Improving reliability on verified products

In addition, Robots are very useful equipments especially to playback, high dangerous, risky and harmful tasks

Robot appliances can be found in many fields and brought much of benefits Therefore, targets in studying and controlling robots are very important and great potential

The main contents of the thesis are the followings

Mobile robot design bases on mechanics and electronics

Mechanics: Design and set up a car

Personal Computer, photo_sensors, conducting motors, radio transmitter /receiver, interface circuits,….)

The association of the mechanics and electronic, it is possible to create a greatly applicable products The specifications of Mobile Robot will be shown as follows

Mobile robot is associated mechanism of one steering driving-shaft, one conducting

driving-shaft The manipulator is fixed on Mobile Robot

By the radio transmitter, mobile robot can do the tasks far away from control user It can work in strict, dangerous and harmful environments

Design bases on programmable chip, personal computer Mobile robot can work independently (without human control)

Manipulator are programmed with algorithms that users can change the manipulator operation whenever they want (teaching mode)

Mobile robot also can change their speed, keeping out of objects, detect the ways for moving In addition, music or alert in necessary cases are some additional specifications of mobile robot

Trang 8

Luận văn Thạc Sĩ Tóm tắt nội dung-Lời nói đầu

ThS Hồ Trung Mỹ

THIẾT KẾ & ĐIỀU KHIỂN MOBILE ROBOT

TÓM TẮT

Lĩnh vực nghiên cứu, giảng dạy, áp dụng kỹ thuật thiết kế và điều khiển robot đang được quan tâm bởi nhiều nhà khoa học và kỹ sư Sử dụng robot giúp giải quyết các vấn đề sau

- Tăng năng suất lao động

- Nâng cao chất lượng sản phẩm

- Giảm phế liệu

- Giảm thiểu tai nạn

- Giảm chi phí vận hành

- Giảm chi phí lao động trực tiếp

- Tăng độ tin cậy trong việc kiểm tra sản phẩm

Hơn thế nữa, Robot là thiết bị vô cùng hửu ích đặc biệt với các công việc mang tính lặp lại, các công việc và nhiệm vụ nguy hiểm, rủi ro cao và độc hại

Những ứng dụng của Robot thật đa dạng và đem lại nhiều lợi ích vô cùng to lớn Vì

thế, mục tiêu nghiên cứu thiết kế, điều khiển robot có tầm quan trọng và tiềm năng

to lớn

Sau đây là những nội dung chính của phần thiết kế Mobile Robot

Nội dung của phần thiết kế

Mobile Robot được xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa thiết kế cơ khí, điện tử và máy tính

Phần cơ khí: thiết kế chế tạo một chiếc xe Robot

Phần điện tử và máy tính: thiết kế và lập trình dựa trên vi điều khiển AT89C51, máy tính PC và các mạch điện giao tiếp như: mạch điện giao tiếp với cánh tay, mạch điện điều khiển động cơ truyền động, mạch thu/ phát tín hiệu vô tuyến, mạch điện thu phát tín hiệu hồng ngoại, bàn phím, công tắc hành trình, )

Sự kết hợp giữa cơ khí, điện tử và máy tính cho phép tạo ra một sản phẩm có tính ứng dụng cao Các tính năng của xe thiết kế có các đặc điểm được nêu sau

Xe Robot thiết kế gồm: một cầu dẫn hướng, một cầu truyền động; Cánh tay robot được gắn cố định trên xe

Nhờ vào máy phát/ thu sóng vô tuyến, Mobile Robot có khả năng thao tác và xử lý các công việc ở cách xa người điều khiển ở 3 chế độ (Manual mode, Auto mode và Teaching mode)

Thiết kế trên các vi mạch lập trình được, máy tính PC Mobile Robot sau thiết kế có thể hoạt động độc lập (Auto mode và Teaching mode)

Có thể thay đổi tốc độ, tránh chướng ngại vật, dò tìm đường đi Thêm vào đó, nhạc và báo động trong những trường hợp cần thiết là những đặc điểm kèm theo

Trang 9

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm gần đây, nền văn minh nhân loại đã có bước nhảy vọt to lớn về kinh tế, về khoa học kỹ thuật và công nghệ Với những các phát minh khoa học, các ước mơ, hoài bão của con người về một tương lai tươi sáng ngày càng hiện thực Những ý nghĩ, ước mơ về một tương lai con người chinh phục thế giới và vũ trụ sẽ sớm được thực hiện

Các sản phẩm, các máy móc do con người làm ra ngày càng đạt đến mức tinh vi và hoàn thiện (độ chính xác, độ đồng đều và chất lượng rất cao) Môi trường làm việc của con người cũng được cải thiện một cách đúng mức Năng suất lao động được tăng lên một cách đáng kinh ngạc,… Sự phát triển về công nghệ trên có sự đóng góp tích cực của một ngành khoa học mới: “ngành khoa học về nghiên cứu_chế tạo và ứng dụng robot”

Thật vậy, từ khi ra đời robot đã thúc đẩy và kích thích sự phát triển văn minh nhân loại một cách đúng mức Robot tỏ ra vô cùng hửu ích đối với các công việc có độ an toàn lao động thấp, các nơi làm việc mang tính độc hại cao Do các đặc điểm đó, Robot phải là các máy có tính năng thật cao, vận hành dễ, độ tin cậy và bền với môi trường hoạt động khắc nghiệt,… Các tính năng trên của Robot sẽ không có nếu như: không có sự kết hợp, sử dụng hợp lý các tinh hoa, các nghiên cứu, sáng tạo khoa học của các ngành nghề khác nhau Văn minh nhân loại sẽ chẳng có nếu như các ngành khoa học không có sự tác động lẫn nhau, bổ sung lẫn nhau và thúc đẩy lẫn nhau; Văn minh nhân loại có được từ các ước mơ, nhờ lao động nghiên cứu sáng tạo của con người mà công lớn là các phát minh của các nhà khoa học Các phát minh và sáng kiến phát hiện lắm khi lại rất tình cờ nhưng lại mang đến những lợi ích lớn lao cho nhân loại

Con người ngày càng có thể đưa các mơ ước của mình đi cao hơn, xa hơn; nhờ các thiết bị mới; nhờ các kiến thức khoa học có được Các trang thiết bị do các nhà khoa học chế tạo ra luôn mang lại những lợi ích thiết thực, luôn là các công cụ phục vụ rất đắc lực cho lợi ích cho con người Ngành khoa học về kỹ thuật chế tạo và điều khiển Robot ra đời cũng không ngoài những nguyên do, mục đích, lợi ích và quy luật trên Ngành kỹ thuật về nghiên cứu chế tạo và điều khiển Robot là một ngành khoa học liên quan đến nhiều phạm trù kiến thức của nhiều ngành khoa học khác nhau Trong số đó dễ nhận thấy nhất là ngành cơ học, cơ khí chế tạo chính xác, kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin và điều khiển học Những thành tựu và khả năng áp dụng vào các ngành khoa học khác nhau ngày càng đa dạng và mang lại các thành quả hết sức

Trang 10

tích cực Chúng đã và đang mang lại những lợi ích hết sức thiết thực đối với con người

Trong nhiều năm qua, Robot là những thiết bị không thể thiếu trong nền sản xuất công nghiệp hiện đại vì các lý do: chi phí vận hành robot rẽ hơn và hiệu quả hơn nhiều so với chi phí dành cho người lao động thực hiện cùng một chức năng Với các thao tác lặp đi lặp lại, robot cho thấy khả năng ưu việt của mình, chúng có khả năng làm việc một cách chính xác, tốc độ thao tác nhanh, độ chính xác cao và đặc biệt hầu như không biết mệt mỏi và nhàm chán

Ngoài ra, ở những nơi mà môi trường làm việc có tính độc hại cao, nguy hiểm, độ rủi

ro cao thì giải pháp dùng Robot tỏ ra rất thích hợp, hiệu quả và nhanh chóng Tuy nhiên, hiện tại con người còn phải nghiên cứu nhiều để có thể chế tạo ra các Robot thông minh, linh hoạt như con người Đa số các Robot hiện tại chỉ tỏ ra hiệu quả với một số công việc xác định Hy vọng rằng, với tương lai không xa, với sự phát triển và phát minh ra các công nghệ mới con người ngày càng có thể chế tạo ra các máy, các Robot có khả năng suy nghĩ, thông minh và linh hoạt

Trong những năm gần đây, ngành kỹ thuật Robot thật sự bộc lộ các tiềm năng to lớn và hấp dẫn để nghiên cứu chế tạo, ứng dụng chúng vào công nghiệp và cuộc sống Những tiềm năng đó phải được nhanh chóng nghiên cứu và ứng dụng sao cho hiệu quả nhất, mang lại các lợi ích thiết thực nhất Chắc chắn rằng, ngành kỹ thuật đầy tiềm năng và hứa hẹn này sẽ mang lại nhiều đổi thay và ảnh hưởng mang tính tích cực đến các nghiên cứu và ứng dụng của con người trong thời gian sắp tới

Tiềm năng và sức hấp dẫn của ngành kỹ thuật Robot đã thật sự cuốn hút tôi Việc áp dụng những kỹ thuật mới vào nghiên cứu xây dựng các ứng dụng của Robot áp dụng vào sản xuất và đời sống là vấn đề hết sức thiết thực

Phần trình bày Luận Văn Tốt Nghiệp sẽ bao gồm các nội dung sau

Chương 1: Tổng quan về robot - các ứng dụng của robot - mục tiêu nghiên cứu của

đề tài

Chương 2: Các định nghĩa về robot - cấu trúc động học của robot

Chương 3: Nguồn dẫn động cho hoạt động của robot

Chương 4: Linh kiện quang & Siêu Âm

Chương 5: Lý thuyết truyền động_Động lực học của robot

Chương 6: Tổng quan về các linh kiện sử dụng

Chương 7: Thiết kế chế tạo & điều khiển Mobile Robot.

Chương 8: Kết quả và hướng phát triển của đề tài

Trang 11

Luận văn Thạc Sĩ MỤC LỤC

MỤC LỤC

Mở Đầu

……… Trang 1 − 22

1.1.1 Lịch sử phát triển ……… Trang 1

1.2.1 Ứng dụng trong công nghiệp ……… Trang 5

1.2.1.1 Ứng dụng robot trong công nghệ hàn đường ……… Trang 6

1.2.1.2 Ứng dụng robot trong kỹ thuật sơn bề mặt ……… Trang 7

1.2.1.3 Ứng dụng robot trong kỹ thuật khoan_cắt kim loại ……… Trang 8

1.2.1.4 Ứng dụng robot trong lắp ráp……… Trang 8

1.2.1.5 Ứng dụng robot trong nhà máy sản xuất……… Trang 9

1.2.1.6 Ứng dụng robot trong phòng thí nghiệm ……… Trang 11

1.2.1.7 Ứng dụng robot trong quân đội, cảnh sát và nhà máy hạt nhân……… Trang 11

1.2.1.8 Ứng dụng Robot trong nông nghiệp……… Trang 12

1.2.1.9 Ứng dụng của robot trong không gian……… Trang 13

1.2.1.10 Ứng dụng robot trong tàu lặn……… Trang 14

1.2.1.11 Ứng dụng robot trong giáo dục……… Trang 15

1.2.1.12 Ứng dụng robot trong Y khoa, hỗ trợ người tàn tật……… Trang 17

1.2.1.13 Ứng dụng của robot trong sinh hoạt giải trí……… Trang 18

1.2.2 Thống kê về tình hình sử dụng robot……… Trang 20

1.2.2.1 Tỷ lệ phân bố về loại công việc được dùng Robot……… Trang 20

1.2.2.2 Sơ đồ phân bố tỷ lệ các loại Robot với các loại phương pháp điều khiển khác nhau……… Trang 21

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ……… Trang 21

1.3.1 Đặt vấn đề ……… Trang 21

1.3.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài ……… Trang 22

1.3.2.1 Mục tiêu nghiên cứu ……… Trang 22

1.3.2.2 Nội dung nghiên cứu ……… Trang 22

2.1 Một số định nghĩa ……… Trang 23

2.2 Phân loại robot ……… Trang 25

2.2.1 Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động ……… Trang 25

2.2.2 Phân loại theo thế hệ ……… Trang 25

2.2.2.1 Robot theo thế hệ thứ nhất ……… Trang 25

2.2.2.2 Robot thế hệ thứ hai ……… Trang 26

2.2.2.3 Robot thế hệ thứ ba ……… Trang 26

2.2.2.4 Robot thế hệ thứ tư ……… Trang 27

2.2.2.5 Robot thế hệ thứ năm ……… Trang 27

2.2.3 Phân loại theo bộ điều khiển ……… Trang 28

2.2.3.1 Robot gắp_đặt ……… Trang 28

Trang 12

2.2.4 Phân loại robot theo nguồn dẫn động ……… Trang 28

2.2.4.1 Robot dùng nguồn cấp điện ……… Trang 28

2.2.4.2 Robot dùng nguồn khí nén ……… Trang 28

2.2.4.3 Robot dùng nguồn thủy lực ……… Trang 29

2.3.1 Bậc tự do của tay máy ……… Trang 30

2.3.1.1 Bậc chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị ……… Trang 31

2.3.1.2 Bậc chuyển động bổ sung (bậc chuyển động định hướng) ……… Trang 32 2.3.1.a Tay máy toạ độ vuông góc (Cartersian Robot) ……… Trang 32 2.3.1.b Tay máy tọa độ trụ (Cylindrical Robot) ……… Trang 33

2.3.1.c Tay máy tọa độ cầu (Spherical Robot) ……… Trang 34

2.3.1.d Tay máy toàn khớp bản lề (Articular Robot) và SCARA……… Trang 34

2.3.1.e Cổ Tay máy ……… Trang 35

2.3.2 Các chế độ hoạt động ……… Trang 37

2.3.2.1 Chế độ huấn luyện (Teaching Mode) ……… Trang 37

2.3.2.2 Chế độ tự động (Auto Mode) ……… Trang 37

3.1 Nguồn dẫn động ……… Trang 38

3.1.1 Truyền động thủy lực ……… Trang 38

3.1.2 Truyền động khí nén ……….Trang 39

3.1.3 Truyền động điện cơ ……… Trang 40

3.1.3.1 Nhóm thứ nhất ……… Trang 41

3.1.3.2 Nhóm thứ hai ……… Trang 41

3.1.3.2 1 Động cơ bước ……… Trang 41

3.1.3.2 2 Động cơ điện một chiều (DC_Motor) ……… Trang 46

3.1.3.2 3 Động cơ AC ……… Trang 49

3.1.3.2 4 Truyền động hổn hợp ……… Trang 50

4.1 Linh kiện quang điện ……… Trang 51

4.1.1 Khái niệm chung ……… Trang 51

4.1.1.a Sóng ánh sáng ……… Trang 51

4.1.2 LED ……… Trang 53

4.1.3 Nguồn phát sóng hồng ngoại và phổ của nó ……… Trang 55

4.1.3.a Cường độ phát xa ……… Trang 55

4.1.4 Các cảm biến quang điện dùng làm bộ phát hiện ……… Trang 55

4.1.4.a Tế bào quang dẫn (Photo_conductor) ……… Trang 56

4.1.4.b Diode quang dạng tiếp xúc (junction photodiode) ……… Trang 58

4.1.4.c Transistor quang (Photo_transistor) ……… Trang 59

4.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của cảm biến quang điện ……… Trang 59

Khoảng cách cảm nhận (sensing distance) ……… Trang 59

Độ phát hiện chuẩn hóa ……… Trang 61

Hằng số thời gian (thời gian đáp ứng) ……… Trang 61

Môi trường làm việc ……… Trang 61

Trang 13

4.1.6 Xác định khoảng cách từ robot đến vật cản bằng các cảm biến khác ………… Trang 61

4.1.7 Đặc tính của các tín hiệu TOF (Time Of Fight) ……… Trang 62

4.1.8 Các đặc tính của tín hiệu ……… Trang 63

4.2.1 Nguyên lý hoạt động ……… Trang 64

4.2.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của cảm biến siêu âm……… Trang 65

Môi trường sử dụng và bề mặt vật cản……… Trang 65

Miền cảm nhận (miền phát hiện)……… Trang 65

Độ tuyến tính của cảm biến trong miền cảm nhận……… Trang 66

Nhiệt độ môi trường……… Trang 66

Độ nghiêng của bề mặt vật cản so với trục của cảm biến ……… Trang 66

Độ nhám bề mặt của vật cản……… Trang 66

Góc khối định hướng lan truyền của siêu âm……… Trang 67

Hiện tượng phản xạ giả……… Trang 67

Hiện tượng xuyên nhiễu……… Trang 67

Độ không chắc chắn khi xác định thời điểm chính xác của sóng phản hồi về cảm biến

……… Trang 68

Độ không chính xác của thiết bị đo thời gian TOF……… Trang 68

Độ ổn định điện áp nguồn cung cấp cho cảm biến……… Trang 68

Chất lượng của bộ hiển thị và xử lý số liệu……… Trang 68

Chương 5: Lý thuyết truyền động_Động lực học của robot ……… Trang 69 − 92 5.1 Những đặc trưng cơ bản của đặc tính sử dụng xe ………Trang 69

5.1.1 Chất lượng động lực học ……… Trang 69

5.1.2 Tính kinh tế nhiên liệu ……… Trang 69

5.1.3 Tính điều khiển (đặc tính lái và đặc tính phanh) ……… Trang 69

5.1.4 Tính ổn định chuyển động ……… Trang 69

5.1.5 Tính năng thông qua (tính việt dã) ……… Trang 70

5.1.6 Tính êm dịu chuyển động ……… Trang 70

5.1.7 Khả năng chứa đựng (chứa hàng hóa, hành khách) ……… Trang 70

5.1.8 Tính chịu bền ……… Trang 70

5.1.9 Tuổi thọ của xe ……… Trang 70

5.1.10 Tính thích ứng trong bảo dưỡng ……… Trang 70

5.1.11 Tính xếp, dỡ tải ……… Trang 70

5.2 Lực và mômen tác dụng ……… Trang 70

5.3 Tổn thất công suất trong hệ thống truyền lực ……… Trang 71

5.4 Sự tác động tương hổ giữa bánh xe với mặt đường ……… Trang 72

5.5 Lý thuyết phanh (thắng) xe ……… Trang 76 - 79

5.5.1 Khái niệm chung về quá trình Phanh ……… Trang 76

5.5.2 Phương trình động lực học của xe khi Phanh ……… Trang 77

5.6 Tính toán sức kéo ……… Trang 79

5.6.1.Tính toán kéo kiểm nghiệm ……… Trang 79

5.7 Lý thuyết quay vòng và ổn định chuyển động của xe ……… Trang 80 - 84

5.7.1 Các phương pháp quay vòng ……… Trang 80

5.7.2 Động học quay vòng của xe bánh hơi ……… Trang 81

5.7.3 Xác định bán kính quay vòng nhỏ nhất và chiều rộng hành lang quay vòng Trang 83

5.7.3.1 Xác định bán kính quay vòng nhỏ nhất ……… Trang 83

Trang 14

5.7.3.2 Xác định hành lang quay vòng ……… Trang 84

5.8 Động lực học của xe khi quay vòng ……… Trang 84

5.9 Ổn định chuyển động thẳng của xe ……… Trang 86

5.10 Quay vòng đúng, Quay vòng thiếu, Quay vòng thừa ……… Trang 86

5.11 Tính toán động học của bộ truyền cơ khí ……… Trang 89 - 90

5.11.1 Xác định các thông số cơ bản của bộ truyền cơ khí ……… Trang 89

5.11.1.1 Các thông số cơ bản của một bộ truyền ……… Trang 89

5.12 Xác định các thông số cơ bản của một hệ truyền động ……… Trang 90 - 93

5.12.1 Truyền động đai ……… Trang 90

5.12.2 Truyền động bánh răng ……… Trang 91

Chương 6: Tổng quan về các linh kiện sử dụng ……… Trang 93 − 113

6.1 Khuếch đại thuật toán ……… Trang 93

6.2 Các vi mạch ổn áp DC tuyến tính ……… Trang 95

6.3 Giới thiệu vi mạch μC AT89C51 ……… Trang 96

6.3.1 Sơ lược các chân của μC AT89C51 ……… Trang 97

6.3.2 Các Port xuất nhập ……… Trang 98

6.3.3 Các tín hiệu điều khiển ……… Trang 100

6.3.4 Tổ chức bộ nhớ ……… Trang 103

6.4 Giao tiếp với máy tính ……… Trang 111

Chương 7: Thiết kế chế tạo và điều khiển Mobile Robot……… Trang 114 − 172 7.1 Nội dung thiết kế ……… Trang 114

7.1.a.1 Xe Robot ……… Trang 114

7.1.a.2 Cánh tay robot ……… Trang 114

7.1.b Thiết kế xe Robot (Phần cơ khí) ……… Trang 114 - 120

7.1.b.1 Thiết kế cơ cấu bánh lái (cơ cấu bánh dẫn hướng) ……… Trang 115

7.1.b.2 Thiết kế cơ cấu truyền động cho bánh chủ động ……… Trang 116

7.1.b.3 Bán kính quay vòng và hành lang quay vòng của xe Robot ……… Trang 118

7.2 Thiết kế mạch điện phần cứng ……… Trang 120 - 144

7.2.1 Sơ đồ khối của xe Mobile Robot ……… Trang 120

7.2.2 Khối điều khiển từ xa cho xe Robot……… Trang 121

7.2.2.a Sơ đồ khối ……… Trang 121

7.2.2.b Tập lệnh điều khiển các thao tác trên xe robot khi dùng bộ điều khiển từ xa……… Trang 121

7.2.2.c Tập lệnh điều khiển các thao tác trên xe robot khi dùng bộ điều khiển bằng tay(nhờ vào hệ thống phím nhấn) ……… Trang 123

7.2.3 Khối điều khiển từ xa cho cánh tay robot ……… Trang 124

7.2.3.a Sơ đồ khối ……… Trang 124

7.2.3.b Tập lệnh điều khiển các thao tác trên xe robot khi dùng bộ điều khiển là hệ thống phím nhấn (bàn phím) ……… Trang 127

7.2.4 Khối nguồn cung cấp cho vi mạch IC (IC: Integrated Circuit) ……… Trang 131

7.2.5 Khối nút bấm ……… Trang 132

7.2.6 Khối dao động ……… Trang 134

7.2.6.a Dùng bộ tạo dao động nội ……… Trang 134

7.2.6.b Dùng bộ dao động ngoài cấp xung nhịp (clock) vào cho chip AT89C51 Trang 134

7.2.7 Khối nguồn điện cung cấp cho động cơ truyền động một chiều ……… Trang 134

Trang 15

7.2.8 Khối đổi chiều hoạt động của động cơ một chiều (DC MOTOR) ……… Trang 138

7.2.9 IC Nhạc ……… Trang 140

7.2.10 Mạch còi và báo động âm hiệu WARBLE-TONE ……… Trang 141

7.2.11 Khối Thu_Phát hồng ngoại ……… Trang 142

7.2.11.a Khối phát ……… Trang 142

7.2.11.b Khối thu ……… Trang 143

7.3 Mạch điều khiển cánh tay robot ……… Trang 144 −150

7.3.1 Điều khiển bằng tay (Manual Control) ……… Trang 144

7.3.1.a Sơ đồ mạch điện điều khiển cánh tay robot (chỉ sử dụng công tắc cơ) Trang 145

7.3.1.b Sơ đồ mạch điện điều khiển cánh tay Robot (giao tiếp với vi điều khiển, máy tính ở chế độ Auto hoặc Manual) ……… Trang 146

7.4 Giải thuật cài đặt trên robot ……… Trang 150 - 153

7.4.1 Chế độ Manual ……… Trang 150_ A, B, C, D, E, F

7.4.2 Chế độ lập trình sẳn (Auto Mode) ……… Trang 150_ G

7.4.3 Chế độ huấn luyện ……… Trang 152 A, B, C ; 153_ A, B, C

7.5 Lập trình điều khiển ……… Trang 153 - 159

7.5.1 Bảng trạng thái tín hiệu ngõ ra printer port với ngõ vào cánh tay Robot …… Trang 153

7.5.2 Bảng trạng thái ngõ vào/ ra điều khiển xe robot (thiết kế trên AT89C51) Trang 156

7.5.2.a Điều khiển hoạt động của xe (Manual Mode) ……… Trang 156

7.5.2.b Điều khiển hoạt động cánh tay (Manual Mode) ……… Trang 157

7.5.2.c Điều khiển hoạt động của xe và cánh tay Robot (Auto Mode) ……… Trang 157

7.5.2.d Giải thuật tránh vật cản cho Robot ……… Trang 158

7.6 Giải thuật dò đường đi cho Robot ……… Trang 159

7.7 Giao diện ứng dụng ……… Trang 159 - 172

7.7.1 Giao diện chính ……… Trang 159

7.7.2 Giao diện điều khiển Cánh tay Robot ở chế độ Manual (Manual Mode)… Trang 160

7.7.3 Giao diện điều khiển Cánh tay Robot ở chế độ Auto (Auto Mode) ……… Trang 161

7.7.4 Giao diện điều khiển Cánh tay Robot ở chế độ hổ trợ người sử dụng làm quen với việc điều khiển cánh tay robot ……… Trang 163

7.7.5 Giao diện điều khiển Cánh tay Robot ở chế độ Huấn Luyện ……… Trang 167

7.7.6 Phần mềm hổ trợ thiết kế ……… Trang 171

7.8 Tính toán chọn Accu ……… Trang 172

Chương 8: Kết quả và hướng phát triển của đề tài ……… Trang 173 - 175 8.1 Kết Quả ……… Trang 173

8.1.1 Xe Robot ……… Trang 173

8.1.2 Cánh tay robot ……… Trang 173

8.2 Kết Luận ……… Trang 174

8.3 Hướng Phát Triển Của Đề Tài ……… Trang 175

8.3.1 Hướng ứng dụng cần phát triển ……… Trang 175

8.3.2 Hướng thiết kế cần phát triển ……… Trang 175

Trang 16

Luận văn Thạc Sĩ Mụcï lục: Thuật ngữ và từ viết tắt.

THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT

Accessing External Code Memory (truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài)

Base_Left – Khớp đế (nền) quay trái

Base_Right – Khớp đế (nền) quay phải

Elbow_Up – Khớp khuỷu tay quay lên

Elbow_Down – Khớp khuỷu tay quay xuống

Electromagnetic – Điện từ

Bản)

ISS – the International Space Station (trạm không gian quốc tế)

Gripper_Close – Tay gấp đóng

Gripper_Open – Tay gấp mở

LCD – Liquid Crystal Displays (bộ hiển thị tinh thể lỏng)

tuyến tính)

tượng và đo tầm xa)

Massachusetts)

Trang 17

Luận văn Thạc Sĩ Mụcï lục: Thuật ngữ và từ viết tắt.

PEROM – Programmable and Erasable Read Only Memory

Photo_transistor – Transistor quang

được)

Rossum)

N

S – Signal/ Noise (tỉ số tín hiệu/ nhiễu)

Shoulder_Up – Khớp vai quay lên

Shoulder_Down – Khớp vai quay xuống

điều khiển từ xa đặt trên trạm không gian)

Steering_Left – điều khiển bánh lái qua trái

Steering_Right – điều khiển bánh lái qua phải

Throttle_Forward – điều khiển xe chạy tới

Throttle_Reverve – điều khiển xe chạy lùi

Wrist_Left – Cổ tay quay trái

Wrist_Right – Cổ tay quay phải

Trang 18

Luận văn Thạc Sĩ Chương I: Tổng quan về robot -các ứng dụng của robot - mục tiêu nghiên cứu.

1.1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT

1.1.1 Lịch sử phát triển

Năm 1801, Joseph Jacquard phát minh một máy dệt được điều khiển bằng card đục lổ Năm 1830, Christopher Spencer, người Mỹ, thiết kế máy tiện hoạt động bằng kỹ thuật cam Đến năm 1892, Seward Babbitt, thiết kế một cần trục cơ giới hóa có kẹp để di chuyển phôi khỏi lò luyện

Thuật ngữ “robot” xuất hiện đầu tiên ở NewYork vào ngày 09/ 10/ 1922 trong tác phẩm “Rossum’s Universal Robots” của nhà soạn kịch người Tiệp (Czechoslovakian)

tên là Karel Capek viết năm 1921 Từ ‘robot’ là cách gọi tắt của từ ‘robota’- theo tiếng Tiệp có nghĩa là lao động tạp dịch (tedious labor) Trong tác phẩm này nhân vật Rossum và con trai của ông đã tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người Hình 1.1 là hình dáng Robot trong vở kịch "R.U.R."

Hình 1.1: Hình dáng Robot trong vở kịch "R.U.R.", năm1921

Khoảng 20 năm sau, ước mơ gần như viễn tưởng của Kerel Capek đã bắt đầu thành hiện thực Năm 1938, Willard Pollard và Harold Roselund người Mỹ chế tạo máy phun sơn có thể lập trình được cho hãng DeVilbiss Bốn năm sau (năm 1942), Isaac

Asimov xuất bản Runaround, định nghĩa 3 luật về Robot Năm 1946, J Presper Eckert

và John Mauchly xây dựng máy tính ENIAC tại đại học Pennsylvania (là chiếc máy

tính điện tử đầu tiên); cùng năm đó tại MIT (Massachusetts Institute of Technology),

ThS.Hồ Trung Mỹ

Trang 19

Whirlwind, chế tạo máy tính số đa năng đầu tiên và George Devol đăng ký bằng sáng chế về một thiết bị playback điều khiển máy móc đa chức năng Thiết bị sử dụng một bộ ghi từ tính Vào năm 1948, tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi (master-slave manipulator) điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cơ cấu là những động cơ điện kết hợp với các cử hành trình

Cuối những năm 1940, những robot đầu tiên có thể lập trình để đáp ứng theo những tín hiệu thu nhận được từ các cảm biến phản ánh các thông tin từ môi trường hoạt động mà không có sự can thiệp trực tiếp từ con người đã được nghiên cứu ở các phòng thí nghiệm về trí tuệ nhân tạo Trường hợp con chuột máy tìm đường đi trong mê cung của Claude Shannon hay con rùa máy của Grey Walter (1953) là những ví dụ điển hình cứ thế diễn biến của lịch sử phát triển Robot theo thời gian như sau

Năm 1951, một cánh tay có khớp nối trang bị bộ hoạt động từ xa được thiết kế bởi Raymond Goertz cho Atomic Energy Commission Năm 1952, máy điều khiển chương trình số đầu tiên ra đời tại học viện kỹ thuật Massachusetts (MIT:

Massachusetts Institute of Technology) Hoa Kỳ Trên cơ sở đó, năm 1954, George

Devol người Mỹ đã thiết kế robot lập trình với điều khiển 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 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 phát triển những thế hệ robot điều khiển theo chương trình Năm 1959, Tập đoàn Planet đưa ra thị trường robot thương mại đầu tiên;Marvin Minsky và John McCarthy thiết lập phòng thí nghiệm về trí tuệ nhân tạo tại MIT Năm 1960 Unimation được tập đoàn Condec mua lại và sự phát triển của hệ thống Robot Unimate được bắt đầu Tập đoàn AMF

(AMF: American Machine and Foundry) đưa ra thị trường một robot Versatran, được

thiết kế bởi Harry Johnson và Veljko Milenkovic Năm 1962, robot Unimation đầu tiên được đưa vào sử dụng tại hãng General Motors Năm 1963, John McCarthy thành lập một phòng thí nghiệm mới về trí tuệ nhân tạo tại đại học Standford Năm 1964, các phòng thí nghiệm nghiên cứu trí tuệ nhân tạo được mở ở M.I.T, Viện nghiên cứu Stanford (SRI: Stanford Research Institute), đại học Stanford và đại học Edinburgh Năm 1965, Đại học Carnegie Mellon thiết lập viện nghiên cứu về Robot; Cũng trong năm này, khái niệm về động lực học robot được đưa vào ứng dụng (nền tảng của lý thuyết về robot hiện nay) Năm 1967, Nhật Bản nhập khẩu robot Versatran robot từ

tập đoàn AMF (AMF: American Machine and Foundry) (Robot đầu tiên nhập khẩu

vào Nhật Bản)

Năm 1968, Ralph Moser, hãng General Electric, đã chế tạo một thiết bị đi có 4 chân, có chiều dài hơn 3 m, nằng gần 1.400 kg, sử dụng động cơ đốt trong có công suất gần

100 mã lực (hình 1.2): mỗi chân của thiết bị được vận hành bởi hệ thống servo dầu ép

do người bên trên điều khiển Mặc dù thiết bị hoạt động tốt, song điều khiển khá

Trang 20

phức tạp làm cho người điều khiển chóng mệt mõi Trong năm này, SRI xây dựng và thử nghiệm robot di động có khả năng nhìn, được gọi là Shakey Đồng thời, Kawasaki mua bản quyền sáng chế về robot thủy lực (hydraulic robot) một thiết kế của Unimation và bắt đầu sản xuất tại Nhật Bản Năm 1969, Viện nghiên cứu thuộc đại học Stanford 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

Một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đạt được vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunakhod_1 được điều khiển từ trái đất (hình 1.4) Cùng năm đó, Giáo sư Victor Scheinman viện đại học Stanford thiết kế cánh tay máy tiêu chuẩn Ngày nay, cấu trúc động lực học của nó được biết như cánh tay robot chuẩn

Năm 1973, Robot thương mại đầu tiên được điều khiển bằng máy tính mini được Richard Hohn thiết kế cho tập đoàn Cincinnati Milacron Robot được gọi là T3 ‘The Tomorrow Tool’ Năm 1974, Giáo sư Victor Scheinman, người phát triển Cánh Tay Stanford, thành lập liên hợp Vicarm để đưa ra thị trường một phiên bản cánh tay mới cho các ứng dụng công nghiệp Cánh tay mới được điều khiển bằng một máy tính mini 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 Hỏa (Hình 1.5; 1.6) (cánh tay này được thiết kế bởi tập đoàn Vicarm) Năm 1977, ASEA, một công ty robot Châu Âu, đưa ra 2 loại robot công nghiệp kích cở khác nhau dùng điện năng Chúng sử dụng một máy tính để điều khiển lập trình và hoạt động Cùng năm Unimation mua lại liên hợp Vicarm Năm 1978, Robot Puma (Programmable Universal Machine for Assembly) được Unimation phát triển từ kỹ thuật Vicarm Cũng trong năm này, Brooks Automation được thành lập Năm 1979,

Sankyo và IBM đưa ra thị trường robot SCARA (SCARA: Selective Compliant

Articulated Robot Arm) được chế tạo tại đại học Yamanashi-Nhật Bản Năm 1980,

Công nghiệp Robot bắt đầu phát triển nhanh chóng với các robot thế hệ mới Năm

1981, Coqnex và tập đoàn Robot CRS được thành lập. NĂM 1982, Liên doanh thương mại giữa Fanuc (Nhật Bản) và General Motors được hình thành (GM Fanuc) bắt đầu đưa sản phẩm robot bán ra tại Bắc Mỹ Năm 1983, tập đoàn kỹ thuật Adept được thành lập Năm 1984, Joseph Engelberger bắt đầu với sản phẩm Transition Robotics, sau này tên là Helpmates là robots dùng để phát triển các dịch vụ Năm

1986, hết hạn về tác quyền với Unimation , Kawasaki phát triển và sản xuất dây chuyền robot riêng của mình Năm 1988, Nhóm Stubli tậu được Unimation từ Westinghouse. Năm 1989, tập đoàn Computer motion và Barrett Technology được thành lập Năm 1993, tập đoàn Sensable Technologies được thành lập Năm 1994, viện nghiên cứu robot CMU phát triển Dante II, một robot đi lại bằng 6 chân dùng để khám phá miệng núi lửa Mt Spurr ở Alaska dùng để thu thập các mẫu khí từ miệng núi lửa Năm 1995, Fred Moll, Rob Younge và John Freud thành lập Intuition

Trang 21

Surgical nhằm thiết kế và bán các hệ thống robot dùng trong giải phẩu học Nền tảng kỹ thuật này dựa trên các nghiên cứu của SRI, IBM và MIT

Năm 1996, hãng Honda chế tạo ra robot có hình dạng giống như con người (có hai tay và hai chân) Năm 1997, Hãng SONY chế tạo ra các robot dùng làm vật cưng trong nhà Cùng năm, Honda ra mắt P3, mẫu thứ 8 của dự án thiết kế robot hình dạng con người mà được hãng khởi xướng từ năm 1986 Năm 2000, Honda ra mắt Asimo, một thế hệ mới về các robot có hình dáng giống con người Cùng năm, Sony ra mắt robot hình dáng giống con người Năm 2001, Sony phát triển thế hệ thứ hai về chó AIBO Cũng năm này, tập đoàn Robot MD_Canada chế tạo hệ thống tay máy điều khiển từ

xa đặt trên trạm không gian SSRMS (SSRMS: the Space Station Remote Manipulator

System), chúng được phóng thành công vào quỷ đạo và bắt đầu công việc lắp ráp

trạm không gian quốc tế ISS (ISS: the International Space Station)

Hình 1.2: Robot 4 chân của Ralph Moser hãng General Electric

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

Hình 1.4: Xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunakhod 1

Trang 22

Hình 1.5: Tay Robot trên tàu thám hiểm Viking 1

Hình 1.6.a: Viking 1 trên bề mặt sao hỏa Hình 1.6.b: Viking 2 trên bề mặt saohỏa

Hình 1.7: Robot dùng vệ sinh bàn cầu

Trong hoạt động sản xuất, đa số những robot công nghiệp có hình dạng của “cánh tay

cơ khí”, cũng chính vì vậy mà đôi khi ta gặp thuật ngữ người máy – tay máy trong những tài liệu tham khảo và giáo trình về robot

1.2 NHỮNG ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH CỦA ROBOT

1.2.1 Ứng dụng trong công nghiệp

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 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 có nhiệt độ cao như thế 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 ngặt nghèo như trong lò đúc, xưởng rèn, và xưởng hàn Đối với robot thì nhiệt độ cao lại không đáng ngại

Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng robot nhiều nhất: khung xe được cố định vào một xe được điều khiển từ xa di chuyển khắp nhà máy Khi xe đến trạm hàn, kẹp sẽ cố định các chi tiết vào vị trí cần hàn, trong khi đó robot di chuyển dọc theo các điểm đã được lập trình trước

Trang 23

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, gắp hàng ra khỏi băng tải và đặt chúng vào các trạm chuyển trung gian

1.2.1.1 Ứng dụng robot trong công nghệ hàn đường (hàn theo vết hoặc đường dẫn liên tục)

Hình 2.1.1: Ứng dụng robot trong kỹ thuật hàn

Hàn đường thường được thực hiện bằng tay Tuy nhiên, năng suất thấp do yêu cầu chất lượng bề mặt mối hàn liên quan đến các thao tác của đầu mỏ hàn với môi trường khắc nghiệt do khói và nhiệt độ phát ra trong quá trình hàn

Không giống như kỹ thuật hàn điểm, ở đó mối hàn có vị trí cố định, mối hàn trong kỹ thuật hàn đường nằm dọc theo mối ghép giữa hai tấm kim loại Những hệ thống hàn

Trang 24

đường thực tế (hình 2.1.1) phụ thuộc vào con người trong việc kẹp chính xác chi tiết được hàn, và sau đó robot di chuyển dọc theo quĩ đạo được lập trình trước Ưu điểm duy nhất so với hàn bằng tay là mối hàn được ổn định Người vận hành chỉ còn thực hiện một công việc tẻ nhạt là kẹp chặt các chi tiết Có thể thực hiện tăng năng suất bằng cách trang bị các bàn định vị quay, nhờ đó người vận hành có thể kẹp chặt một chi tiết trong khi thực hiện hàn chi tiết khác Tuy nhiên, luôn luôn có vấn đề khó khăn trong việc lắp khít chi tiết do dung sai trong chế tạo, chi tiết bị cong vênh, và các thiết kế cần lắp ghép theo đường cong không đồng dạng Các vấn đề đó làm cho việc kẹp chặt chi tiết trở nên khó khăn, đặc biệt là đối với các chi tiết lớn và lắp tấm kim loại mỏng Hơn nữa đường hàn có thể không xử lý được với mỏ hàn vì nó bị che khuất với chi tiết khác Thợ hàn tay phải xử lý khó khăn nhiều loại mối nối và vị trí các chi tiết khác nhau Gần đây các nghiên cứu tập trung vào phương pháp dò vết đường hàn với mục đích giảm bớt yêu cầu định vị chính xác, và do đó giảm chi phí hàn trong khi chất lượng mối hàn lại tăng

Cảm biến trang bị trên các robot hàn đường phải có khả năng xác định vị trí đúng của đường hàn Như vậy, để mối hàn được đặt chính xác, đúng yêu cầu về hình dáng và kích thước thì robot phải giữ điện cực theo hướng đúng của đường hàn với khoảng cách đúng từ đường hàn đến đầu mỏ hàn và di chuyển với tốc độ không đổi sao cho lượng vật liệu chạy vào mối nối không đổi Xác định đường hàn cho các vật thể ba chiều thì phức tạp hơn cho các tấm phẳng vì thường cần phải mô hình hóa hình học để định ra đường di chuyển của robot

Thông thường để đào tạo một thợ hàn bậc cao phải mất nhiều năm, nhưng việc đưa robot vào sản xuất nhà máy tạo khả năng có thể thu nhận công nhân cả trẻ lẫn lớn tuổi, có kinh nghiệm nghề nghiệp rất khác nhau Hàn đường, một lãnh vực tiềm năng cho việc ứng dụng robot, được xếp vào lĩnh vực kỹ thuật cao

1.2.1.2 Ứng dụng robot trong kỹ thuật sơn bề mặt

Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khỏe của con người, nhưng lại hoàn toàn không nguy hiểm đối với robot Ngoài ra, con người phải mất hơn hai năm để nắm được kỹ thuật và kỹ năng để trở thành một thợ sơn lành nghề trong khi robot có thể học được tất cả các kiến thức đó chỉ trong vài giờ và có khả năng lặp lại một cách chính xác các động tác sơn phức tạp Điều đó thể hiện một bước tiến đáng kể trong việc kết hợp giữa năng suất và chất lượng cũng như cải thiện chất lượng làm việc cho người trong môi trường độc hại Tất cả robot phun sơn đều được ‘dạy’ bởi một thợ sơn chuyên nghiệp giữ đầu phun và dịch chuyển nó theo đúng đường; đường

đi đó được ghi lại; và khi robot thực hiện công viêc phun sơn thì nó chỉ việc đi theo đường đi đã được định sẵn đó Như thế, robot phun sơn phải có các khớp sao cho thợ sơn có thể dễ dàng dẫn hướng cho chúng Ứng dụng này đưa đến sự phát triển một loại tay robot dạng ‘vòi voi’ có độ linh hoạt cao

Trang 25

Hình 2.1.2: Ứng dụng robot trong kỹ thuật sơn bề mặt

1.2.1.3 Ứng dụng robot trong kỹ thuật khoan_cắt kim loại

Khoan, cắt trước đây thường được thực hiện bằng tay Tuy nhiên, độ chính xác không cao, độ rủi ro lớn Với robot, độ chính xác tăng lên, độ đồng đều về chất lượng được thể hiện rõ, đồng thời tai nạn nghề nghiệp không còn Trong kỹ thuật khoan, Robot được thiết kế có khả năng kẹp cố định các chi tiết vào vị trí cần khoan Sau đó, robot sẽ di chuyển dọc theo các điểm cần khoan mà đã được lập trình

Hình 2.1.3.a: Ứng dụng robot trong kỹ thuật khoan

Hình 2.1.3.b: Laser Robot dùng để cắt kim loại

1.2.1.4 Ứng dụng robot trong lắp ráp

Hình 2.1.4.a: Ứng dụng robot trong lắp ráp

Trang 26

Hình 2.1.4.b: Ứng dụng robot trong lắp ráp

Kỹ thuật sãn xuất có mục tiêu lâu dài là các nhà máy tự động hoàn toàn Ở đó, một bản thiết kế được thể hiện tại một trạm thiết kế bằng máy tính, không có sự can thiệp của con người vào quá trình sản xuất Môi trường sản xuất khi đó được tự động hóa hoàn toàn tức là: từ ý tưởng sản phẩm ‘gồm các chỉ tiêu kỹ thuật cấp cao’ người ta thiết kế ra sản phẩm; sau đó đặt hàng vật liệu, lập ra chương trình gia công, lập ra chiến lược đường đi của chi tiết trong nhà máy; điều khiển cung cấp chi tiết vào máy gia công, lắp ráp và kiểm tra tự động thông qua các máy gia công CNC và các robot tĩnh và robot di động

Thành tựu của môi trường sản xuất như thế đã và đang được đầu tư nghiên cứu phát triển trong nhiều năm qua Các nhà máy lớn hiện đại đều áp dụng mô hình tự động hóa hoàn toàn, đặc biệt là phần thiết kế ở cấp cao và phần xử lý chi tiết ở cấp thấp Một trong những trở ngại chính là liên kết các tầng với nhau Một khó khăn khác là nhu cầu phương pháp xuất ra các đặc tả thủ tục từ mô hình máy tính của sản phẩm Ví dụ, việc lập ra một cách tự động trình tự lắp ráp các chi tiết với nhau trong khâu lắp ráp

Robot được sử dụng để tự động hóa quá trình lắp ráp trong những nhà máy như thế Khâu này tập trung nhiều lao động và khó hơn nhiều so với dự tính Ví dụ, cầm một cái mỏ hàn tay đơn giản và tháo nó ra từng phần Có bao nhiêu chi tiết? Có bao nhiêu cách lắp ráp nó? Bạn có thể ráp nó bằng một tay hay không? Bạn có thể nhắm mắt lắp được nó hay không? Bây giờ bạn gặp phải sự giới hạn của robot Sự phát triển của cảm biến và sự ứng dụng của nó vào robot là yếu tố quan trọng cơ bản để ứng dụng robot trong lắp ráp Lấy ví dụ, đầu mỏ hàn là một vật thể nhỏ, nên để lắp ráp nó chúng ta cần tập trung mọi chi tiết lại, tìm vị trí và hướng lắp ráp cho từng chi tiết, lấy chi tiết đầu tiên và đặt nó vào cơ cấu kẹp chặt, lấy một chi tiết nữa theo đúng thứ tự và lắp vào chi tiết đầu tiên

Việc lắp ráp còn liên quan đến nhiều xứ lý khác nhau: đưa một chi tiết này vào một chi tiết kia, đặt một chi tiết này trên một chi tiết khác, siết chặt đai ốc, siết ốc, siết vít, hay phun keo, v.v… Tuy nhiên, tùy trường hợp cụ thể để quyết định có sử dụng robot trong công đoạn lắp ráp hay không Trong thực tế, khi sản phẩm được thiết kế khéo léo thì người công nhân có thể lắp ráp sản phẩm đó trong một thời gian rất ngắn

1.2.1.5 Ứng dụng robot trong nhà máy sản xuất

Trang 27

Hình 2.1.5.a.Ứng dụng robot trong việc hàn các thân xe trên một dây chuyền

sản xuất xe hơi

Hình 2.1.5.b Ứng dụng Robot

trong dây chuyền sản xuất Hình 2.1.5.c.Kỹ thuật hàn với sự kết hợp thao tác của 4 Robot

Hình 2.1.5.d Robot trong nhà

xưởng Hình 2.1.5.e Robot dùng để gắp đặt sản phẩm

Trong sản xuất lớn, những robot này là những hệ thống được tự động hóa hoàn toàn: chúng đo đạc, cắt, khoan các thiết bị chính xác và còn có khả năng hiệu chỉnh các công việc của mình, hầu như ở đây không cần có sự giúp đở của con người trừ chương trình điều khiển trong máy tính điện tử Chỉ với vài người giám sát công việc; các máy móc này có thể hoạt động suốt ngày đêm; các robot làm tất cả các công việc như vận chuyển sản phẩm từ công đoạn sản xuất này đến công đoạn sản xuất khác kể cả việc đưa và sắp xếp thành phẩm vào kho

Các nhà máy lớn thì thường sản xuất một số mặt hàng nhất định trên các dây chuyền hiện đại Các nhà máy cở vừa và nhỏ, như nhà máy sản xuất phụ tùng xe đạp chẳng hạn, thì thường sản xuất sản phẩm đa dạng với số lượng lớn Robot không phải lúc

Trang 28

nào cũng thích hợp với các công việc như vậy, nhưng các nhà máy loại này có thể giải quyết các vấn đề đó bằng cách trang bị nhiều thiết bị đa dạng cho tay gắp của robot nhằm cho phép robot có khả năng điều chỉnh nhanh chóng thiết bị công nghệ, đáp ứng linh hoạt với nhiều dạng công việc khác nhau

1.2.1.6 Ứng dụng robot trong phòng thí nghiệm

Hình 2.1.6 Robot được dùng trong việc kiểm tra các mẫu máu

Robot ngày càng được sử dụng nhiều trong các phòng thí nghiệm Chúng được dùng để thực hiện tự động các công việc thủ công Robot thực hiện rất tốt các công việc lặp đi lặp lại, như đặt các chi tiết thí nghiệm vào các thiết bị đo, giải phóng các kỹ thuật viên khỏi các công việc nhàm chán đó Hình 2.1.6 trình bày một hệ thống thí nghiệm ở khâu chuẩn bị mẫu thử máu bao gồm một robot và các thiết bị thí nghiệm gồm cân, bộ pha chế, máy ly tâm và dãy các ống nghiệm mẫu thử Các mẫu được đưa từ thiết bị thí nghiệm này sang thiết bị thí nghiệm khác bằng robot được điều khiển theo chương trình

Các nhà chế tạo các hệ thống này cho rằng chúng có ba ưu điểm so với việc thực hiện bằng tay: tăng năng suất, tăng chất lượng các cuộc thí nghiệm và giảm sơ suất của con người làm hư hỏng hóa chất Các ứng dụng thực tế bao gồm đo độ pH, độ nhớt, và độ cứng trong chất đa phân tử; chuẩn bị mẫu máu xét nghiệm; nung nóng, rót, cân và hòa tan mẫu cho phân tích quang phổ Một số phòng thí nghiệm nhận thấy rằng các mẫu thí nghiệm trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu dễ thích ứng hơn với các sản phẩm ít thay đổi nếu sử dụng robot để chuyển vật liệu giữa các giai đoạn xử lý Vì thế, việc sử dụng robot giúp nhanh chóng chuyển các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm vào sản xuất thực tế

1.2.1.7 Ứng dụng robot trong quân đội, cảnh sát và nhà máy hạt nhân

Kỹ thuật robot được ứng dụng đầu tiên trong các nhà máy điện hạt nhân, trong quân đội, cảnh sát nhờ vào sự phát triển của điều khiển qua màn hình để xử lý vật liệu phóng xạ, gở mìn và giám sát từ xa Robot được sử dụng để hàn từ xa và kiểm tra đường ống trong vùng nhiễm xạ nặng Tai nạn nhà máy điện hạt nhân Three Mile

Trang 29

Island ở Pennsylvania năm 1979 thúc đẩy sự phát triển, ứng dụng của robot vào công nghiệp hạt nhân Lò phản ứng số 2 (TMI-2) mất chất làm nguội, làm cho lò phản ứng chính bị hư hại nặng Một vùng rộng lớn trong tình trạng không can thiệp được bởi con người Do sự phát xạ nặng, các công việc dọn dẹp chỉ có thể được thực hiện qua điều khiển từ xa thông qua robot

Hình 2.1.7.1 a.b Robot được điều khiển từ xa dùng để dò bom, bốc dở sản phẩm

Hình 2.1.7.1.c "Cypher" vật thể bay điều khiển từ xa phục vụ cho việc giám sát

trong quân đội (đường kính 6 feet, tầm hoạt động 50 mile)

Một ứng dụng phổ biến nữa là dùng robot để bốc dỡ hàng hóa, vật liệu, phôi có trọng lượng lớn, cồng kềnh trong các ngành công nghiệp nặng Robot loại này có thể mang tải trọng lên đến tối đa 1 tấn một cách dễ dàng với độ chính xác vị trí nhỏ hơn 1 mm

1.2.1.8 Ứng dụng Robot trong nông nghiệp

Đối với nhiều người, ý tưởng về một robot gieo hạt hay vun trồng là chuyện khoa học viễn tưởng, thế nhưng sự nghiên cứu nghiêm túc tập trung vào các ứng dụng của

Trang 30

robot trong nông nghiệp đã và đang được tiến hành Một trong những dự án thành công nhất là sự phát triển của robot cắt lông cừu ở Úc Đường cắt của kéo được robot điều khiển trên thân con cừu được tính trước nhờ sử dụng một cừu mô hình Để bù trừ các kích thước thay đổi của cừu thật và cừu mô hình, và sự thay đổi kích thước khi nó thở, người ta dùng một cảm biến gắn ở đầu kéo để hiệu chỉnh đường chạy của kéo theo thời gian thực khi cắt lớp lông Trong một cuộc thí nghiệm, trong số 200 con cừu được cắt bằng phương pháp này thì số cừu bị thương ít hơn so với phương pháp cắt lông bằng tay

Một loại robot khác cũng được phát triển ở Úc để đáp ứng sự khan hiếm của công nhân là robot mổ xẻ thịt heo Robot thay thế công nhân trong các công đoạn mổ xẻ thịt cần nhiều nhân công, và nhiều công đoạn nguy hiểm mà công nhân phải làm việc trong điều kiện ít được bảo vệ khi tiếp xúc với máy cưa còng và kéo Trong lãnh vực này, robot đảm nhiệm ngay cả các công việc mang tính lặp lại, nhiều thao tác đòi hỏi sự phối hợp tay nghề cao và sự lanh lợi của đôi mắt

1.2.1.9 Ứng dụng của robot trong không gian

Thám hiểm không gian là một công việc chuyên dùng ứng dụng robot Tháng 4 năm

2001 phi thuyền Endeavour được lắp ghép với trạm không gian quốc tế ISS (ISS –

the International Space Station) Alpha Các phi hành gia trên phi thuyền này đã thực

hiện cuộc đi bộ ngoài không gian để hoàn tất một tay máy do Canada chế tạo (hình 2.1.9.1) Tay máy được gắn vào trạm không gian Alpha nhằm tăng cường khả năng bốc dỡ hàng hóa tiếp tế, lắp ghép với các trạm không gian khác; và sau khi lắp đặt tay máy robot sẽ thực hiện các ghép nối buồng áp lực vào trạm Alpha, cho phép các phi hành gia có thể đi bộ ngoài không gian thuận tiện hơn Tay máy này dài 58 feet, nặng khoảng 1,5 tấn, làm bằng thép, nhôm và sợi tổng hợp Robot có hai cánh tay với

7 khớp, hoạt động như một cần trục, cho phép robot có thể trườn từ đầu này đến đầu kia bên ngoài của trạm không gian như con sâu đo, để giúp gắn thêm các thiết bị cho trạm không gian này và giúp việc cho phi hành gia làm việc ngoài không gian Vào năm 2002 trạm sẽ lắp thêm cho robot này ray trượt do Canada chế tạo để mở rộng

Trang 31

tầm với cho tay máy, và các cánh tay máy sẽ được lắp thêm vào năm 2003 để tăng sự khéo léo của tay máy khi thao tác

Hình 2.1.9.1: Tay máy nhiều khớp do Canada sản xuất được lắp trên

trạm không gian quốc tế Alpha

Hình 2.1.9.2: Thăm dò sao hỏa của Viking 2

Các ứng dụng trong tương lai của robot trong không gian gồm xe tự hành trang bị tay máy linh hoạt, các robot công dụng chung trong các trạm không gian, các robot bảo trì vệ tinh, tay máy thao tác khi sản xuất trong không gian, các robot xây dựng trong các công trình xây dựng trạm không gian và phi thuyền không gian

1.2.1.10 Ứng dụng robot trong tàu lặn

Hình 2.1.10: Robot tàu lặn Magellan 725, hãng Oceaneering International Inc

Trang 32

để lắp đặt cáp dưới đáy biển, được dùng để tìm ra chiếc hộp đen của chiếc máy bay

bị nạn

Sự kiện thứ hai: sự khám phá ra con tàu Titanic dưới đáy một hẻm núi ngoài khơi, nơi nó bị chìm khi va phải một tản băng vào năm 1912 cách mặt biển 4 km Một chiếc tàu lặn được điều khiển từ xa để khám phá và ghi lại những bí mật còn lại của con tàu này

Ngoài công việc dò tìm dưới đáy biển, tàu lặn không người lái đã và đang được dùng để kiểm tra và bảo trì các giàn khoan dầu ngoài khơi, để lắp đặt và kiểm tra cáp truyền xuyên đại dương, và để khảo sát địa chất và địa lý của thềm đại dương Phần lớn tàu lặn được trang bị tay máy và nhiều Camera Một số được trang bị máy cắt công suất lớn, càng, thiết bị đo thử mật độ từ, thiết bị kiểm tra siêu âm, và một số các dụng cụ và cảm biến chuyên dùng khác

Loại tàu lặn điều khiển từ xa thông qua cáp truyền được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp đòi hỏi phải làm việc ngoài khơi, đặc biệt là ngành công nghiệp dầu hỏa Trong khi cáp nối giải quyết được vấn đề truyền mệnh lệnh từ người điều khiển đến con tàu, các vấn đề cấp nguồn cho con tàu thì nó lại giới hạn tầm hoạt động của con tàu, thậm chí có thể trở thành một trở ngại chính Nhiều nhóm nghiên cứu phát triển một loại tàu lặn bơi tự do có thể mang đủ năng lượng cho tàu, có một chút thông minh, có thể lặn tự do mà không bị ràng buộc bởi cáp truyền Tuy nhiên nếu xảy ra chuyện không may, các con tàu như vậy dễ bị lạc mất

Một vấn đề khác, nước biển cản các tín hiệu băng tần cao, như tín hiệu hình từ camera đặt trên tàu lặn trên trạm điều khiển Một số nhà nghiên cứu đã khám phá ra việc sử dụng tia laser như là một phương tiện truyền thông Phương pháp này giải quyết vấn đề truyền thông cho các con tàu lặn không cáp Hệ thống thực tế có thể truyền tín hiệu ở độ sâu từ 600 đến 6000 m với tần số từ 8Hz đến 40kHz

1.2.1.11 Ứng dụng robot trong giáo dục

Trang 33

Hình 2.1.11 Robot của hãng FANUC được thiết kế để làm việc trong

một lớp học

Robot được sử dụng trong phòng học dưới ba dạng riêng biệt

y Thứ nhất: các chương trình giáo dục sử dụng robot làm phương tiện giảng dạy Ngôn ngữ lập trình Karel the Robot, một dạng của ngông ngữ Pascal, được dùng để giới thiệu về ngôn ngữ lập trình Ngôn ngữ Krel có các cấu trúc điều khiển và ngữ pháp của Pascal, nhưng các biến được thay thế bằng robot, các đối tượng cho robot thao tác, và một môi trường dạng ô Sinh viên viết chương trình định nghĩa môi trường (vị trí tường và vị trí các beeper, và điều khiển robot dò tìm trong môi trường và nhặt lấy các beeper Robot Odyssey là một trò chơi phiêu lưu để giảng dạy thiết kế logic Người chơi phải thoát khỏi các Robotropolis, gọi là các robot thù địch, với sự hổ trợ của ba robot thân thiện Bất cứ lúc nào, người chơi cũng có thể hiệu chỉnh hoạt động của robot bằng cách thay đổi thiết kế mạch logic Mức độ nguy hiểm cần tránh ngày càng tăng theo diễn tiến của trò chơi, cần thiết kế logic phức tạp hơn

y Thứ hai: robot của Tasman được sử dụng kết hợp với ngôn ngữ LOGO để giảng dạy về sự nhận thức của máy tính Robot rùa là một đối tượng biết suy nghĩ và có thể vẽ mẫu hình học Ngôn ngữ này cũng được sử dụng để tạo một môi trường tự nhiên cho trẻ con bước đầu đi vào lĩnh vực lập trình

y Thứ ba: là tạo ra phòng học robot như hình 2.1.11.2 Một phòng học hệ thống sản xuất linh hoạt FMS sử dụng robot phối hợp với các mô hình sản xuất khác như băng tải, máy gia công CNC, kho hàng tự động

Hình 2.1.11.2: Hệ thống FMS (FMS: Flexible Manufacturing Systems: hệ thống

sản xuất linh hoạt)

Trang 34

1.2.1.12 Ứng dụng robot trong Y khoa, hỗ trợ người tàn tật

Hình 2.1.12.a: Ứng dụng robot trong y khoa _khoan 1 lổ chính xác trên xương

Hình 2.1.12.b: Campbell Aird, Người chủ khách sạn người Scotlen được gắn cánh

tay nhân tạo đầu tiên

Một số nhà nghiên cứu đã nối vào máy điện toán bộ nhớ não của khỉ để điểu khiển các tay máy – kỳ công đó cho phép một ngày gần đây những người bại liệt và những người mất tay chân có thể di chuyển chân chi giả chỉ bằng cách suy nghĩ

Các xung điện từ não của khỉ vào một máy tính, và máy tính đó lại được kết nối với các cánh tay máy Khi khỉ với tay lấy thức ăn hay thao tác với Joystick thì các tay máy sẽ bắt chước được những động tác đó

Theo nhà nghiên cứu Miguel Nicolelis thuộc đại học Duke miền nam Carolina thì đối với những người bị bại liệt do chấn thương thần kinh cột sống hay các chứng bệnh ở hệ thống trung khu thần kinh thì các kết quả nghiên cứu ở trên cho phép họ bất chấp sự tổn thương thần kinh có thể gửi các xung điện trực tiếp đến cơ bắp của họ Ông cũng nói rằng vào tương lai không xa các tế bào thần kinh bị tổn thương có thể được thay thế bằng các vi mạch silicon

Trang 35

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu ở đại học Duke đang có gắng thực hiện một vi mạch có thể cấy dưới da, thay thế cho máy tính đặt bên ngoài Bác sĩ Roy Bakay thuộc bệnh viện Presbyterian ở Chicago (Mỹ), người đã phối hợp phát triển một hệ thống cho phép người bại liệt điều khiển con trỏ trên màn hình vi tính với vi mạch được ghép Các vi mạch được ghép này cho phép con người thực hiện được các công việc thường ngày có thể được phát triển nhanh chóng; nhưng các bộ phận tay chân giả để thực hiện các tác vụ phức tạp ví như ném một quả bóng thì phải mất một thời gian khá lâu để nghiên cứu hoàn chỉnh

Các bộ phận giả hiện nay hình (2.1.12.b) cho những người bị mất chân tay có thể đọc được các xung điện từ các cơ bắp còn lại và kích hoạt các cánh tay, bàn tay và chân giả bằng cơ khí, nhưng các bộ phận đó vẫn chưa phát triển hoàn chỉnh cho những người bị bại liệt hoàn toàn từ cổ trở xuống Tuy nhiên, những nhà nghiên cứu ở Bỉ đang thí nghiệm một hệ thống cho phép một người bại liệt từ eo trở xuống có thể đi được, bằng cách dùng những điện cực gắn vào các cơ chân Các điện cực đó được nối với một vi mạch mà có thể giả các tín hiệu được gởi từ nảo bộ

1.2.1.13 Ứng dụng của robot trong sinh hoạt giải trí

Hình 2.1.13 Robot dùng để xiếc

Một loại robot mà trẻ em có thể chơi với chúng, loại robot này chạy được khi ta vỗ tay Một loại robot khác thì chuyển các cử động của tay người thành các xung điện rồi qua đó điều khiển tay nhân tạo Robot này có một tập lệnh được cài sẵn trong bộ nhớ, và nó có thể nhấc và mang theo các đồ vật theo lệnh từ bộ điều khiển trung tâm Một số loại robot khác nữa với các bộ cảm biến nhận biết giọng nói của con người,

đo nhiệt độ cơ thể và thực hiện nhiều công việc phức tạp khác nhau, các robot này không chỉ là các đồ chơi hấp dẫn cho trẻ em mà chúng còn là các mô hình của các thiết bị thực tiễn phục vụ trong sinh hoạt hằng ngày

Một thế hệ robot mới ra đời ở nhật bản được gọi là kỹ thuật “I-walk” Hình 2.13 (Honda.com) Những robot này thông minh hơn nhiều so với những robot thế hệ trước

Trang 36

đó sử dụng trong các nhà máy Thế hệ robot thông minh này được thiết kế để sử dụng

trong nhà và trong văn phòng, và làm cho Nhật Bản chiếm lĩnh thị trường thế giới

mặt hàng điện tử Robot mới nhất của hãng Honda Motor có thể di chuyển bằng hai

chân, vẫy tay, bật công tắc, khiêu vũ, nướng bánh, và giúp tắm rữa cho người lớn

tuổi Sản phẩm robot này tiêu biểu cho một bước tiến trong lĩnh vực robot, vì nó cho

phép các nhà kỹ thuật có thể tạo ra những di chuyển nhẹ nhàng, giống như người

Các nhà khoa học của hãng Honda cho biết trong tương lai các robot thế hệ sau sẽ

đảm nhiệm được các công việc thường ngày như đẩy xe tới lui trong siêu thị, tăng

giảm nhiệt độ trong phòng , v.v

c) d)

e) f)

Hình 2.1.13 a),b),c),d),e),f) Robot ASIMO

Trong lĩnh vực giải trí, hãng Sony vừa cho ra đời một loại robot đáp ứng nhu cầu giải

trí ngày càng cao cho các khách hàng cao cấp; đó là chó robot AIBO Hình 2.2.13.2

Trang 37

trình bày chó AIBO có tên là Pez AIBO sinh ngày 9 tháng 3 năm 2000 vào lúc 16:00

tại Anh

a) b) c) d)

e) f) g) h)

Hình 2.1.13.2 a), b), c), d), e), f), g), h), i), j), k) Chó AIBO

1.2.2 Thống kê về tình hình sử dụng robot

1.2.2.1 Tỷ lệ phân bố về loại công việc được dùng Robot

1 2%

2 4%37%

4 9%

5 11%

6 13%

7 16%

8 18%

9 20%

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 Đúc áp lực 18.3%

2 Hàn điểm 14.7%

3 Hàn hồ quang 12.3%

4 Cấp thoát phôi 9.6%

5 Lắp ráp 9.5%

6 Nghiên cứu/ đào tạo 5.7%

7 Phun phủ bề mặt 5.7%

8 Nâng chuyển, sắp xếp 3.9%

9 Các việc khác 20.3%

Trang 38

1.2.2.2 Sơ đồ phân bố tỷ lệ các loại Robot với các loại phương pháp điều khiển khác nhau

A- Tay máy điều khiển bằng tay 4%

A 4%

B 59%

C 11%

D 18%

E 5%

F 3%

B- Robot được điều khiển theo chu kỳ cứng

59%

C- Robot được điều khiển theo chu kỳ thay

đổi theo chương trình 11%

D- Robot được điều khiển dùng chương

trình dạy học 18%

E- Robot điều khiển theo chương trình số

5%

F- Robot được điều khiển có xử lý tinh khôn 3%

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1.3.1 Đặt vấn đề

Từ xa xưa, con người đã sớm ý thức được sự hạn chế về sức dẽo dai và độ chính xác về các hoạt động của mình Con người đã không ngừng nghiên cứu chế tạo ra các máy móc thiết bị để bổ khuyết cho các điểm hạn chế nói trên

Xã hội vì thế càng phát triển và vì thế ngày càng xuất hiện thêm nhiều ngành khoa học, nhiều ngành sản xuất mới xuất hiện Có những ngành đòi hỏi con người phải hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, độc hại cho sức khỏe; có những ngành đòi hỏi sự chính xác cao và độ dẻo dai,… mà con người khó lòng đáp ứng được Chính vì các lý do trên, dần dần đã hình thành một nhu cầu nghiên cứu và chế tạo một cơ cấu có thể hoạt động linh hoạt để thay thế cho con người nhưng với độ chính xác cao hơn, sức dẻo dai cao hơn và thậm chí có những tính năng mà con người không thể có được! Có lẽ vì vậy, ngành kỹ thuật về robot đã ra đời và phát triển thật nhanh chóng Robot ngày nay không những phổ biến ở các nước công nghiệp mà đang bắt đầu được quan tâm áp dụng ở nước ta Bên cạnh số lượng đông đảo các robot sử dụng trong sản xuất công nghiệp mà hầu hết là các robot tĩnh tại, với mục đích chủ yếu là làm linh hoạt hóa quá trình sản xuất đã được tự động hóa, trong thời gian gần đây, việc nghiên cứu và ứng dụng Mobile Robot trong sản xuất, sinh hoạt và giải trí ngày càng được phát triển Bên cạnh những thành tựu về điều khiển, giám sát, khả năng tự lập trình,… đã được ứng dụng vào robot công nghiệp tĩnh tại Những Mobile Robot ngày nay còn đòi hỏi phải được áp dụng các phương pháp điều khiển tinh vi hơn đồng thời với việc trang bị cho chúng các khả năng về nhận dạng hình ảnh vật thể 3 chiều, khoảng cách

Trang 39

đến vật cản (hoặc đối tượng thao tác), khả năng nhận biết tiếng nói, khả năng nhận biết đối tượng qua tiếp xúc,… và vì thế chúng thông minh, linh hoạt như con người! Có rất nhiều vấn đề cần phải giải quyết liên quan đến robot nói chung và Mobile Robot và tay máy nói riêng Nhưng mục tiêu chủ yếu của việc sáng tạo Robot và các thiết bị khác là phải áp dụng chúng vào đời sống, sản xuất, an ninh quốc phòng, nghiên cứu khoa học trên mặt đất cũng như ngoài vũ trụ xa xăm,…

Với mong muốn bước đầu làm quen với việc chế tạo ra các máy móc phục vụ cho các lợi ích thiết thực của con người Tôi đã chọn đề tài ‘Nghiên cứu thiết kế và điều khiển Mobile Robot’ cho Luận văn tốt nghiệp của mình

1.3.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của đề tài

1.3.2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Với cách đặt vấn đề như trên, mục tiêu của luận văn bao gồm

Lựa chọn phương pháp điều khiển và xây dựng phần cứng (Cơ khí và Điện tử) phù hợp, xây dựng giải thuật điều khiển thích hợp để thiết kế hoàn chỉnh một Mobile Robot

Thiết kế, chế tạo mô hình Mobile Robot cùng với việc trang bị những thiết bị và cảm biến cần thiết như bộ điều khiển từ xa, bàn phím bộ thu phát hồng ngoại, camera,… Chế tạo nên một Robot có các chế độ vận hành như: chế độ điều khiển bằng tay (Manual), chế độ tự động (Auto), chế độ huấn luyện (Teaching) ,

Nghiên cứu các giải thuật, các phương pháp điều khiển khả thi có thể áp dụng trên Mobile Robot để robot có thể điều khiển từ xa được bằng vô tuyến, điều khiển bằng tay nhờ bàn phím, có thể dò tìm đường đi, có thể vận hành độc lập, có thể nhận và thực thi các thao tác con người nhập vào “cần thay đổi chương trình hoạt động” (chế độ huấn luyện), có khả năng tránh va chạm cũng như thích nghi với mức độ thấp khi gặp chướng ngại vật trên đường đi

1.3.2.2 Nội dung nghiên cứu

Với mục tiêu nêu trên, nội dung nghiên cứu gồm những phần sau

- Động lực học và cơ cấu truyền động của xe, cánh tay robot

- Cảm biến và các linh kiện cần cho thiết kế mạch giao tiếp

- Cổng giao tiếp Printer Port, thiết bị điều khiển từ xa

- Giải thuật điều khiển, các phương pháp thiết kế robot

- Vi điều khiển

- Máy tính

Trang 40

Luận văn Thạc Sĩ Chương II: Các định nghĩa về robot- cấu trúc động học của robot

Từ khi ra đời robot đã được nhiều nhà nghiên cứu đề cập và phân loại khá nhiều trong các công trình nghiên cứu, trong các sách vở Hiểu rõ hơn về cách phân biệt robot với các máy móc tự động khác cũng như lịch sử tiến hóa của công cụ đa chức năng, có thể lập trình, thông minh và linh hoạt này giúp cho quá trình thiết kế và điều khiển tốt hơn và hiệu quả hơn

2.1 MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA

Viện nghiên cứu Robot Hoa kỳ đưa ra một định nghĩa về Robot như sau: “Robot là một tay máy nhiều chức năng, thay đổi được chương trình hoạt động, được 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 được lập trình nhằm mục đích hoàn thành những công việc đa dạng” (Schlussel, 1985)

Trong định nghĩa trên hai đặc điểm đa chức năng và có thể lập trình lại được là đặc

trưng quan trọng nhất để phân biệt robot với các máy móc tự động khác Một robot phải có khả năng có thể được lập trình lại được để có thể thực hiện một nhiệm vụ mới Thêm vào đó robot phải có khả năng thực hiện nhiều chức năng khác nhau, phụ thuộc vào chương trình và cấu tạo robot

Định nghĩa Robot còn được Mikell P Groover, một nhà nghiên cứu hàng đầu trong lĩnh vực Robot, mở rộng hơn như sau

“Robot công nghiệp là những máy, thiết bị tổng hợp hoạt động theo chương trình có những đặc điểm nhất định tương tự như ở con người.”

Định nghĩa của M P Groover về robot không dừng lại ở tay máy mà mở rộng ra cho nhiều đối tượng khác có đặc tính tương tự như con người như là suy nghĩ, có khả năng đưa ra quyết định và có thể nhìn thấy hoặc cảm nhận được đặc điểm của sự vật hay đối tượng mà nó phải thao tác hoặc xử lý

Theo Artobolevski I I., Vorobiov M V và các nhà nghiên cứu thuộc trường phái SEV trước đây thì phát biểu rằng

“Robot công nghiệp là những tay máy hoạt động tự động được điều khiển theo những chương trình để thực hiện việc thay đổi vị trí của những đối tượng thao tác khác nhau với mục đích tự động hóa các quá trình sản xuất”

Sự thống nhất trong tất cả các định nghĩa ở trên ở đặc điểm “điều khiển theo chương trình” Đặc điểm này ở robot được thực hiện nhờ sự ra đời của những bộ vi xử lý (Microprocessor) và các vi mạch chuyên dùng được gọi là “chip” trong những năm

1970

Không lâu sau khi xuất hiện robot được điều khiển theo chương trình, người ta đã thực hiện được các robot có khả năng tự hành Hơn nữa, với những bước phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vi điện tử và tin học, hiện nay người ta đã sáng tạo ra nhiều

Định dạng
Số trang	208
Dung lượng	5,51 MB