Bài giảng Rôbôt công nghiệp - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Bài giảng mang tính công nghệ được biên soạn dựa theo nội dung chương trình giảng dạy môn học: “Rô bốt công nghiệp” dành cho sinh viên đại học ngành công nghệ kỹ thuật điện, công nghệ tự động. Nội dung của tập bài giảng gồm ba chương như sau: Tổng quan về Rôbốt công nghiệp; Điều khiển rôbốt công nghiệp; Các cơ cấu & trang bị trên rôbốt công nghiệp.

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước là mục tiêu hàng đầu trong công cuộc xây dựng phát triển của nước ta, "Đến năm 2020 đất nước ta về cơ bản phải trở thành nước công nghiệp" Rô bốt là thành phần chủ chốt trong tự động hóa công nghiệp Yếu

tố quyết định cho việc sử dụng Rô bốt trong sản xuất công nghiệp một cách khá phổ biến hiện nay là do tính linh hoạt trong vận hành, hoạt động tinh vi, nhanh và chuẩn xác, có khả năng thay thế con người làm việc trong môi trường độc hại và không an toàn Việc ứng dụng Rô bốt công nghiệp vào trong sản xuất là thực sự cần thiết bởi nó

sẽ làm thay đổi cục diện tại các nhà máy và bắt kịp được sự phát triển chung của thế giới

Trong những năm gần đây, việc ứng dụng của công nghệ tự động và tự động hóa vào trong sản xuất là nhu cầu bắt buộc tối thiểu Việc biên soạn giáo trình và giảng dạy môn học “Rô bốt công nghiệp” trong các trường đại học mang tính hàn lâm nhiều hơn là tính công nghệ Chính vì lẽ đó mà các giáo trình biên soạn khó phù hợp với đội ngũ giáo viên dạy nghề Qua nhiều năm nghiên cứu giảng dạy, tham khảo các tài liệu liên quan và tham gia nghiên cứu tại các nhà máy chúng tôi biên soạn bài giảng

“Rô bốt công nghiệp” Bài giảng nhằm mục đích phục vụ cho học tập và nghiên cứu của học sinh – sinh viên khoa Điện – Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Bài giảng mang tính công nghệ được biên soạn dựa theo nội dung chương trình giảng dạy môn học: “Rô bốt công nghiệp” dành cho sinh viên đại học ngành công nghệ kỹ thuật điện, công nghệ tự động Nội dung của tập bài giảng gồm ba chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về Rô bốt công nghiệp

Chương 2: Điều khiển rôbốt công nghiệp

Chương 3: Các cơ cấu & trang bị trên rôbốt công nghiệp

Bài giảng được trình bày rõ dàng ngắn gọn dễ hiểu Nội dung từng phần thể hiện rõ sự gắn liền lý thuyết với thực tế sản xuất hiện đại ngày nay Cuối mỗi chương đều có các câu hỏi và bài tập kèm theo để sinh viên dễ dàng củng cố được nội dung kiến thức và có khả năng áp dụng trực tiếp vào quá trình sản xuất

Để có được tập bài giảng “Rô bốt công nghiệp” này chúng tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ của trung tâm thực hành, các thầy cô giảng dạy phần rô bốt hàn thuộc khoa Cơ khí Chúng tôi xin cảm ơn sự quan tâm tạo điều kiện của Ban Giám hiệu, hội đồng khoa học các cấp, các phòng ban chức năng trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định

Bài giảng được biên soạn lần đầu chắc hẳn không tránh khỏi những khiếm khuyết chúng tôi rất mong nhận được các ý kiến góp ý của các thầy cô giáo và các em sinh viên Mọi ý kiến góp ý xin gửi về bộ môn Kỹ thuật điều khiển - Khoa Điện -Điện tử - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định

Trân trọng./

Nam định, tháng 10 năm 2013

Các tác giả

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ RÔ BỐT CÔNG 1.1 Sơ lượt quá trình phát triển của Rô bốt công nghiệp (IR) :

Trên thế giới

Thuật ngữ "Rô bốt" xuất phát từ tiếng Sec (Czech) "Rôbốta" có nghĩa là công việc tạp dịch (trong vở kịch Rossum's Universal Rô bốt của Karel Capek, vào năm 1921) Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người

Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là "Người máy công nghiệp" (Industrial Rô bốt - IR)

Ngày nay người ta đặt tên người máy công nghiệp (hay Rô bốt công nghiệp) cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất

Về mặt kỹ thuật, những Rô bốt công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool)

Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ Người thao tác được tách biệt khỏi khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy được công việc bên trong Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay của người thao tác; nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ) Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một

cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tuỳ ý của tay cầm và bộ kẹp Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm

Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay Những Rô bốt đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số

Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của người máy công nghiệp Một trong những Rô bốt công nghiệp đầu tiên được chế tạo là Rô

bốt Versatran của công ty AMF, Mỹ Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại Rô bốt Unimate -1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô

Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất Rô bốt công nghiệp : Anh -1967, Thuỵ Điển và Nhật -1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức -1971; Pháp - 1972; ở

ý - 1973

Tính năng làm việc của Rô bốt ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu Rô bốt hoạt động theo mô hình "mắt-tay", có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại Rô bốt được điều khiển bằng máy vi tính, gọi là Rô bốt T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai) Rô bốt này có thể nâng được vật có khối lượng đến 40kg Có thể nói, Rô bốt là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ

xa với mức độ "tri thức" ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia

Trong những năm sau này, việc nâng cao tính năng hoạt động của Rô bốt không ngừng phát triển Các Rô bốt được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau

để nhận biết môi trường chung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện tử đã tạo ra các thế hệ Rô bốt với nhiều tính năng đăc biệt, số lượng Rô bốt ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm Nhờ vậy, Rô bốt công nghiệp đã có

vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại Một vài số liệu về số lượng

Rô bốt được sản xuất ở một vài nước công nghiệp phát triển như bảng 1.1 sau :

Bảng 1.1 số liệu về số lượng Rô bốt được sản xuất ở một vài nước công nghiệp

Mỹ là nước đầu tiên phát minh ra Rô bốt, nhưng nước phát triển cao nhất trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo và sử dụng Rô bốt lại là Nhật

Ở Việt Nam

Nghiên cứu phát triển rô bốt ở Việt Nam có những bước tiến đáng kể trong 25 năm qua Vào giai đoạn 1985-1990, chương trình nghiên cứu quốc gia về tự động hóa đã có những đề tài nghiên cứu và chế tạo rô bốt do Trung tâm Tự động hóa, Đại học Bách khoa

Hà Nội chủ trì Các rô bốt được chế tạo thời gian này là một số loại tay máy được điều khiển bằng khí nén rất cồng kềnh và chưa có phần điều khiển điện tử Thiết kế rô bốt nặng về thiết kế cơ khí, chi tiết máy Các chuyển động của các khớp chưa có vòng điều khiển servo mà chủ yếu dùng các công tắc hành trình là chính Tuy không có khả năng ứng dụng nhưng các rô bốt này đã dấy lên hướng đào tạo về rô bốt ở Đại học Bách khoa

Hà Nội trong khi ở các trường đại học khác trên toàn quốc chưa có khái niệm về môn học

về rô bốt cả ở các khoa cơ khí lẫn khoa điện Các rô bốt được thiết kế và chế tạo ở Việt Nam thực sự có nhiều khởi sắc từ khoảng 15 năm nay Lúc này công nghệ vi xử lý, PLC, DSP, SOC đã thâm nhập sâu vào trong các trường đại học và cộng đồng công nghệ Việt Nam nên nhiều ý tưởng và đề tài nghiên cứu đã được đề xuất và triển khai Nhiều đơn vị trên toàn quốc thực hiện các nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng về rô bốt Trung tâm Tự động hóa- Đại học Bách khoa Hà Nội tiếp tục phát triển các rô bốt điều khiển bằng máy PC và vi xử lý, cho ra đời rô bốt SCA mini, là một loại rô bốt lắp ráp, phục vụ tốt cho công tác đào tạo và một số rô bốt di động được điều khiển từ xa bằng con người Đại học Bách khoa Tp.HCM phát triển rô bốt hàn, rô bốt lấy sản phẩm phôi chai nhựa PET, rô bốt phục vụ quay TV, và một số mẫu rô bốt song song hexapode phục vụ cho đào tạo Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự nghiên cứu chế tạo rô bốt sơn xe quân giới, rô bốt phục vụ chế tạo thuốc súng, rô bốt di động gắp mìn điều khiển từ xa, máy bay không người lái… Học viện Kỹ thuật Quân sự thiết kế và chế tạo rô bốt lặn dưới nước điều khiển từ xa qua dây dẫn phục vụ khảo sát các công trình dưới nước, rô bốt exoskeleton trợ giúp mang vác cho con người Viện Cơ học - Viện KH&CN Việt Nam thiết kế chế tạo rô bốt Hexapode phục vụ gia công chính xác Viện CNTT triển khai các nghiên cứu tích hợp

hệ rô bốt-camera phân loại sản phẩm, hệ rô bốt 2 bậc tự do Pan-Tilt-Camera theo dõi bám mục tiêu di động, rô bốt di động phục vụ tự động hóa kho hàng Gần đây, trong chương trình nghiên cứu cấp quốc gia về lĩnh vực TĐH giai đoạn 2006-2010 có nhiều đề tài sắp được nghiệm thu về thiết kế chế tạo rô bốt, trong đó Đại học Bách khoa Hà Nội chế tạo rô bốt hàn vỏ tàu thủy, Viện TĐH Viện Kỹ thuật Quân sự chế tạo rô bốt phun hạt nix cọ rửa tàu, Tp HCM chế tạo máy gia công 3D sử dụng rô bốt song song Hexapode có độ chính

xác cao và hệ thống tự động sắp xếp và cấp vật tư kho gồm 3 rô bốt di động chạy trên ray Đại học Quốc gia Hà Nội tiến hành các nghiên cứu phát triển các hệ điều khiển rô bốt di động qua truyền thông không dây và Internet…

Doanh nghiệp thiết kế và chế tạo rô bốt ở Việt Nam có nhiều sản phẩm quảng cáo

ấn tượng trên trường quốc tế, trong đó phải kể đến Công ty Cổ phần Rô bốt TOSY TOSY đã gây thương hiệu bằng rô bốt dáng người đánh bóng bàn TOPIO Ping Pong được trình diễn tại Hội chợ quốc tế Rô bốt IREX 2009 ở Nhật Bản năm 2009 Gần đây tại Hội chợ quốc tế về Tự động hoá 2010 ở Đức, TOSY đã giới thiệu rô bốt dịch vụ 23 bậc tự do TOPIO Dio và 2 sản phẩm rô bốt công nghiệp với giá thành chỉ bằng 1/5 các rô bốt tương đương trên thế giới Ngoài ra, sản phẩm rô bốt đồ chơi như TOSY UFO được xuất khẩu

ra nhiều thị trường trên thế giới Phải nói lĩnh vực chế tạo rô bốt của Việt Nam đã có nhiều khởi sắc mặc dù trên thực tế rất ít rô bốt do Việt Nam thiết kế và chế tạo được đưa vào ứng dụng

Nghiên cứu về rô bốt: Song song với chế tạo rô bốt thì các công trình nghiên cứu khoa học về rô bốt được công bố của các nhà khoa học Việt Nam rất đa dạng và theo sát được các hướng nghiên cứu của thế giới Các nghiên cứu về rô bốt ở Việt Nam liên quan nhiều đến các vấn đề về động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo, xử lý thông tin cảm biến, cơ cấu chấp hành, điều khiển và phát triển trí thông minh cho rô bốt Các nghiên cứu về động học và động lực học rô bốt được các khoa cơ khí, chế tạo máy ở các trường đại học và các viện nghiên cứu về cơ học, chế tạo máy, quan tâm cả trong dân sự và quân sự Ngoài việc tìm các phương pháp giải các bài toán liên quan đến cơ học của các loại rô bốt nối tiếp, song song, di động, thì các chương trình mô phỏng kết cấu và chuyển động 3D được áp dụng và phát triển để minh họa cũng như phục vụ cho phân tích, thiết kế rô bốt Các công

bố liên quan về cơ học rô bốt thường do Viện Cơ học - Viện KH&CN Việt Nam, Khoa

Cơ khí Chế tạo máy thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội và Đại học Bách khoa Tp.HCM, các bộ môn rô bốt và Cơ điện tử ở các trường Đại học khác công bố Lĩnh vực điều khiển

rô bốt rất phong phú từ các phương pháp điều khiển truyền thống như PID, phương pháp tính mô men, phương pháp điều khiển trượt đến các phương pháp điều khiển thông minh như điều khiển sử dụng mạng nơ ron, logic mờ, thuật gen và các phương pháp điều khiển

tự thích nghi, các phương pháp học cho rô bốt, các hệ visual servoing…

Các công bố về điều khiển rô bốt cho rô bốt công nghiệp, hexapod, rô bốt di động phải kể đến các công trình của Viện CNTT Viện KH&CN Việt Nam, Đại học Bách khoa Tp.HCM và Đại học Bách khoa Hà Nội Gần đây, đội ngũ nghiên cứu và giảng dạy ở Đại học Quốc gia Hà Nội và Học viện Kỹ thuật Quân sự cũng có nhiều công bố liên quan đến

lĩnh vực điều khiển rô bốt do đội ngũ giáo viên trẻ tốt nghiệp tiến sỹ ở nước ngoài về tiếp tục các nghiên cứu của mình Lĩnh vực rô bốt di động với nhiều cảm biến dẫn đường và camera đang được nhiều đơn vị trong nước quan tâm nghiên cứu Các vấn đề xử lý ảnh tốc độ cao, phối hợp đa cảm biến, định vị và lập bản đồ không gian, thiết kế quỹ đạo chuyển động tránh vật cản cho rô bốt di động đã có nhiều công bố trong các Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc năm 2002, 2004, 2006, 2008 và 2010 Các nghiên cứu về thị giác rô bốt được quan tâm cả ở rô bốt công nghiệp và rô bốt di động, nhất là lĩnh vực nhận dạng và điều khiển rô bốt trên cơ sở thông tin hình ảnh Các vấn đề về xử lý ngôn ngữ tự nhiên, nhận dạng và tổng hợp tiếng nói tiếng Việt bắt đầu được chú ý cho các lọai rô bốt dịch

vụ

Các nghiên cứu cơ bản về rô bốt của Việt Nam đã được công bố nhiều trên các hội nghị

và tạp chí quốc tế Việc phối hợp với các nước như Nhật, Mỹ, Singapore, Đức tổ chức các hội nghị quốc tế tại Việt Nam liên quan đến rô bốt như RESCCE’98, RESCCE’00, RESCCE’02, ICMT2004, ICARCV 2008, ITOMM 2009 là một chuỗi hoạt động khoa học liên tục của cộng đồng rô bốtics Việt Nam hòa nhập vào các hoạt động nghiên cứu khoa học với các nước khu vực và tiên tiến trên thế giới

Mặc dù có nhiều loại rô bốt đã được Nhà nước hỗ trợ cho nghiên cứu chế tạo qua các đề tài nghiên cứu các cấp suốt 25 năm qua nhưng hầu như các rô bốt đó ít được ứng dụng vào thực tiễn sản xuất Nhiều nhóm nghiên cứu phát triển rô bốt được hình thành ở các trường đại học, viện nghiên cứu ở 3 miền đất nước nhưng chủ yếu phục vụ cho nghiên cứu và đào tạo Ứng dụng mạnh mẽ của rô bốt trong sản xuất chỉ có hiệu quả khi dây chuyền sản xuất có nhu cầu tự động hóa hóa cao trong khi đó nền sản xuất của Việt Nam đang ở giai đoạn công nghiệp hóa sử dụng lao động thủ công với giá nhân công rẻ Mặc

dù vậy các nghiên cứu phát triển rô bốt ở Việt Nam vẫn phát triển mạnh đáp ứng nhu cầu đào tạo nguồn nhân lực công nghệ cao đang rất thiếu cho quá trình phát triển của đất nước

Ưu điểm của Rô bốt

Rô bốt có thể làm việc liên tục trong thời gian dài, chúng chỉ ngừng hoạt động khi cần duy tu, bảo dưỡng, thay thế

Rô bốt có khả năng làm việc trong môi trường độc hại, khu vực nguy hiểm, hoặc những nơi con người không thể đến được

Với chương trình được đặt trước, Rô bốt có khả năng làm việc với hiệu suất cao hơn con người, tiết kiệm nguyên vật liệu, độ chính xác làm việc cao

Giá thành và chi phí lắp đặt, chế tạo Rô bốt ngày càng thấp do sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật

Khi thay đổi công việc, lập trình lại cho Rô bốt nhanh hơn và chi phí thấp hơn

so với việc đào tạo một công nhân

Rô bốt có thể cải thiện được điều kiện lao động Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà chúng ta cần quan tâm Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao động phải lao động suốt buổi trong môi trường bụi bặm, ẩm ướt, nóng nực, hoặc ồn ào quá mức cho phép nhiều lần Thậm trí ở nhiều nơi người lao động còn phải làm việc dưới môi trường độc hại, nguy hiểm đến sức khoẻ con người, dễ xảy ra tai nạn, dễ bị nhiễm hoá chất độc hại, nhiễm sóng điện từ, phóng xạ

1.2 Các khái niệm và định nghĩa về Rô bốt công nghiệp

1.2.1 Định nghĩa Rô bốt công nghiệp

Hiện nay có nhiều định nghĩa về Rô bốt, có thể điểm qua một số định nghĩa như sau :

Định nghĩa theo tiêu chuẩnAFNOR (Pháp) : Rô bốt công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trụ toạ độ; có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất : chi tiết, dao cụ, gá lắp theo những hành trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau

Định nghĩa theo RIA (Rô bốt institute of America) : Rô bốt là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng

cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau

Theo Artobolevski I.I., Vorobiov M.V và các nhà nghiên cứu thuộc trường phái khối SEV trước đây thì phát biểu rằng: “Rô bốt công nghiệp là những máy hoạt động tự động được điều khiển theo chương trình để thực hiện việc thay đổi vị trí của những đối tượng thao tác khác nhau với mục đích tự động hoá các quá trình sản xuất”

Định nghĩa theo OCT 25686-85 (Nga) : Rô bốt công nghiệp là một máy tự động, được đặt cố định hoặc di động được, liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

Mikell P.Groover, một nhà nghiên cứu hàng đầu trong lĩnh vực rô bốt, mở rộng hơn như sau: “Rô bốt 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 rô bốt không dừng lại ở tay máy mà mở rộng ra cho nhiều đối tượng khác có những đặc tính tương tự như con người như là suy nghĩ, có khả năng đưa ra quy định và có thể nhìn thấy hoặc cảm nhận được đặc điểm của vật hay đối tượng mà

nó phải thao tác hoặc xử lý

Những rô bốt hay tay máy dùng các cơ cấu cam trong hệ thống điều khiển có được thừa nhận hay không là không quan trọng ; điều quan trọng là chúng đã đóng vai trò đáng kể trong việc tự động hoá sản xuất ở các nhà máy Những rô bốt, tay máy nói trên còn được gọi một cách hình tượng là “tự động hoá cứng”, ngược lại với “tự động hoá linh hoạt”, mà đại diện của chúng là những rô bốt công nghiệp được điều khiển bằng chương trình, thay đổi được nhiệm vụ thao tác đặt ra một cách nhanh chóng

Một số nhà khoa học hàng đầu trong lĩnh vực rô bốt của Nhật Bản đưa ra những định nghĩa về rô bốt dưới dạng những yêu cầu như sau:

Theo Giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học Tổng hợp Tokyo) thì một rô bốt công nghiệp phải thoả mãn yếu tố sau:

- Có khả năng thay đổi chuyển động;

- Có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác;

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

- Có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động;

- Có khả năng hoạt động tương hỗ với đối tượng bên ngoài

Theo Giáo sư Masahiro Mori (Viện công nghệ Tokyo) thì rô bốt công nghiệp phải có các 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 người và máy

Từ những khác biệt trong định nghĩa về rô bốt, căn cứ vào tính linh hoạt của những hệ thống sản xuất có áp dụng rô bốt P.J.McKerrow, một nhà nghiên cứu về rô

bốt của Úc đã đưa ra một định nghĩa ở một góc độ khác Theo ông, rô bốt là một loại máy có thể lập trình để thực hiện những công việc đa dạng tương tự như một máy tính, là một mạch điện tử có thể lập trình để thực hiện những công việc đa dạng

Các rô bốt đóng góp vào sự phát triển công nghiệp dưới nhiều dạng khác nhau; tiết kiệm sức người, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng sản phẩm và

an toàn lao động và giải phóng con người khỏi những công việc cực nhọc và tẻ nhạt Tất nhiên, trong tương lai còn nhiều vấn đề nảy sinh khi rô bốt ngày càng thay thế các hoạt động của con người, nhưng trong việc đem lại lợi ích cho con người, khám phá

vũ trụ, và khai thác các nguồn lợi đại dương, rô bốt đã thực sự làm cho cuộc sống của chúng ta tốt đẹp hơn Trước khi đi vào phân tích những nội dung tiếp theo, để bạn đọc

có sự nhận dạng một cách thống nhất trong quá trình khảo sát, dưới đây sẽ trình bày một số phương pháp phân loại rô bốt sử dụng trong công nghiệp

Có thể nói Rô bốt công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc toàn bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng thích nghi khác nhau Rô bốt công nghiệp có khả năng chương trình hoá linh hoạt trên nhiều trụ chuyển động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng Rô bốt công nghiệp được trang bị những bàn tay máy hoặc các cơ cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định trong các quá trình công nghệ : hoặc trực tiếp tham gia thực hiện các nguyên công (sơn, hàn, phun phủ, rót kim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy ) hoặc phục vụ các quá trình công nghệ (tháo lắp chi tiết gia công, dao cụ, đồ gá ) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối tượng với các trạm công nghệ, trong một hệ thống máy tự động linh hoạt, được gọi là "Hệ thống tự động linh hoạt Rô bốt hoá" cho phép thích ứng nhanh và thao tác đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi

1.2.2 Bậc tự do của Rô bốt (DOF : Degrees Of Freedom)

Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến) Để dịch chuyển được một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của

Rô bốt phải đạt được một số bậc tự do

Thông thường các tay máy có trên một bậc tự do Số bậc tự do hay bậc chuyển động của tay máy là số khả năng chuyển động độc lập của nó trong không gian hoạt động Trong lĩnh vực rô bốt học (rô bốtic) người ta hay gọi mỗi khả năng chuyển động

(có thể là chuyển động thẳng; dọc theo hoặc song song với một trục, hoặc chuyển động quay quanh trục) là một trục, tương ứng theo đó là một toạ độ suy rộng dùng để xác định vị trí của trục trong không gian hoạt động Mỗi trục của tay máy đều có cơ cấu tác động và cảm biến vị trí được điều khiển bởi một bộ xử lý riêng

Thông qua các khảo sát thực tế, người ta nhận thấy là để nâng cao độ linh hoạt của tay máy sử dụng trong công nghiệp, các tay máy phải có số bậc chuyển động cao Tuy nhiên, số bậc chuyển động này không nên quá 6 Lý do chính là với 6 bậc chuyển động, nếu bố trí hợp lý, sẽ đủ để tạo ra khả năng chuyển động linh hoạt của khâu tác động cuối nhằm có thể tiếp cận đối tượng thao tác (nằm trong vùng không gian hoạt động của nó) theo mọi hướng Ngoài ra, số bậc tự do nhiều hơn sáu sẽ không kinh tế

và khó điều khiển hơn Sáu bậc chuyển động được bố trí gồm:

• Ba bậc chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị

• Ba bậc chuyển động bổ sung hay chuyển động định hướng

1) Bậc chuyển động cơ bản hay chuyển động định vị

Về nguyên lý cấu tạo, tay máy là một tập hợp các khâu được liên kết với nhau thông qua các khớp động để hình thành một chuỗi động hở Khớp động được sử dụng trên các tay máy thường là các khớp loại 5 (khớp tịnh tiến hoặc khớp quay loại 5) để

dễ chế tạo, dễ dẫn động bằng nguồn độc lập và cũng dễ điều khiển Tay máy có số chuyển động độc lập thường là từ ba trở lên (dưới đây ta sẽ gọi là bậc tự do hay bậc chuyển động)

Các chuyển động độc lập có thể là các chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay Mỗi khâu động trên tay máy, về nguyên tắc, có ít nhất là một khả năng chuyển động độc lập và thường là một Như vậy khái niệm bậc tự do hay bậc chuyển động cũng chính là số khả năng chuyển động độc lập mà một tay máy có thể thực hiện được

Trường hợp mỗi khâu động trên tay máy có một khả năng chuyển động độc lập, 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 chính trên một tay máy là những chuyển động có ảnh hưởng quyết định đến dạng hình học của không gian hoạt động của nó như bạn đọc đã xem ở phần phân loại Các chuyển động này thực hiện việc chuyển dời cổ tay của tay máy đến những vị trí khác nhau trong vùng

không gian hoạt động của tay máy vì vậy còn được gọi là các chuyển động định vị

Bên cạnh các rô bốt tĩnh tại được sử dụng phần lớn trong công nghiệp hiện nay, các loại rô bốt di động cũng được sử dụng trong một số trường hợp đặc biệt

Bậc chuyển động của rô bốt di động được xác định bởi số khả năng chuyển động độc lập của nó kể cả các chuyển động di động

Phần ngoài cùng của tay máy (khâu tác động cuối - End Effector) thường có dạng của một tay gấp, một bộ phận làm việc với đối tượng thao tác, có thể tác động trực tiếp với đối tượng thao tác hoặc được thay thế bởi các dụng cụ công nghệ như là ống đưa dây hàn trên rô bốt hàn, đầu phun sơn hoặc phun men, đầu vặn bu-lông, đai

ốc trong dây truyền lắp ráp tự động, v.v Chuyển động kẹp của tay gắp không được

kể khi tính bậc chuyển động bởi vì chuyển động này không ảnh hưởng đến vị trí, toạ

độ của tay máy Để thuận tiện trong việc điều khiển, mỗi bậc chuyển động của tay máy thường là có nguồn dẫn động riêng, có thể là nguồn dẫn khí nén, dầu ép hay điện

Một số tay máy dùng chung nguồn dẫn cho một nhóm các chuyển động, tuy nhiên, kiểu dùng chung này cồng kềnh và kém linh hoạt hơn Phần lớn các rô bốt công nghiệp hiện đại có một tay máy Tuy vậy trong ứng dụng cũng có rô bốt có nhiều tay máy

(2) Bậc chuyển động bổ sung (bậc chuyển động định hướng)

Một tay máy đều yêu cầu một bộ phận công tác trang bị ở khâu tác động cuối (End Effector), có thể là một bộ gắp, kẹp hoặc súng phun sơn, phun vữa, ống dẫn dây hàn,v.v có đủ độ linh hoạt trong chuyển động để đảm bảo khả năng hoàn thành nhiệm vụ công nghệ đặt ra Để hoàn toàn định hướng đến tư thế làm việc với đối tượng thao tác cũng cần tối thiểu ba bậc chuyển động, tương tự như các chuyển động xoay của cố tay người; ba khớp quay loại 5 được sử dụng để xoay khâu tác động cuối trong mặt phẳng ngang, mặt phẳng thẳng đứng và quay quanh trục của nó

Các bậc chuyển động xoay cổ tay nói trên được gọi là các chuyển động định hướng nhằm tăng khả năng linh hoạt, giúp tay máy có thể dễ dàng định hướng của khâu tác động cuối đạt đến tư thế cần thiết để tác động lên đối tượng thao tác, cũng như tăng khả năng tránh chướng ngại vật trong không gian thao tác nhằm cải thiện tính chất động lực học của tay máy

Tuy nhiên, điều cần lưu ý ở đây là thêm càng nhiều bậc chuyển động một mặt

sẽ làm tăng khả năng linh hoạt của tay máy, mặt khác cũng kéo theo hệ quả là làm tăng thêm sai số dịch chuyển, tức là làm tăng sai số tích luỹ trong điều khiển vị trí của khâu tác động cuối Điều này đồng nghĩa với sự gia tăng về chi phí và thời gian sản xuất và bảo dưỡng rô bốt

Nói chung cơ hệ của Rô bốt là một cơ cấu hở, do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức :

Trong đó : n - Số khâu động;

pi - Số khớp loại i (i = 1,2, .,5 : Số bậc tự do bị hạn chế)

Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh tiến (khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động Đối với cơ cấu hở, số bậc tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động

Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tuỳ ý trong không gian 3 chiều Rô bốt cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do

để định hướng Một số công việc đơn giản nâng hạ, sắp xếp có thể yêu cầu số bậc tự

do ít hơn Các Rô bốt hàn, sơn thường yêu cầu 6 bậc tự do Trong một số trường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hoá quỹ đạo, người ta dùng

Rô bốt với số bậc tự do lớn hơn 6

1.2.3 Hệ toạ độ (Coordinate frames) :

Mỗi Rô bốt thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các khớp (joints), tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên

Hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn) Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng Trong từng thời điểm hoạt động, các toạ độ suy rộng xác định cấu hình của Rô bốt bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc cuả các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay (hình 1.1) Các toạ độ suy rộng còn được gọi là biến khớp

Hình 1.1: Các toạ độ suy rộng của Rô bốt

Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của Rô bốt phải tuân theo qui tắc bàn tay phải : Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xoè 3 ngón : cái, trỏ và giữ theo 3 phương pháp vuông góc với nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của truc z thì ngón trỏ chỉ phương,

chiều của trụ x và ngón giữa sẽ biểu thị

phương, chiều của trụ y (hình 1.2)

Trong Rô bốt người ta thường

dùng chữ O và chỉ số n để chỉ hệ tọa độ

gắn trên khâu thứ n Như vậy hệ tọa độ

cơ bản (hệ tọa độ gắn với khâu cố

định) sẽ được ký hiệu là O0; hệ tọa độ

gắn trên các khâu trung gian tương ứng

sẽ là O1, O2,…, On-1 Hệ tọa độ gắn

trên khâu chấp hành cuối ký hiệu là

On

Hình 1.2: Qui tắc bàn tay phải

1.2.4 Trường công tác của Rô bốt (Workspace or Range of motion):

Trường công tác (hay vùng làm việc, không gian công tác) của Rô bốt là toàn

bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi Rô bốt thực hiện tất cả các chuyển động có thể Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của Rô bốt cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp; ví dụ, một khớp quay có chuyển động nhỏ

hơn một góc 3600 Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác của một Rô bốt (hình 1.3)

1.2.6 Tốc độ dịch chuyển

Xét về yếu tố năng suất người ta mong muốn tốc độ dịch chuyển nói chung càng cao càng tốt Tuy nhiên về mặt có học, tốc độ cao sẽ dẫn đến những vấn đề như giảm tính ổn định, lực quán tính lớn, các cơ cấu ma sát mòn nhanh hơn

Xét về mặt điều khiển với độ phân giải sẵn có của bộ điều khiển, khi tăng tốc độ dịch chuyển có thể làm giảm độ chính xác định vị Vì vậy vấn đề chọn tốc độ dịch chuyển hợp lí cũng đặt ra khi thiết kế và lựa chọn rô bốt

1.2.7 Đặc tính của bộ điều khiển

Rô bốt là sản phẩm cơ điện tử nên ngoài khâu khớp còn có bộ não của rô bốt là các thiết bị điều khiển

Kiểu điều khiển: có hai kiểu điều khiển hay dùng nhất cho RBCN là điều khiển điểm - điểm và điều khiển liên tục Điều khiển điểm - điểm thường dùng cho các rô

bốt hàn điểm, tán đinh, vận chuyển Điều khiển liên tục dùng cho các rô bốt hàn đường, phun sơn, tạo mẫu…

Dung lượng bộ nhớ: Bộ nhớ trên rô bốt hiện đại chia làm hai phần:

Bộ nhớ hệ thống lưu trữ các phần mềm hệ thống, phần mềm công dụng chung như hệ điều hành, dữ liệu máy, các mô đun chương trình tính toán động học, động lực học

Bộ nhớ chương trình dùng lưư trữ các chương trình ứng dụng do người dùng tạo

ra Thường bộ nhớ chương trình là RAM, dung lượng của nó là một thông số đáng quan tâm

Giao diện với các thiết bị ngoại vi: Các thiết bị ngoại vi là các thiết bị mà rô bốt phải phục vụ hay phối hợp làm việc Chẳng hạn máy công cụ, phương tiện vận chuyển như băng tải, máng tải, thiết bị đo lường, hoặc các thiết bị hiển thị, in ấn nhập dữ liệu…Hầu hết các rô bốt phục vụ trong dây chuyền có khả năng ghép nối trong hệ CIM thông qua giao diện truyền thông chuẩn Điều này có thể giúp mở rộng khả năng công nghệ vốn có của rô bốt ra ngoài đặc tính chuẩn của nó, thông qua việc xây dựng

dữ liệu bằng ngôn ngữ chuẩn của nhà sản xuất sau đó kết nối vào từ bên ngoài

Các tiện ích: Tiện ích của rô bốt bao gồm lập trình có trợ giúp đồ họa, hệ thống dạy - học, mô phỏng gia công Những tiện ích này làm cho rô bốt thân thiện hơn với người sử dụng

1.3 Cấu trúc cơ bản của Rô bốt công nghiệp

1.3.1 Các thành phần chính của Rô bốt công nghiệp

Một Rô bốt công nghiệp thường bao gồm các thành phần chính như: cánh tay

Rô bốt, nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điều khiển, thiết bị dạy học, máy tính các phần mềm lập trình cũng nên được coi là một thành phần của hệ thống Rô bốt Mối quan hệ giữa các thành phần trong Rô bốt như hình 1.4

Thiết bị dạy-hoc (Teach-Pendant) dùng để dạy cho Rô bốt các thao tác cần thiết theo yêu cầu của quá trình làm việc, sau đó Rô bốt tự lặp lại các động tác đã được dạy

để làm việc (phương pháp lập trình kiểu dạy học)

Các phần mềm để lập trình và các chương trình điều khiển Rô bốt được cài đặt trên máy tính, dùng điều khiển Rô bốt thông qua bộ điều khiển (Controller) Bộ điều khiển còn được gọi là Mô đun điều khiển (hay Unit, Driver), nó thường được kết nối với máy tính Một mô đun điều khiển có thể còn có các cổng Vào - Ra (I/O port) để làm việc với nhiều thiết bị khác nhau như các cảm biến giúp Rô bốt nhận biết trạng thái của bản thân, xác định vị trí của đối tượng làm việc hoặc các dò tìm khác; điều khiển các băng tải hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt động phối hợp với Rô bốt Với cấu trúc

và chức năng như trên, Rô bốt phần nào mang tính “người” còn phần máy chính là trạng thái vật lý của cấu trúc Với IR tính chất “người” và “máy”cũng được thể hiện đầy đủ như trên, duy trì hình thức mang dáng dấp của tay “người”

1.3.2 Cấu trúc của tay máy

Thuật ngữ “tay máy” và Rô bốt trong quan niệm của nhiều nhà chuyên môn trong lĩnh vực này không có sự khác biệt Để thuận tiện trong trình bày, ở đây ta hiểu tay máy là một dạng Rô bốt có cấu tạo mô phỏng theo những đặc điểm cấu tạo cơ bản của cánh tay người Cũng có thể hiểu tay máy là tập hợp các bộ phận và cơ cấu cơ khí được thiết kế để hình thành các khối có chuyển động tương đối với nhau, được gọi

là các khâu động hay các trụ Trong đó, phần liên kết giữa các khâu động được gọi là các khớp động Tay máy cũng bao gồm cả các cơ cấu tác động là các phần tử thực sự thực hiện các chuyển động để vận hành tay máy như động cơ điện, xy - lanh dầu ép,

xy - lanh khí nén, Phần quan trọng khác trên các tay máy là bộ phận hay khâu tác động cuối (End - Effector) để thao tác trên đối tượng làm việc - thường là các tay gắp hoặc các đầu công cụ chuyên dùng như mỏ hàn, dao cắt lazer

Tay máy có thể gọi là cánh tay cơ khí của Rô bốt công nghiệp thông thường là một chuỗi động hở được tạo thành từ nhiều khâu được liên kết với nhau nhờ các khớp động Khâu cuối (hay khâu tác động cuối) của tay máy thường có dạng một tay gắp hoặc được gắn dụng cụ công tác

Hình 1.5: Mô hình kết cấu của tay máy Mỗi khâu động trên tay máy có nguồn dẫn động riêng, năng lượng và chuyển động truyền đến cho chúng được điều khiển trên cơ sở tín hiệu nhận được từ bộ phận phản hồi là các cảm biến nhằm thông báo trạng thái hoạt động của các khâu chấp hành, trong đó vấn đề được đặc biệt quan tâm là vị trí và vận tốc dịch chuyển của khâu cuối - khâu thể hiện kết quả tổng hợp các chuyển động của các khâu thành phần

Vai Shoulde

r

Cánh Arm Cổ tay Wrist

tay-Bàn tay hand

1) Tay máy toạ độ vuông góc

Là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trụ

hệ toạ độ gốc (cấu hình T.T.T) Trường công tác có dạng khối chữ nhật Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó thuờng dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt

- Hệ thống điều khiển đơn giản dễ điều khiển

- Được ứng dụng nhiều trong hệ thống nâng vận chuyển trong các nhà xưởng chế tạo cơ khí Hay nâng hạ thi công đối với các sản phẩm trong bể tôi, mạ

Hạn chế: Việc thêm vào các loại thiết bị vận chuyển khác trong không gian làm việc của Rô bốt không được thích hợp lắm Việc duy trì vị trí của các cơ cấu dẫn động và các thiết bị điều khiển điện đối với loại Rô bốt trên đều gặp nhiều trở ngại

2) Tay máy toạ độ trụ

Tiêu biểu cho một Rô bốt hoạt động trong hệ toạ độ trụ là Rô bốt được trang bị hai chuyển động tịnh tiến và một chuyển động quay

Hình 1.6: tay máy toạ độ vuông góc

Hình 1.7: tay máy dạng hình trụ -Ưu điểm:

(1) có khả năng chuyển động ngang và sâu vào trong các máy sản xuất

(2) Cấu trúc theo chiều dọc của máy để lại nhiều khoảng trống cho sàn

(3) Kết cấu vững chắc, có khả năng mang tải lớn

(4) Khả năng lặp lại tốt

-Nhược điểm:

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

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

3) Tay máy toạ độ cầu

Vùng làm việc của Rụ bốt có dạng hình cầu thường độ cứng vững của loại Rụ bốt nầy thấp hơn so với hai loại trên Ví dụ Rô bốt 3 bậc tự do, cấu hình R.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu toạ độ cầu

Hình 1.8: tay máy dạng hình trụ

4) Tay máy kiểu khớp bản lề và kiểu SCARA

Rô bốt kiểu SCARA: Rô bốt SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanashi (Nhật Bản) là một kiểu Rô bốt mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá trình sản xuất Loại cấu hình dễ thực hiện nhất được ứng dụng cho Rô bốt là dạng khớp nối bản lề và kế đó là dạng ba trụ thẳng, gọi tắt là dạng SCARA (Selective Compliance Articulated Rô bốt Actuator) Dạng này và dạng toạ độ trụ là phổ cập nhất trong ứng dụng công nghiệp bởi vì chúng cho phép các nhà sản xuất Rô bốt sử dụng một cách trực tiếp và dễ dàng các cơ cấu tác động quay như các động cơ điện, động cơ đầu ép, khí nén

Hình 1.9: Tay máy kiểu SCARA 5) Rô bốt khớp bản lề (articular Rô bốt): ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba trụ quay, bao gồm cả kiểu Rô bốt SCARA (hình 1.10)

Hình 1.10: tay máy kiểu khớp bản lề

1.3.3 Cổ tay máy

Bàn tay người có 27 khúc xương với 22 bậc tự do rất phức tạp Hiển nhiên, các nhà thiết kế không bao giờ áp dụng hết các bậc tự do đó vào tay gắp của Rô bốt Nhiều nhà nghiên cứu về khoa học phân tích thao tác cũng như các nhà sản xuất đưa

ra số bậc chuyển động tối đa hợp lý của tay máy là sáu như đã phân tích ở phần trước Cũng ở phần trước đã trình bày, ngoài ba chuyển động cơ bản để thực hiện chuyển động định vị, tay máy sẽ được bổ sung tối đa là ba chuyển động định hướng dạng ba chuyển động quay quanh ba trụ vuông góc, gồm:

• Chuyển động xoay cổ tay (ROLL), góc quay ρ

• Chuyển động gập cổ tay (PITCH), góc quay δ

• Chuyển động lắc cổ tay (YAW), góc quay ε Hai chuyển động gập (PITCH)

và lắc cổ tay (YAW) thực hiện trên hai phương vuông góc Loại Rô bốt SCARA không cần thiết phải bổ sung các chuyển động dạng này vì điều đó sẽ phá vỡ đặc trưng hoạt động của nó Tuỳ theo yêu cầu của thao tác công nghệ đặt ra cho Rô bốt, người thiết kế cần thực hiện sự phối hợp đa dạng các chuyển động định vị với các chuyển động định hướng Chuyển động gấp, kẹp của khâu công tác cuối thường không được tính vào bậc chuyển động (hay bậc tự do) của Rô bốt ngoại trừ trường hợp tay gắp có dạng tay gắp servo được điều khiển bởi một mạch riêng trên bộ điều khiển

1.3.4 Cơ cấu tay kẹp

Phần công tác của rô bốt rất đa dạng, trên các rô bốt chuyên dùng thì phần công tác cũng là thiết bị chuyên dùng Ví dụ mỏ hàn, mỏ cắt, súng phun sơn, chìa vặn vít, bàn kẹp.Trên các loại rô bốt vạn năng thường là rô bốt lắp ráp, vận chuyển, xếp dỡ thì

phần công tác có chức năng nắm giữ và thực hiện các thao tác khác nhau với đối tượng (xoay, nhấc, lật, thả ), nếu không đề cập đến sự khác biệt về kết cấu mà căn cứ vào chức năng chính của chúng, ta gọi chung là tay kẹp Các hình ảnh sau minh họa các kết cấu từ đơn giản đến phức tạp của bộ phận này

Hình 1.11: Hình ảnh một số tay kẹp của rô bốt

Kết cấu tay kẹp cơ khí Đó là loại tay kẹp để giữ, di chuyển đối tượng bằng các

mỏ kẹp, móc, càng, tấm đỡ (xem các minh họa phần trên) Tay kẹp không có điều khiển dùng các loại mỏ, nhíp, chấu …để kẹp vật nhờ tác dụng của lò xo hoặc nhờ lực đàn hồi của chính các chi tiết trong hệ thống Kết cấu của các loại kẹp này rất đơn giản, chúng không có nguồn dẫn động riêng, không có cơ cấu hãm nên lực kẹp dao động theo kích thước của đối tượng

Vì vậy chúng thuộc loại tay kẹp chuyên dùng, được thiết kế cho từng loại đối tượng cụ thể, với phạm vi thay đổi kích thước hẹp Do các đặc điểm nêu trên, chúng được dùng chủ yếu trong sản xuất hàng khối Xem minh họa cơ cấu này như hình 1.12:

Để đảm bảo làm việc tin cậy và ổn định ngay cả khi có biến động kích thước của đối tượng, tay kẹp được bổ xung cơ cấu hãm, ví dụ như cơ cơ minh họa dưới đây Nhờ

có cơ cấu hãm mà tay kẹp làm việc với hành trình kẹp và nhả rành mạch hơn dù vẫn không có nguồn dẫn động riêng Các tay kẹp dùng với vật tròn xoay như hình vẽ 1.12, lực kẹp được tạo ra dưới tác dụng của trọng lực, tấm nêm 4 tác động lên đuối của các

mỏ kẹp 1 Khi đặt vật xuống, nêm 4 tiến gần đến vật, hai mỏ kẹp được giải phóng, vật được nhả ra dưới tác dụng của lực kéo từ lò xo 13 Chú ý tới cơ cấu hãm, nó gồm thân

7 gắn liền với cần 5 Chốt hãm 10 gắn trên cần 12 nhưng có thể quay tự do trên đó

1

2

3 4 5 6

7 8 9 10 11 12 13

Hình 1.12: Kết cấu cơ khí một tay kẹp

-25-Trong lỗ của thân 7 có lồng 2 bạc không quay được 8 và 9 Bạc 8 có các vấu phía dưới, bạc 9 có cả vấu trên và dưới Các vấu này khi ăn khớp và trượt tương đối với các vấu trên chốt 10 sẽ làm quay chốt đó 45o Trong hành trình nhả, thân 7 tiến gần đến đầu 3, chốt 10 tiếp xúc với bạc 8, quay 450, khi đi xuống tiếp xúc với mặt trên của bạc

9 lại quay tiếp 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 đến nhau Chốt 10 tiếp xúc với bạc 8, bị quay 450 Khi đi xuống chốt 10 lại tiếp xúc với bạc 9, bị quay tiếp 450 nữa Kết quả là chốt lọt qua được rãnh và lọt ra khỏi lỗ Các mỏ 1 được khóa

ở trạng thái kẹp

Một số kiểu cơ cấu kẹp

-Tay kẹp cơ cấu hình bình hành (hình 1.13-a : Được sử dụng để duy trì độ song song hai má kẹp, khi kích thước vật kẹp thay đổi trong một phạm vi lớn

- Tay kẹp cơ cấu nêm (hình 1.13-b): Khi nêm hình trụ côn di chuyển sẽ tạo ra Chuyển động đõng và moet tay kẹp

-Tay kẹp chân không và điện từ: Các kiểu tay kẹp này dùng lực hút chân không (hoặc lực từ) để nhấc và di chuyển đối tượng Trong một vài trường hợp, người ta còn dùng cả lực hút tĩnh điện Ưu điểm chính của lọai tay kẹp này là có kết cấu đơn giản,

có thể dùng với các loại bề mặt hay các loại vật liệu mà tay kẹp cơ khí khó đáp ứng, ví

dụ chi tiết phẳng, mỏng nhưng rộng như tấm tôn, hoặc giấy mỏng, hình dạng chi tiết phức tạp, vị trí của chi tiết thay đổi ngẫu nhiên

1.3.5 Các chuyển động của Rô bốt

Rô bốt được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau trong sản xuất Các công việc được thực hiện bởi khả năng chuyển động của cơ thể, cánh tay, cổ tay của

Rô bốt qua một chuỗi các chuyển động và vị trí Cổ tay được sử dụng cho Rô bốt thực hiện chính xác công việc Các chuyển động của Rô bốt được chia làm hai chuyển động cơ bản là chuyển động của cổ tay và chuyển động của toàn bộ cơ thể Các chuyển động riêng lẻ được ghép nối và gắn chặt với hai dạng chuyển động này và chúng được giới hạn bởi số bậc tự do (deggrees of freedom) Các Rô bốt thông thường

có 4 đến 6 bậc tự do.Các chuyển động cơ bản được thực hiện bởi các ghép nối về năng lượng Với Rô bốt có từ 4 đến 6 bậc tự do, thường có 3 ghép nối với hoạt động của cánh tay và cơ thể, từ 2 đến 3 khớp nối sử dụng cho hoạt động của cổ tay Trong một chuỗi các chuyển động đều có liên hệ với nhau Chuyển động đầu ra có liên hệ với chuyển động đầu vào Các khớp nối được sử dụng trong thiết kế Rô bốt công nghiệp điển hình là khớp tịnh tiến và khớp quay

Cánh tay Rô bốt được thiết kế cho phép Rô bốt có thể chuyển động tự do trong giới hạn về kích thước Giới hạn chuyển động của Rô bốt phụ thuộc vào hình dạng vật

lý của Rô bốt, kích thước các phần tử (cánh tay, cổ tay), giới hạn chuyển động của các khớp nối

+ Cảm biến va chạm: Là cảm biến với lực khi va chạm với một vật khác

+ Cảm biến phạm vi gần: Là thiết bị cảm nhận được vật ở gần

+ Cảm biến hỗn hợp: Gồm cảm biến nhiệt độ, áp suất, các đại lượng vật lý khác

+ Camera được sử dụng thực hiện việc kiểm tra, quan sát

1.3.8 Ví dụ cấu trúc của rô bốt

1) Cấu trúc ghép nối rô bốt hàn

Một hệ thống Rô bốt thông thường gồm một Rô bốt, bảng dạy, và các thiết bị ngoại

vi khác Tất cả được kết nối với một tủ điều khiển (Hình 1.14)

10 Cuộn dây điện cực

Tay máy Rô bốt hàn hồ quang

- Rô bốt hàn hồ quang thực chất là một tay máy công nghiệp được gắn đầu công nghệ hàn nhằm thay thế con người thực hiện các quá trình công nghệ hàn

- Các tay máy công nghiệp sử dụng trong công nghệ hàn (Các rô bốt hàn hồ quang) thường có 6 trục (6 bậc tự do) hoặc nhiều hơn, vì vậy nó có khả năng thực hiện các chuyển động như cách con người thao tác Góc súng hàn và góc di chuyển có thể thay đổi

để hàn ở mọi vị trí trong không gian, nhất là ở những vị trí khó tiếp cận Cánh tay rô bốt cũng gọn nhẹ nhất và có tầm với lớn nhất Các cánh tay rô bốt do nhiều nhà cung cấp bán sẵn như ABB, FANUC, PANASONIC, KUKA, MOTOMAN(Hình 1.15)

- Rô bốt hàn hồ quang có đặc tính PTP (Point To point) hay CP (Continuous Path) nghĩa là quá trình di chuyển của rô bốt đồng thời là quá trình làm việc của đầu công nghệ

- Chuyển động của rô bốt là chuyển động liên

tục và là loại rô bốt khả trình (có bộ phận giao tiếp

với con người)

- Thường dùng cơ cấu điều khiển Servo (điều

khiển kín) trên hầu hết các trục của rô bốt để điều

khiển vị trí và vận tốc

- Có sử dụng hệ thống cảm biến tín hiệu

- Rô bốt hàn phải được lập trình làm việc, nó

cần được hướng dẫn điểm đầu và điểm kết thúc,

hướng làm việc, thao tác đầu mỏ hàn như thế nào,

các thông số hàn phải được lưu vào trong bộ nhớ

Khi cần thiết có thể hiệu chỉnh và thay đổi được

Hình 1 15: Tay máy Nguồn hàn

- Nguồn điện hàn phải điều khiển được dòng điện và điện áp hàn thích hợp cho quá trình hàn.(hình 1.16)

Hình 1.16: Nguồn hàn Các loại nguồn điện hàn tự động cấu tạo phức tạp hơn nguồn điện hàn bán tự động Nguồn điện hàn tự động có khả năng giao tiếp với tủ điều khiển (hệ thống điều khiển của Rôbôt) và lập trình điều khiển các thông số chế độ hàn thông qua hộp dạy “Teach pandent”

Có 3 loại nguồn hàn hồ quang

- Nguồn điện hàn công suất không đổi

- Nguồn điện hàn áp không đổi

- Nguồn điện hàn dòng không đổi

Súng hàn hồ quang

- Sùng hàn dùng để đưa điện cực vũng hàn, truyền dòng điện hàn vào dây điện cực tạo ra vùng khí bảo vệ bao quanh vùng hồ quang hàn Có nhiều kiểu súng hàn khác nhau, tùy theo quá trình hàn, cường độ dòng điện hàn, đường kính dây điện cực và loại khí bảo

vệ,

- Súng hàn có thể được làm mát bằng nước luân chuyển hoặc bằng khí Đối với qúa trình hàn dùng điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ hoặc hàn hồ quang điện cực lõi thuốc, có thể dùng hoặc không dùng khí bảo vệ

- Các súng hàn có thể ở dạng thẳng hoặc cong Súng hàn cong để tiếp cận mối hàn

dễ dàng hơn (Hình 1.17)

- Chức năng chính của súng hàn là truyền dòng điện cho điện cực Đối với quá trình hàn dùng điện cực nóng chảy, dòng hàn được truyền tới điện cực khi nó chuyển động qua súng hàn

Hình 1.17: Súng hàn hồ quang

- Chức năng thứ hai của súng hàn là cấp khí bảo vệ tới vùng hàn (nếu có) Hàn hồ quang điện cực nóng chảy trong môi trường khí bảo vệ dùng khí hoạt tính CO2 hoặc hỗn hợp khí trơ, thường là argon với CO2 hoặc ô-xy

- Với hàn tự động, cần có một giao diện điều khiển giữa bộ điều khiển rô bốt, nguồn

và bộ cấp dây Hệ thống cấp dây hàn phải phù hợp với quá trình hàn và kiểu nguồn điện được sử dụng

- Điện cực là một phần của mạch hàn, và kim loại nóng chảy từ điện cực điền đầy vào mối hàn Có hai loại cơ cấu cấp dây điện cực khác nhau Nguồn điện hàn kiểu dòng điện không đổi cần một bộ cấp dây cảm áp, trong đó tốc độ cấp dây thay đổi liên tục theo

sự thay đổi của điện áp Còn nguồn điện áp không đổi cần tốc độ cấp dây không đổi trong suốt quá trình hàn

Hình 1.19: Hình ảnh bộ cấp dây hàn Định vị và giữ cố định vật hàn

- Để nối các vật hàn, mỗi vật hàn phải được căn chỉnh chính xác và giữ chắc chắn tại chỗ trong quá trình hàn Một điều quan trọng là cách thiết kế một khung giữ các vật hàn tại vị trí thích hợp Bộ phận này phải thao tác nhanh và dễ dàng, giữ chắc các vật hàn cho tới khi chúng dính vào nhau và phải cho phép súng hàn tự do tiếp cận mối hàn (hình 1.20)

Hình 1.20: Khung giữ

- Bộ định vị có thể được thiết kế giống như trong hàn bằng tay, hoặc chuyên biệt để tăng tính linh hoạt và tầm hoạt động của các hệ thống hàn tự động Độ chính xác cũng phải cao hơn Ngoài ra, các điều khiển định vị rô bốt phải tương thích và tuân thủ theo bộ điều khiển rô bốt trung tâm để đạt được chuyển động phối hợp tức thì của nhiều trục trong khi hàn

- Tuy nhiên, thao tác nâng hạ các bộ phận tĩnh của hệ rô bốt rất tốn thời gian và có thể phi thực tế Sẽ hiệu quả hơn nếu có hai hay nhiều khung giữ trên một bộ định vị vật hàn quay, mặc dù chi phí ban đầu cao hơn (hình 1.21)

Hình 1.21: Bộ định vị vật hàn quay

Bộ làm sạch súng hàn

Để làm việc chính xác và tin cậy, súng hàn hồ quang phải được làm sạch liên tục Chu kỳ làm việc cao độ của hàn tự động nên quá trình làm sạch súng hàn cũng phải được

tự động hóa Chất tách vẩy hàn được phun vào mũi súng hàn Ngoài ra, bộ làm sạch còn

có thể trà sát mũi súng hàn để loại bỏ vẩy hàn bám vào và cắt dây hàn Hệ thống làm sạch phải được tự động kích hoạt tại các thời điểm mà hệ điều khiển yêu cầu (hình 1.22)

Hình 1.22 Bộ làm sạch súng hàn

Bộ định tâm

Cảm biến cuối tay và quá trình căn chỉnh trọng tâm là những yếu tố cơ bản để thực hiện thành công hệ thống hàn tự động Cảm biến cuối tay dùng để phát hiện vị trí thực tế

của cạnh vật hàn so với khung rô bốt, từ đó tính ra chính xác trọng tâm công cụ so với vật hàn (hình 1.23)

- Bảng dạy có các phím và các nút ấn để phục vụ cho việc lập chương trình cho Rô bốt, thao tác với file, hoặc cài đặt các chế độ khác, (hình 1.25)

Các nút ấn và công tắc Chức năng

Công tắc chuyển chế độ - Công tắc này dùng để chuyển từ chế độ dạy sang chế

độ chạy tự động Nó được kết hợp cùng với công tắc chuyển chế độ trên hộp thao tác

Nút ấn dừng khẩn cấp - Khi ấn nút này Rô bốt sẽ dừng ngay lập tức

- Muốn huỷ chế độ dừng khẩn cấp, hãy vặn nút này theo chiều kim đồng hồ (Nút ấn sẽ trở về trạng thái ban đầu)

Công tắc Deadman - Công tắc này nằm phía trái mặt sau của bảng dạy và được sử dụng khi vận hành Rô bốt bằng tay hoặc ở chế

độ dạy

- Khi giữ chặt công tắc tay cầm DEADMAN này, nguồn

sẽ được cấp cho các động cơ Secvo của Rô bốt, Khi vận hành bằng tay khi công tắc này được giữ chặt

- Nếu thả công tắc DEADMAN ra Rô bốt sẽ dừng hoạt Hình 1.25: Bảng dạy và các phím, nút ấn trên bảng dạy

động

Hộp thao tác

Hình 1.26: Hộp thao tác Hộp thao tác được trang bị các nút ấn cần thiết trong quá trình vận hành Rô bốt Gồm các nút ấn để thực hiện các thao tác cần thiết như: Khởi động động cơ (ON), khởi động và dừng chế độ vận hành tự động (Auto operation), dừng khẩn cấp, chuyển đổi giữa chế độ dạy (Teach), và chế độ chạy tự động (Playback) (hình 1.26)

Bảng 4 1 Chức năng của các nút trên hộp thao tác

A

Nút ấn ON cấp nguồn

cho động cơ

Sử dụng để bật nguồn động cơ về ON Khi ở vị trí

ON, Rô bốt sẵn sàng làm việc

Dừng khẩn cấp

Chọn chế độ

Dừng CT Chạy CT

Khởi động sevo

D Công tắc chọn chế độ

- Dùng để chọn chế độ “Teach” hoặc “Playback”

- Nó chỉ có tác dụng khi được sử dụng cùng với công tắc tương tự trên bảng dạy

2) Cấu trúc ghép nối rô bốt RV-3SD

Ghi chú:

5: Cáp kết nối 2D-IOADAP-CBL 12: Đầu nối cho kết nối T/B

7: Cáp công suất động cơ CN1

Hình 1.27: Sơ đồ kết nối rô bốt RV-3SD

1.4 Thông số cơ bản của rô bốt công nghiệp

Thông số cơ bản của rô bốt công nghiệp bao gồm:

Ví dụ: Thông số cơ bản của rô bốt hàn OTC DAIHEN

Bảng 1.4 Các thông số kỹ thuật của rô bốt hàn OTC DAIHEN

5 Hệ thống truyền động AC Servo motor

6 Công xuất truyền động 2750W

7 Phản hồi vị trí Thiết bị mã hoá hoàn toàn

J3 (nâng cánh tay) 2.97rad/s (1700/s)

Cổ tay J4 (lắc lư) 5.93rad/s (3400/s)

Chú thích:

1 Độ lặp lại vị trí là một giá trị đo được đồng thời có được khi các điều kiện vận hành của tay máy ổn định sau nhiều thao tác tự động

2 Giá trị trong ngoặc [] cho biết điều kiện treo trên tường

3 Khi tải trọng có ích tối đa tại đầu mút cổ tay là 6kg tải trọng có ích tối đa tại đầu mút cổ tay + tải trọng có ích khi nâng cánh tay = 16kg

4 Có một phanh giữ cho tất cả các trục

5 Có bin lắp trong cánh tay để bảo vệ các dữ liệu về vị trí Thời gian sử dụng của bin khoảng 3 năm

1.5 Phân loại Rô bốt công nghiệp

Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản nhất của Rô bốt để giúp cho việc nhận xét được dễ dàng Có 4 yếu tố chính để phân loại Rô bốt như sau: (1) theo dạng hình học của không gian hoạt động, (2) theo thế hệ Rô bốt, (3) theo bộ điều khiển, (4) theo nguồn dẫn động

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

Để dịch chuyển khâu tác động cuối cùng của Rô bốt đến vị trí của đối tượng thao tác được cho trước trong không gian làm việc cần phải có ba bậc chuyển động chuyển dời hay chuyển động định vị Những Rô bốt công nghiệp thực tế thường không sử dụng quá bốn bậc chuyển động chuyển dời (không kể chuyển động kẹp của tay gắp) và thông thường với ba bậc chuyển động định vị là đủ, rất ít khi sử dụng đến bốn bậc chuyển động định vị Rô bốt được phân loại theo sự phối hợp giữa ba trụ chuyển động cơ bản rồi sau đó được bổ sung để mở rộng thêm bậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt Vùng giới hạn tầm hoạt động của Rô bốt được gọi là không gian làm việc

Theo đó có thể có các loại rô bốt :

- Rô bốt toạ độ vuông góc

- Rô bốt toạ độ trụ (cylindrical Rô bốt)

- Rô bốt toạ độ cầu (spherical Rô bốt

- Rô bốt khớp bản lề (articular Rô bốt)