2.2. CẤU TRÚC TAY MÁY ROBOT
2.2.4. Cấu trúc không gian hoạt động
Không gian hoạt động được xác định là thể tích không gian làm việc của cơ cấu chấp hành cuối mà nó có thể hướng tới. Không gian làm việc bị khống chế bởi kích thước hình học của tay máy cũng như khống chế bởi cấu trúc cơ khí của khớp. Hai khái niệm hay sử dụng trong không gian làm việc hay sử dụng là không gian với tới (ReachableWorkspace), không gian hoạt động đầu công tác. Không gian với tới là không gian mà cơ cấu chấp hành có thể hướng tới theo ít nhất một hướng. Không gian dextrous là không gian tập hợp các điểm mà robot có thể hướng cơ cấu chấp hành theo tất cả mọi hướng. Như vậy không gian hoạt động của đầu công tác là thể tích không
gian mà đầu tay gắp có thể vươn tới mọi điểm trong không gian đó với mọi hướng. Không gian hoạt động đầu công tác là không gian con của không gian với tới. Để dịch chuyển khâu tác động cuối của robot đến vị trí của đối tượng thao tác được cho trước trong không gian làm việc, cần phải có ba bậc chuyển động di chuyển hay chuyển động định vị (thường dùng khớp tịnh tiến và khớp quay loại 5). Những robot công nghiệp thực tế thường không sử dụng quá bốn bậc tự do (không kể chuyển động kẹp của tay gắp) và thông thường với ba bậc tự do chuyển động định vị là đủ, rất ít khi sử dụng đến bốn bậc tự do chuyển động định vị.
Để hiểu rõ hơn về không gian hoạt động của robot chúng ta cần phải phân tích các hệ trục tọa độ tạo ra không gian làm việc của robot. Có ba hệ thống hệ trục tọa độ như sau:
- Hệ trục tọa độ Descartes sử dụng cho không gian hoạt động khối lập phương
- Hệ trục tọa độ trụ sử dụng cho không gian hoạt động khối trụ - Hệ trục tọa độ cầu sử dụng cho không gian hoạt động khối cầu.
a. Robot hệ trục vuông góc Descartes
Một robot có cấu hình hoạt động là khối lập phương có ba bậc tự do theo ba hướng X, Y, Z, còn ba bậc tự do xác định hướng của cơ cấu chấp hành, các hướng này quay quanh ba trục , và để đưa ra các hoạt động như xoay, lắc và vặn của cơ cấu chấp hành. Khi di chuyển vị trí của một bậc tự do chỉ cần một trục thay đổi. Tuy nhiên, đối với các robot khác có thể có hai hoặc nhiều hơn các trục thay đổi trong cùng một lúc.
Có lẽ cấu trúc robot đơn giản là hình thành từ ba khớp tịnh tiến đặt vuông góc với nhau. Kiểu robot này còn được gọi là Robot Descartes (hình 2.10). Khi ba khớp này di chuyển trên đường ray thì gọi là Robot Gantry (hình 2.11).
Truyền động di chuyển theo các trục X, Y, Z được đưa ra bởi các cơ cấu truyền động thẳng hoăc cơ cấu truyền động bánh răng. Các chuyển động xoay, vặn và lắc cần thực hiện bởi các cơ cấu truyền động trục vít thể sử dụng các nguồn năng lượng như: khí nén, thủy lực hoặc điện. Có thể gắn robot này vào trần hoặc nền tùy theo yêu cầu và không gian sử dụng robot. Hệ trục tọa độ vuông góc có các ưu điểm sau:
- Không gian hoạt động lớn, khoảng di chuyển theo trục x có thể dài tới 24m;
- Hệ thống điều khiển đơn giản;
- Có thể gắn bệ dụng cụ riêng biệt tùy theo yêu cầu sử dụng.
Nhược điểm
- Việc bảo trì cho các bộ phận truyền động cơ khí, thiết bị điều khiển điện cho một số dạng tương đối khó khăn.
- Hoạt động không uyển chuyển, khó gắn thêm một số đầu dụng cụ như cần trục, thiết bị nâng hạ vật liệu vào cấu trúc nâng của robot.
Ứng dụng chính của robot dạng không gian hoạt động vuông góc Decard là di chuyển vật liệu thay các thiết bị nâng, lắp ráp các chi tiết nhỏ, lắp ráp các board mạch in,…
Hình 2.10: Robot hệ tọa độ vuông góc
Khớp cổ tay 3 bậc tự do Chân
Dầm ngang Dầm dọc Bộ trượt ngang
Trục z Bộ trượt lên xuống
Hình 2.11: Robot Gantry
b. Robot hệ trục tọa độ trụ
Số bậc tự do dành cho robot tọa độ trụ là ba bậc tự do, gồm hai chuyển động tịnh tiến R, Z và một chuyển động xoay (hình 2.12). Sự thay đổi vị trí theo trục đứng chỉ thay đổi theo một trục. Để thay đổi vị trí của bàn kẹp so với tâm chỉ yêu cầu di chuyển theo một trục. Sự thay đổi theo hướng R làm cho bàn kẹp robot di chuyển ngang mà không yêu cầu một chuyển động theo các trục nào khác. Để di chuyển bàn gắp dọc theo trục X cần phải thay đổi ở ba trục , R và trục . Robot trụ khác với Robot Descartes là thay thế khớp thứ nhất hoặc hai bằng các khớp trụ. Vị trí của cơ cấu chấp hành cuối được xác định bởi khối trụ với ba biến khớp. Khớp tịnh tiến thường có hai công tắc hành trình ở hai đầu.
Các trục của robot tọa độ trụ được điều khiển bởi thủy lực, khí nén hoặc điện. Ưu điểm của hệ trục tọa độ trụ như sau:
- Có thể di chuyển theo hướng ngang vào hệ thống sản xuất;
- Khả năng lặp lại tốt, cấu trúc cứng vững nên khả năng tải cao.
Một nhược điểm của robot hệ trục tọa độ trụ là giới hạn các chuyển động sang phải và trái bởi cấu hình và kết cấu cơ khí của robot hoặc của các bộ phận truyền động. Để khắc phục nhược điểm này người ta thường gắn robot lên bệ di động theo hướng trục Y.
Ứng dụng của Robot tọa độ trụ khi cần hoạt động của robot có tầm với xa hoặc robot phục vụ cho nhiều máy trong một hệ thống sản xuất với bán kính nhỏ.
Z R
D
Hình 2.12: Robot hệ trục tọa độ trụ
c. Robot hệ trục tọa độ cầu
Trong các phần trước, chúng ta đã thảo luận không gian hoạt động của hệ trục tọa độ trụ, để di chuyển cánh tay theo hướng Y thì phải có nhiều trục hoạt động. Robot hệ trục tọa độ cầu có thể di chuyển theo ba hướng X, Y, Z. Vị trí của robot dạng này được thông qua hai chuyển động quay quanh trục , và một chuyển động thẳng. Trong các phần trước, chúng ta có hướng của bệ dụng cụ đạt được thông qua ba hướng quay , và .
Các trục của hầu hết robot này đều được truyền động bởi thủy lực hoặc điện với hệ thống điều khiển hồi tiếp.
Ưu điểm
- Khả năng hướng theo chiều ngang dài;
- Không gian hoạt động lớn, có thể gấp lại khi không hoạt động;
- Khả năng cho phép bệ dụng cụ hướng tới trong ngững vùng không gian kín hay vượt qua vật cản.
Nhược điểm: Giá thành cao.
Robot cầu với hai khớp đầu tiên tạo bởi hai khớp trụ giao nhau và một khớp tịnh tiến. Bình thường thì khớp tịnh tiến không song song với trục khớp thứ hai. Vì vậy, không gian hoạt động của robot này nằm giữa hai khối cầu đồng tâm.
Khoảng di chuyển 210o Xoắn cổ tay
Khuỷu tay 300o
350o lắc
Vai cao 17"
400 á 800 (mm)
355o bệ
Hình 2.13: Robot cầu
d. Robot khớp bản lề
Robot khớp bản lề đều có ba khớp đều là khớp quay. Không gian làm việc khá phức tạp, thường là hình khối lưỡi liềm. Nhiều robot công nghiệp thường được chế tạo là robot khớp bản lề.
Hình 2.14: Robot PUMA 500 e. Robot SCARA
Robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) là một robot đặc biệt. Nó bao gồm hai khớp trụ và một khớp tịnh tiến. Và ba khớp này song song với nhau và thường tay gắp hay cơ cấu chấp hành cuối thường di chuyển theo hướng vuông góc với mặt đất. Vì thế, hai khớp đầu tiên không bị tác động của trọng lực và tải trọng. Thường tay gắp hay cơ cấu chấp hành cuối thêm một bậc tự do vì thế robot thường có bốn bậc tự do. Robot này thường lắp ráp chi tiết trên mặt phẳng.
Hình 2.15: Robot Adept bốn bậc tự do và một số Robot SCARA thường thấy
Hình 2.16: Một số dạng cấu hình tay máy thường thấy tổ hợp của ba khớp