III. Thiết kế chi tiết robot
2.6.2. Đặc điểm ảnh hưởng đến quá trình thiết kế
Khoảng hoạt động, tầm với, không gian hoạt động
Hình 2.43: Khoảng hoạt động của robot gỡ mìn
Trong thiết kế robot, chúng ta phải đặc biệt chú ý đến vùng có thể hoạt động của robot cũng như khoảng di chuyển của mỗi khớp, chiều dài khâu, góc tạo bởi các trục khớp. Nếu robot đòi hỏi di chuyển trong một không gian rộng lớn như robot tiếp tân hoặc robot giám sát hay thực hiện các công việc không biết trước quỹ đạo hoạt động chúng ta phải nghĩ đến bệ robot có gắn bánh xe (hình 2.43) hoặc có thể là robot bay. Ngoài ra không gian hoạt động yêu cầu sẽ ảnh hưởng khá nhiều tới cấu hình của robot thiết kế. Do đó, trước khi thiết kế bất cứ robot nào chúng ta phải
xem xét khoảng hoạt động yêu cầu của robot, tầm với và không gian hoạt động (hình 2.44).
Không gian hoạt động
Tầm với
Hình 2.44: Tầm với và không gian hoạt động của robot Kuka Khả năng tải: Đây là một đặc tính thường thấy ở robot sẽ ảnh hưởng khá nhiều đến việc chọn lựa cơ cấu chấp hành hoặc động cơ trong giai đoạn thiết kế với các thông số vận tốc và gia tốc. Trong thiết kế robot tùy theo loại robot mà chúng ta có các tham số khác nhau đóng vai trò quan trọng. Trong thiết kế robot di chuyển có bánh xe thì các tham số như khả năng tải sẽ ảnh hưởng khá nhiều đến việc chọn lựa cấu hình động cơ. Với những robot lắp ráp sản phẩm như robot song song Delta thì gia tốc và độ cứng của cơ hệ là tham số thiết kế quan trọng hơn vận tốc và khả năng tải lớn nhất. Còn trong trường hợp thiết kế robot hàn thì di chuyển bám theo đường ở tốc độ thấp được yêu cầu thì lúc này sự ổn định và chính xác là quan trọng. Khả năng tải nên được xem như là một biến. Lựa chọn đặc tính tải phải chú ý quán tính tải, trọng lực, moment dao động, ngoài ra khả năng tải còn là hàm của gia tốc và moment đỉnh.
Như vậy tải cũng sẽ ảnh hưởng biến dạng cấu trúc tĩnh, moment động cơ ở trạng thái tĩnh, tần số dao động của hệ thống, độ giảm chấn cũng như lựa chọn các thông số điều khiển cho hệ thống servo.
2.6.2.2. Cấu hình hệ thống
Cấu hình khớp: Cấu hình robot được xác định dựa trên các yêu cầu: di chuyển, điều khiển, khả năng tránh vật cản, cấu trúc. Với robot có các khớp tịnh tiến và cấu hình tạo bởi các khớp vuông góc thì việc tính toán dễ dàng cũng như chúng ta dễ dàng xác định các thông số của các khớp để đáp ứng vị trí yêu cầu nhanh chóng hơn. Khi robot với tất cả là khớp quay thì vấn đề đầu tiên chúng ta gặp phải là khó điều khiển hơn,
tuy nhiên xây dựng cấu hình thì dễ dàng hơn khớp tịnh tiến. Ngoài ra chúng ta còn có thể sử dụng các loại khớp khác nhau như khớp cầu, khớp phẳng để làm khớp cho robot. Tuy nhiên, trong thực tế thiết kế hiện nay, hầu như đều sử dụng hai loại khớp chính là tịnh tiến và quay. Tùy thuộc vào cấu hình yêu cầu mà chúng ta có thể các loại khớp phù hợp.
Số bậc tự do: Với những cánh tay robot, chúng yêu cầu phải có ít nhất sáu bậc tự do để có thể di chuyển tới bất kỳ vị trí nào trong không gian hoạt động và có thể đạt tới bất cứ hướng nào yêu cầu. Tuy nhiên, khi thiết kế robot, chúng ta phải giảm thiểu số bậc tự do vì nếu tăng số bậc tự do thì tăng thời gian chu kỳ, giảm khả năng tải và độ chính xác của cấu hình robot và hệ thống truyền động.
Khoảng di chuyển của khớp: Với khớp quay ở vai và cùi trỏ thì khoảng di chuyển của hai khớp này sẽ xác định sơ bộ không gian hoạt động của robot dạng mô phỏng cánh tay người. Còn khớp cổ tay chỉ xác định hướng của của tay gắp trong không gian làm việc. Khi khoảng hoạt động của khớp tăng thì không gian hoạt động của robot tăng, tuy nhiên khi không gian hoạt động lớn thì việc thiết kế cơ cấu cơ khí đòi hỏi cẩn thận hơn để đảm bảo độ ổn định cũng như thiết kế cấu hình đảm bảo để các đường truyền không xoắn khi hoạt động.
Cấu hình truyền động: Mỗi khớp cơ khí đòi hỏi phải có bốn thành phần chính: nguồn năng lượng, thiết bị phản hồi vị trí khớp, bộ truyền và cấu trúc trục khớp. Trong các chương sau, chúng ta sẽ đề cập cụ thể hơn các phần này. Ngoài ra, tùy theo cấu hình và tốc độ của bộ điều khiển (tốc độ lấy mẫu và băng thông) mà có thể xác định bộ tachometer hoặc một số cảm biến vị trí hoặc vận tốc quay khác. Với những robot hoạt động tốc độ thấp thì quán tính hệ thống không quan trọng bằng moment quán tính. Chúng ta có thể sử dụng các bộ đối trọng để cân bằng moment trọng lượng bằng khối lượng, lò xo, áp suất khí nén. Với những hệ thống robot hoạt động tốc độ cao thì quán tính hệ thống trở nên quan trọng.
Chúng ta nên đặt bộ truyền động và các khớp gần với khớp đầu tiên nhằm giảm quán tính hệ thống và cải thiện đáp ứng hệ thống. Như vậy, việc lựa chọn giữa các bộ truyền đặt tại khớp với quán tính lớn, độ cứng vững cao và bộ truyền dài với quán tính thấp, độ cứng thấp nên được lựa chọn cẩn thận tùy theo cấu hình yêu cầu, xem xét cần thận khi yếu tố nào đóng vai trò quan trọng hơn.
2.6.2.3. Đáp ứng hệ thống
Vận tốc hệ thống: Vận tốc (góc hoặc thẳng) khớp lớn nhất là giá trị phụ thuộc vào hiệu điện thế hoặc tốc độ động cơ. Tùy theo yêu cầu cần thiết của robot thực hiện nhiệm vụ đưa ra mà chúng ta có yêu cầu cụ
thể của robot. Trong các chương sau, chúng ta cũng sẽ đề cập đến phần vận tốc đáp ứng của hệ thống.
Gia tốc hệ thống: Trong các hệ thống robot hiện nay, thì khối lượng tải của robot luôn nhỏ hơn khối lượng robot do đó năng lượng yêu cầu dành cho việc gia tốc chuyển động của robot sẽ lớn hơn năng lượng yêu cầu hoạt động trên tải. Gia tốc lớn của robot sẽ yêu cầu độ cứng cấu trúc robot phải lớn. Với robot hoạt động với tốc độ cao thì gia tốc là thông số thiết kế quan trọng hơn so với vận tốc và khả năng tải.
Khả năng lặp lại: chỉ ra khả năng robot trở lại cùng một vị trí khi lặp lại. Việc xác định khả năng lặp lại được thực hiện bằng cách cho robot hoạt động với nhiều quỹ đạo khác nhau với cùng chương trình, cùng tải và điều kiện cài đặt yêu cầu di chuyển tới vị trí yêu cầu duy nhất.
Sai số khi thực hiện việc lặp lại gây ra do sai số tính toán, ma sát, khe hở của bộ truyền, ma sát, dung sai lắp ráp, các hệ số bộ điều khiển,… Khả năng lặp lại khá quan trọng khi yêu cầu thực hiện các công việc như lắp ráp, phân loại.
Độ phân giải: biểu diễn di chuyển nhỏ nhất có thể tạo ra bởi robot.
Độ phận giải khá quan trọng với chuyển động của robot được điều khiển dựa trên cảm biến và định vị robot. Hầu hết hiện nay, các nhà sản xuất robot đều tính độ phân giải dựa trên độ phân giải của bộ mã hóa, resolver, bộ chuyển đổi từ tương tự sang số hoặc khả năng điều khiển bước nhỏ nhất của động cơ, tuy nhiên nếu chỉ có các yếu tố này thì tính toán độ phân giải sẽ sai do ma sát hệ thống, khe hở bộ truyền và cấu hình động học.
Độ chính xác: là khả năng đạt đến vị trí yêu cầu của robot. Độ chính xác của robot ảnh hưởng khá nhiều bởi kiểu khớp, chiều dài khâu, góc giữa các khớp, ảnh hưởng của tải, ngoài ra còn phụ thuộc vào việc tính toán bài toán điều khiển robot đế đáp ứng vị trí.