BÀI 1: CẤU TRÚC VÀ CÁCH SỬ DỤNG HỆ THỐNG ROBOT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG BẰNG MÁY TÍNH

 

1.1 Giải thích cấu trúc hệ thống tự động trên máy tính

1.1.1 Các nội dung cơ bản của hệ thống điều khiển.

a) Điều khiển

Là tác động lên đối tượng để đối tượng làm việc theo một mục đích nào đó.

b) Hệ thống điều khiển

Là một tập hợp các thành phần vật lý có liên hệ tác động qua lại với nhau để chỉ huy hoặc hiệu chỉnh bản thân đối tượng hay một hệ thống khác.

Xung quanh ta có rất nhiều hệ thống điều khiển nhưng có thể phân chia thành 3 dạng hệ thống điều khiển cơ bản.

˗                Hệ thống điều khiển nhân tạo.

˗                Hệ thống điều khiển tự nhiên (bao gồm điều khiển sinh vật).

˗                Hệ thống điều khiển tự nhiên và nhân tạo.

Trong các hệ thống đó đối tượng điều khiển có thể là hệ thống vật lý, thiết bị kỹ thuật, cơ chế sinh vật, hệ thống kinh tế, quá trình v.v... đối tượng nghiên cứu là các thiết bị kỹ thuật gọi là điều khiển học kỹ thuật.

Mỗi hệ thống (hoặc phần tử của hệ thống) kỹ thuật, đều chịu tác động của bên ngoài và cho ta các đáp ứng. Gọi tác động vào là đầu vào, tác động ra là đầu ra  (hoặc tín hiệu vào, tín hiệu ra).

 

 

 

 

 

Hình 1-1

c) Nhiệm vụ của lý thuyết điều khiển tự động

 Lý thuyết điều khiển tự động giải quyết 2 nhiệm vụ chính:

˗                Phân tích hệ thống

˗                Tổng hợp hệ thống

* Phân tích hệ thống

Nhiệm vụ này nhằm xác định đặc tính đầu ra của hệ sau đó đem so sánh với những chỉ tiêu yêu cầu để đánh giá chất lượng điều khiển của hệ thống đó.

Muốn phân tích hệ thống điều khiển tự động người ta dùng phương pháp trực tiếp hoặc gián tiếp để giải quyết 2 vấn đề cơ bản.

˗                Tính ổn định của hệ thống

˗                Chất lượng của quá trình điều khiển- quá trình xác lập tang thái tĩnh và trạng thái động (trạng thái quá độ).

 Để giải quyết vấn đề trên dùng mô hình toán học, tức là các phần tử của hệ thống điều khiển đều được đặc trưng bằng mô hình toán của các phần tử sẽ cho mô hình toán của toàn bộ hệ thống.

Có thể xác định đặc tính ổn định của hệ thống qua mô hình toán của hệ thống với việc sử dụng lý thuyết ổn định trong toán học.

* Tổng hợp hệ thống

Tổng hợp hệ thống là xác định thông số và cấu trúc của thiết bị điều khiển. Giải bài toán này, thực ra là thiết kế hệ thống điều khiển. Trong quá trình tổng hợp này thường kèm theo bài toán phân tích.

Đối với các hệ thống điều khiển tối ưu và thích nghi, nhiệm vụ tổng hợp thiết bị điều khiển giữ vai trò rất quan trọng. Trong các hệ thống đó, muốn tổng hợp được hệ thống phải xác định Algorit điều khiển tức là xác định luật điều khiển Đ(t). Hệ thống điều khiển yêu cầu chất lượng cao thì việc tổng hợp càng trở nên phức tạp. Trong một số trường hợp cần đơn giản hoá một số yêu cầu và tìm phương pháp tổng hợp thích hợp để thực hiện.

1.1.2 Các mô hình diễn tả hệ thống điều khiển

Để tiện việc nghiên cứu về các vấn đề điều khiển cần sử dụng các sơ đồ (mô hình) diễn tả các thành phần của hệ thống sao cho rõ ràng mọi mối quan hệ bên trong và ngoài hệ thống để dễ dàng phân tích, thiết kế và đánh giá hệ thống.

Thực tế sử dụng các mô hình sau là phổ biến và thuận tiện:

˗                Hệ thống các phương trình vi phân

˗                Sơ đồ khối.

˗                Graph tín hiệu.

˗                Hàm truyền đạt

˗                Không gian trạng thái

(Sơ đồ khối và Graph tín hiệu là cách biểu diễn bằng đồ hoạ để diễn tả một hệ thống vật lý hoặc một hệ phương trình toán đặc trưng cho các phần tử của hệ thống - Diễn tả một cách trực quan hơn).

Về mặt lý thuyết mỗi hệ thống điều khiển đều có thể diễn tả bằng các phương trình toán. Giải các phương trình này và nghiệm của chúng sẽ diễn tả trạng thái của hệ thống. Tuy nhiên việc giải phương trình thường khó tìm nghiệm (có trường hợp không tìm được) lúc đó cần đặt các giả thiết để đơn giản hoá nhằm dẫn tới các phương trình vi phân tuyến tính thường – Hệ điều khiển tuyến tính liên tục.

Phần lớn kỹ thuật điều khiển hiện đại, là sự phát triển của các mô hình toán học cho các hiện tượng vật lý. Sau đó dựa vào các mô hình toán học để nghiên cứu các tính chất của hệ thống điều khiển.

a) Phương trình vi phân

Các hệ thống vật lý (hoặc các quá trình) cần được diễn tả chính xác mọi quan hệ giữa những đại lượng biến động bên trong của chúng. Từ đó ta dễ dàng nghiên cứu được các hiện tượng diễn biến của hệ thống; các định luật cơ bản của vật lý có thể giúp ta giải quyết vấn đề đó. Các quan hệ của các đại lượng cơ bản nói chung có thể biểu diễn bằng các phương trình vi phân (gọi là mô hình toán của hệ thống).

Ví dụ: Phương trình của định luật II Newton   F = m.a

Trong phương trình đại số giá trị các đại lượng không thay đổi theo thời gian, vì thế nó chỉ diễn tả trạng thái ổn định của hệ. Nhưng trong thực tế hệ không tĩnh. Đầu ra thường biến động đối với các thay đổi của đầu vào, thêm vào đó tác động của nhiễu cũng thay đổi theo thời gian, nên hệ không ổn định tức là đầu ra dao động.

Vì thế cần phải phân tích hệ trong các điều kiện động lực hoặc gọi là trong trạng thái quá độ, lúc này các biến số không cố định mà thay đổi theo thời gian. Phương trình vi phân mô tả hệ ở trạng thái động lực không chỉ chứa bản thân các biến số mà còn chứa tốc độ thay đổi hoặc gọi là đạo hàm của các biến số đó.

* Các nội dung cơ bản của phương trình vi phân

Phương trình dạng:

a_n.   + a_n-1. + ... + a₁. + a₀. y = x(t)                                             (1.1)

x(t) và y(t) là các biến phụ thuộc, t là biến độc lập.

* Các tính chất của phương trình vi phân

Mọi hệ là tuyến tính nếu quan hệ vào- ra của nó có thể biểu thị bằng phương trình vi phân tuyến tính:

 Hoặc một hệ là tuyến tính nếu quan hệ vào ra của nó có thể biểu thị bằng tích phân:

y(t) =

 Trong đó W(t,) là hàm thể hiện các tính chất bên trong của hệ, y(t) là đầu ra và x(t) là đầu vào. Hàm 2 biến  W(t,) là hàm trọng lượng của hệ.

- Đáp ứng y(t) của một hệ tuyến tính do nhiều đầu vào x₁(t), x₂(t), ...., x_n(t) tác động đồng thời lên hệ bằng tổng các đáp ứng của mỗi đầu vào tác động riêng biệt (nguyên lý chồng chất)

 Ví dụ

 Phương trình vi phân thuần nhất:

 Có hai nghiệm y₁(t), y₂(t). theo nguyên lý chồng chất thì y₁(t) +  y₂(t) cũng là một nghiệm của phương trình đó.

- Toán tử vi phân và phương trình đặc trưng:

 Xét phương trình vi phân tuyến tính hệ số hằng cấp n

Gọi toán tử vi phân

Phương trình trên có thể viết thành:

                            (1.2)

 Đa thức   gọi là đa thức đặc trưng.

 Phương trình  là phương trình đặc trưng.

 Nghiệm của phương trình đặc trưng rất có ý nghĩa khi xét tính ổn định của hệ thống.

b) Sơ đồ khối

* Sơ đồ khối được biểu thị bằng các khối liên kết với nhau để diễn tả mối quan hệ đầu vào và đầu ra của một hệ thống vật lý.

* Sơ đồ khối thuận tiện để diễn tả mối quan hệ giữa các phần tử của hệ thống điều khiển.         

Ví dụ:  

 

 

                   a)                                                             b)

      

                                                              c)

Hình 1-2

* Các khối có thể là một thiết bị hoặc dụng cụ và có thể là một hàm (chức năng) xảy ra trong hệ thống.

Khối:  Ký hiệu thuật toán phải thực hiện đầu vào để tạo đầu ra.

Đường nối: Đường nối giữa các khối biểu thị đại lượng hoặc biến số trong hệ thống.

Mũi tên: Chỉ tiêu của dòng thông tin hoặc tín hiệu “Các khối nối tiếp nhau thì đầu ra của khối trước là đầu vào của khối sau”

Điểm tụ: Biểu hiện thuật toán cộng hoặc trừ ký hiệu bằng một vòng tròn đầu ra của điểm tụ là tổng đại số của các đầu vào.

 

 

 

 

Hình 1-3

Điểm tán:  Cùng một tín hiệu hoặc một biến số phân ra nhiều nhánh tại điểm đó gọi là điểm tán, tức là tại đó đầu ra  áp lên nhiều khối khác “ký hiệu là một nốt tròn đen”.

 

 

 

Hình 1-4

Cấu trúc sơ đồ khối của hệ thống điều khiển kín

 

 

 

 

 

Hình 1-5

Hình (1-5) diễn tả một hệ thống điều khiển kín bằng sơ đồ khối. Các khối mô tả các phần tử trong hệ được nối với nhau theo quan hệ bên trong của hệ thống.

1.2 Giải thích các tên biến sử dụng trên hệ thống tự động

1.2.1 Các biến số của hệ

˗                Giá trị vào V: tín hiệu ngoài áp vào hệ.

˗                Tín hiệu vào chuẩn R: rút từ giá trị vào V là tín hiệu ngoài hệ áp lên hệ điều khiển như một lệnh xác định cấp cho đối tượng. R biểu thị cho một đầu vào lý tưởng dùng làm chuẩn để so sánh với tín hiệu phản hồi B.

˗                - Biến số điều khiển M (tín hiệu điều chỉnh): là đại lượng hoặc trạng thái mà phần tử điều khiển G₁ áp lên phần từ (đối tượng) điều khiển G₂ (quá trình được điều khiển).

˗                Biến số ra C (tín hiệu ra): là đại lượng hoặc trạng thái của đối tượng (hoặc quá trình) đã được điều khiển.

˗                Tín hiệu phản hồi B: là một hàm của tín hiệu ra C được cộng đại số với vào chuẩn R để được tín hiệu tác động E.

˗                Tín hiệu tác động E (cũng gọi là sai lệch hoặc tác động điều khiển) là tổng đại số (thường là trừ) giữa đầu vào là R với phần tử B là tín hiệu áp lên phần tử điều khiển.

˗                Nhiễu u: là tín hiệu vào không mong muốn ảnh hưởng tới tín hiệu ra C. Có thể vào đối tượng theo M hoặc một điểm trung gian nào đó (mong muốn đáp ứng của hệ đối với nhiễu là nhỏ nhất).

1.2.2 Các phần tử của hệ

˗                Phần tử vào chuẩn G_V: chuyển đổi giá trị vào V thành tín hiệu vào chuẩn R (thường là một thiết bị chuyển đổi).

˗                Phần tử điều khiển G₁: là thành phần tác động đối với tín hiệu E tạo ra tín hiệu điều khiển M áp lên đối tượng điều khiển G₂ (hoặc quá trình).

˗                Đối tượng điều khiển G₂ là vật thể, thiết bị, quá trình mà bộ phận hoặc trạng thái của nó được điều khiển.

˗                Phần tử phản hồi H: là thành phần để xác định quan hệ (hàm) giữa tín hiệu phản hồi B và tín hiệu ra C đã được điều khiển (đo hoặc cảm thụ trị số ra C để chuyển thành tín hiệu ra B (phản hồi).

˗                Kích thích: là các tín hiệu vào từ bên ngoài ảnh hưởng tới tín hiệu ra C. Ví dụ tín hiệu vào chuẩn R và nhiều u là các kích thích.

˗                Phản hồi âm:  điểm tụ là một phép trừ 

˗                Phản hồi dương: ở điểm tụ là phép cộng: 

˗                (Điều khiển kín gồm hai tuyến: Tuyến thuận truyền tín hiệu từ tác động E đến tín hiệu ra C. Các phần tử trên tuyến thuận ký hiệu G (G₁ , G₂, ...) tuyến phản hồi truyền từ tín hiệu ra C đến phản hồi B các phần tử ký hiệu là H (H₁ , H₂ , ...).

1.3 Giải thích tầm quan trọng và cách sử dụng mô hình toán học của các linh kiện trong hệ thống và chức năng hàm truyền đạt tải

1.3.1 Mô tả toán học của các phần tử điều khiển

a. Phần tử di động thẳng:

 

                                                                                       

 

 

 

 

 

 

 

Tác dụng vào lò xo có chiều dài L₀ để lò xo di động một lượng X thì cần một lực:    

           P_{L ­}= k .X  (k: là độ cứng lò xo hay là hằng số lò xo) 

Đối với lò xo thông thường tín hiệu vào là lực

tín hiệu ra là lượng di động

Vậy mô hình toán đặc trưng và sơ đồ khối biểu diễn chức năng như hình 1-8

b. Bộ giảm chấn bằng không khí hoặc bằng dầu ép

 

                    

         

 

 

 

Để di động piston với vận tốc V, cần tác dụng lực P_V có giá trị:

áp dụng toán tử Laplace: s =  

Lực P_V coi là tín hiệu vào

                      Tín hiệu ra: Lượng di động R.

 Từ các yếu tố trên thành lập sơ đồ khối thể hiện mô hình toán của bộ giảm chấn.

c. Trọng khối

 Theo định luật II Newton tổng các lực P ở bên ngoài tác dụng vào một trọng khối sẽ có biểu thức:

Dùng toán tử Laplace: s =    nên P = M^. S².R

Sơ đồ khối thể hiện mô hình toán như sau:

d.  Phần tử quay

 Định luật II Newton: Đối với chuyển động quay gia tốc góc của vật thể quay tỷ lệ thuận với tổng mô men tác dụng lên nó.

 Dạng toán học của định luật:

 Trong đó:  là góc quay

                   là momen quán tính của vật thể

M là momen bên ngoài tác dụng vào vật thể.

Momen bên ngoài được tạo ra từ động cơ, do tải trọng tác dụng lò xo hoặc giảm chấn.

Xét một đĩa quay trong chất lỏng và nối với một bánh đà như hình vẽ:

 

 

 

 

 

 

 

Phân tích để xây dựng mô hình toán:

Quay đĩa được phải tác dụng một momen xoắn M_x, trục quay đi một góc là j

tạo mo men của lò xo: M₁ = k_x. j                                                                (1.10)    

Trục có đường kính D, chiều dài l, hệ số lò xo xoắn là:

       (G: Mô đun đàn hồi)

Momen cần thiết để thắng lực ma sát của chất lỏng:

                                       (1.11)    

w: là vận tốc góc

C: hệ số ma sát của chất lỏng

Nếu quay đĩa với momen xoắn M_x (momen xoắn của trục lò xo) và momen ma sát sẽ ngăn cản sự quay của đĩa do đó có thể viết thành:

 

Thay các trị số (1.10) và (1.11) ta có:

Từ phương trình trên ta có sơ đồ khối của hệ thống như hình vẽ.

e. Các phần tử điện

 Các phần tử cơ bản của các mạch điện

 

 

 

 

 

 

 

   

f. Các phần tử thuỷ khí

 

 

 

 

 

 

 

Xét phần tử dầu ép:

Nếu van trượt được đẩy lên phía trên , dầu có áp suất P₀ sẽ vào buồng trên của xi lanh 3 và dầu của buồng dưới sẽ qua van trượt về bể dầu.

Nếu van trượt được đưa xuống phía dưới , dầu sẽ qua buồng dưới của xilanh 1 và dầu ở buồng trên sẽ chảy về bể dầu. Với hiệu áp không đổi được hình thành ở cửa van, tức là tỷ lệ thuận với lượng di động x.

Gọi q là lượng dầu chảy vào xilanh, ta có:

q đồng thời cũng là sự thay đổi thể tích của xilanh:

diện tích bề mặt của xilanh)

A.Py = C₁.x

y = .x

 Từ phương trình trên tín hiệu vào là x ( lượng di động của xilanh 1) và tín hiệu ra y lượng di động của xilanh 2.

g. Phần tử phi tuyến

 Ta xét một phần tử phi tuyến và trên cơ sở đó tiến hành tuyến tính hoá mô hình toán học đặc trưng cho chức năng của cơ cấu.

Xét cơ cấu nâng vuông góc bằng cơ khí:

Thanh nâng vuông góc tại điểm  và có thể chuyển động cưỡng bức trong rãnh thẳng đứng. Một nhánh của thanh nâng có thể trượt trên con trượt ở điểm

B , con trượt này di động cưỡng bức theo phương ngang. Nhánh kia của thanh nâng có thể di động trong bạc của khớp nối cố định ở điểm C.

- Phân tích:

 Tam giác AOB luôn đồng dạng tam giác AOC nên:   

                                                                                  ( K = const)

Nếu tín hiệu vào là X, thì vị trí của điểm B là tín hiệu ra Y tỷ lệ với bình phương của X. Còn tín hiệu vào là Y và tín hiệu ra là X sẽ tỷ lệ với căn bậc hai của Y:

 Để viết phương trình toán và xây dựng mô hình toán học ta cần tuyến tính hoá các phương trình phi tuyến trên.

1.3.2 Hàm truyền đạt

Hàm truyền đạt (The Transfer function) của một hệ thống tuyến tính được định nghĩa là tỷ số giữa biến đổi Laplace của biếu ra (đại lượng đáp ứng ra của hệ thống) so với biến đổi Laplace của biến vào (đại lượng tác động vào hệ thống), Với điều kiện đầu đồng nhất bằng không. Hàm truyền đạt của hệ thống (phần tử) đặc trưng cho mô tả động lực học của hệ thống.

Một hàm truyền đạt chỉ có thể xác định cho hệ thống tuyến tính, hệ thống bền vững (tham số không đổi). Một hệ thống không bền vững thường gọi là hệ thống biến thời gian thay đổi, có một hay nhiều tham số thay đổi, và phép biến đổi Laplace không được áp dụng đối với hệ thống này.

Hàm truyền đạt thể hiện tác động vào và đáp ứng ra của trạng thái hệ thống.

Tuy nhiên, hàm truyền đạt không diễn tả thông tin về cấu trúc bên trong của hệ thống và trạng thái hoạt động của hệ thống.

1.4 Giải thích cấu trúc phần cứng của hệ thống rô bốt

 Về mặt kết cấu, robot được chế tạo rất khác biệt nhau về chủng loại, hình dáng…nhưng chúng đều được cấu thành từ các thành phần cơ bản sau:

Tay máy

Bộ điều khiển và hệ cảm biến

Hệ thống nguồn năng lượng

Hình 2.1 thể hiện các bộ phận cơ bản của một robot công nghiệp điển hình.

Manipulator

 

 

 

Teach pedant

 

  

Hình 2.1: Các bộ phận cơ bản của một robot công nghiệp điển hình

1.4.1 Tay máy (Manipulator)

Là cơ cấu cơ khí dạng một chuỗi động hở gồm các khâu, khớp nối với nhau, được điều khiển và dẫn động để thực hiện những thao tác phục vụ các yêu cầu công nghệ nhất định. Tay máy thông thường gồm các khâu (bộ phận) cơ bản:

Chân đế (Base): thường bắt cố định xuống nền, sàn hoặc có thể di chuyển trên các giá đỡ. Nó đỡ toàn bộ cánh tay và cho phép cánh tay quay quanh chân đế một góc nhất định. Trên chân đế thường bố trí các cổng kết nối robot với bộ điều khiển.

Vai (Shoulder): là một khâu động liên kết phần đế với cánh tay robot. Tại khớp kết nối với chân đế nó có thể quay quanh trục thẳng đứng, khớp còn lại liên kết với cánh tay (gọi là khớp vai).

Cánh tay (Upper arm): thường là khâu động có kích thước lớn hơn các khâu khác, nó được gắn trên khớp vai và có thể quay được một góc nhất định quanh trục khớp vai.

Cẳng tay (Fore arm): gắn với cánh tay và có thể nâng hạ trong một giới hạn.

Cổ tay (Swist): thường dùng để kết nối hàm kẹp với cẳng tay, nó thường có thể quay tròn được. Kết cấu các loại khớp động trên cổ tay robot sẽ thể hiện khả năng linh hoạt của bàn kẹp.

Hàm kẹp (Gripper): dùng để kẹp các đối tượng: dụng cụ, chi tiết… nó thể dùng cơ cấu kẹp chặt kiểu nam châm điện, cơ khí hoặc khí nén.

1.4.2 Bộ điều khiển

Bộ điều khiển cấu thành từ những bộ phận cơ bản như một máy tính, gồm bộ xử lý trung tâm, bộ nhớ và bộ xuất/nhập kết hợp màn hình hiển thị. Các bộ phận này được bố trí trong một tủ điều khiển theo từng mô đun chức năng. Ngoài ra để thuận tiện cho sử dụng, người ta dùng một panel có màn hình hiển thị và các phím chức năng, được kết nối song song với độ điều khiển gọi là Teach pedant

Bộ điều khiển đảm bảo điều khiển cánh tay robot hoạt động theo các chương  trình

đặt trước hoặc từ các thông tin nhận biết trong quá trình làm việc.

Tuy nhiên trong thực tế người ta còn dùng bộ điều khiển kết hợp với máy tính thông qua các card giao tiếp và phần mềm ứng dụng để tiện lợi cho việc lập trình điều khiển và giám sát quá trình làm việc của robot.

1.4.3 Hệ thống cảm biến

Thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về hoạt động của robot. Các thông tin đặt trước hoặc cảm biến nhận được sẽ đưa vào hệ thống điều khiển, sau khi xử lý, tín hiệu điều khiển được tác động vào hệ thống truyền dẫn động của tay máy.

Trong một robot công nghiệp thường có 2 bộ phận cảm biến:

˗                Cảm biến giám sát trạng thái hệ thống (hay còn gọi là cảm biến nội tín hiệu) để nhận biết thông tin về hoạt động của bản thân robot.

˗                Cảm biến giám sát thông số môi trường (hay còn gọi là cảm biến ngoại tín hiệu) để nhận các tín hiệu từ môi trường mà robot đang phục vụ.

.

Hình 2.2: Sơ đồ cấu trúc cơ bản một Robot công nghiệp

1.4.4 Nguồn năng lượng

Cung cấp năng lượng cho các hoạt động của tay máy: nguồn điện (AC/DC), khí nén hoặc thủy lực

1.5 Giải thích hành trình và đường liên kết trong hệ thống rô bốt

1.5.1 Khâu và khớp động

Tay máy công nghiệp là một cơ cấu truyền động gồm các khâu liên kết với nhau qua các khớp để thực hiện một số chuyển động nhất định, như vậy ta có thể nói:

Khâu là một (hay một số) vật thể rắn liên kết cứng với nhau trong một cơ cấu và có ít nhất 2 nút tại đó liên kết qua một khớp động tới các khâu khác.

Khớp động là mối nối giữa 2 hay nhiều khâu liền nhau, nơi cho phép có chuyển động tương đối giữa các khâu. Khớp động hạn chế một phần chuyển động giữa các khâu.

Có nhiều cách phân loại khớp động, nhưng phần này quan tâm đến việc phân loại khớp động theo số bậc tự do còn lại hay số điều kiện liên kết hình học giữa các khâu. Theo điều kiện liên kết trong chuyển động tương đối giữa các khâu tạo thành khớp động có thể phân biệt khớp động loại 1, loại 2…loại 5 tương ứng với số bậc tự do hạn chế là 1, 2…5.

Như vậy khớp động loại 5 chỉ còn lại 1 bậc tự do trong chuyển động tương đối giữa các khâu, loại này được dùng phổ biến trong các robot công nghiệp.

Hình 2.3 thể hiện các dạng liên kết (khớp nối) giữa 2 khâu trong các tay máy.

Hình 2.3: Các dạng liên kết 2 khâu của tay máy

Tuy nhiên trong thực tế 2 dạng khớp động thường được sử dụng phổ biến nhất trong các tay máy là khớp tịnh tiến (khớp trượt) và khớp quay.

Phần sau sẽ trình bày ký hiệu qui ước của các loại khớp động này.

Khớp quay (Revolute Joints): là khớp động loại 5, chúng gồm 2 loại:

Khớp lắc (Pick joint): Trục quay vuông góc với trục tâm các khâu

- Khớp xoay (Roll joint):

 

khâu đồng trục       2 khâu vuông góc 0

 

a) Khớp cầu (Spherical Joint)

Là khớp loại 3 (P3), chúng bị khống chế 3 bậc tự do.

 

b) Khớp tịnh tiến (Sliding joints)

Phương tịnh tiến thông thường trùng với đường tâm của một khâu

1.5.2 Bậc tự do (Degrees of Freedom - DOF)

Bậc tự do W của một vật cho biết số khả năng chuyển động độc lập mà một vật cứng có thể thực hiện trong một hệ tọa độ chuẩn. W đồng nghĩa với số lượng khai báo tối thiểu hoặc tọa độ cần thiết để mô tả vị trí của vật trong không gian.

Hình 2.4 thể hiện bậc tự do của vật trong mặt phẳng và không gian. Vị trí điểm M (hình 2.3b) được xác định bởi vectơ P, nó phản ánh 3 bậc tự do của chuyển động tịnh tiến. Ngoài ra vật có thể quay quanh 3 trục mà không làm thay đổi vị trí điểm M, đó là 3 bậc tự do của chuyển động quay, chúng mô tả hướng của vật so với hệ tọa độ gốc.

Hình 2.4: Bậc tự do của một vật thể

Các tay máy phải có kết cấu sao cho nó có thể thực hiện dễ dàng việc kẹp và giữ vật trong quá trình làm việc. Muốn vậy nó phải đạt một số bậc tự do chuyển động. Số bậc tự do của một tay máy có thể không hạn chế nếu như bên cạnh một hệ tọa độ cơ bản (Frame Original) ta còn đặt nhiều hệ tọa độ trung gian, hệ tọa độ mở rộng khác

Trong các tay máy công nghiệp thường mỗi khâu động gắn với nguồn dẫn động riêng, và chuỗi động liên kết các khâu là chuỗi động hở. Do vậy đối với các loại cơ cấu dùng các khớp động loại 5 thì số bậc tự do của cơ cấu bằng số khâu động.

Trường hợp tổng quát số bậc tự do của tay máy có thể tính theo công thức:

Trong đó: n số khâu động

       Pi   số khớp động loại i

Như vậy đối với cơ cấu hở, số bậc tự do của cơ cấu bằng tổng số bậc tự do của các khớp động. Người ta qui ước số bậc tự do của tay máy không kể đến các chuyển động đóng mở của hàm kẹp.

Ví dụ:

Hình 2.5: Robot RV-1A

Hình vẽ 2.5 thể hiện chuyển động tại các khớp của robot RV- 1A, theo đó cánh tay robot có thể thực hiện các chuyển động quay quanh các khớp xoay từ khớp J1 đến J6. Như vậy ngoài chuyển động kẹp/tháo kẹp, robot này gồm 6 khớp động (loại 5) tương ứng với 6 khâu được dẫn động độc lập, do vậy robot này có 6 bậc tự do.

1.5.3 Tọa độ suy rộng (Generalized Joint Coordinates)

Các cấu hình khác nhau của cơ cấu tay máy trong từng thời điểm được xác định bằng các độ dịch chuyển góc hoặc các độ dịch chuyển dài của các khớp quay hoặc khớp tịnh tiến.

Các độ dịch chuyển tương đối đó so với giá trị ban đầu nào đó lấy làm mốc tính toán, được gọi là các tọa độ suy rộng (Generalized joint coordinates) hoặc còn được gọi là các giá trị biến khớp (Joint variables)

Trong sơ đồ động trên hình 2.6 có 5 khớp động loại 5, tức là có 5 bậc tự do. Theo sơ đồ này có 5 độ dịch chuyển lần lượt là 1, 2, 3, 4 và d1. Đây chính là 5 biến khớp (hoặc 5 tọa độ suy rộng). Trong 5 thành phần dịch chuyển trên, chì có d1 là biến dịch chuyển của khớp tịnh tiến giữa khâu 2 đối với khâu 1, còn lại là các dịch chuyển góc của các khớp quay.

 

 

 

 

 

 

Hình 2.6: Sơ đồ động một tay máy tọa độ suy

Trong trường hợp chung ta gọi i = 1, 2….n là các biến khớp (tọa độ suy rộng) của cơ cấu tay máy và nó được biểu thị:

Qi  = i  i   +  (1 -  δi) Si

Trong đó:

δi         giá trị góc quay của các khớp quay

Si        độ dịch chuyển tịnh tiến của các khớp tịnh tiến

1.6 Phân loại cánh tay rô bốt

- Các chuyển động cơ bản của một tay máy có thể hoạt động trong các hệ tọa độ (Coordinate Frames) khác nhau.

Không gian làm việc (Workspace) của robot là vùng không gian mà nó có thể thao tác được trong quá trình hoạt động.

Trong thực tế tùy thuộc vào hệ tọa độ sử dụng, tùy thuộc vào cấu hình robot mà mỗi loại robot có những vùng làm việc khác nhau. Để hiểu rõ hơn về không gian hoạt động của Robot chúng ta cần phải phân tích các hệ trục toạ độ tạo ra không gian làm việc của robot, thông thường có 3 hệ thống hệ trục toạ độ thường dùng như sau:

Hệ toạ độ vuông góc: không gian hoạt động là khối lập phương.

Hệ toạ độ trụ: sử dụng cho không gian hoạt động khối trụ.

Hệ toạ độ cầu: sử dụng cho không gian hoạt động khối cầu.

1.6.1 Hệ trục tọa độ vuông góc

Đối với các robot hoạt động trong hệ tọa độ vuông góc, các chuyển động cơ bản là các chuyển động tịnh tiến dọc theo các trục X, Y, Z. Do vậy vùng không gian hoạt động của robot sẽ là khối lập phương giới hạn bởi kích thước dài trên 3 trục tọa độ (hình 2.7). Trong thực tế, ngoài các chuyển động cơ bản nói trên, tại bàn kẹp dụng cụ của robot có thể thực hiện các chuyển động xoay tròn, vặn, lắc…

Hình 2.7 : Robot hệ tọa độ vuông góc và không gian làm việc

Truyền động cho các di chuyển theo các trục X, Y, Z được đưa ra bởi các cơ cấu truyền động đai, truyền động bánh răng thanh răng... Còn các chuyển động xoay, vặn và lắc được thực hiện bởi các cơ cấu truyền động tròn và có thể sử dụng các nguồn năng lượng khí nén, thủy lực hoặc điện. Có thể gắn Robot này vào trần hoặc nền tuỳ theo yêu cầu và không gian sử dụng Robot.

Robot hoạt động theo hệ trục toạ độ vuông góc có các ưu, nhược điểm:

Ưu điểm:

Không gian hoạt động lớn, khoảng di chuyển theo trục X có thể tới 80 feet

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 cho một số dạng tương đối khó khăn.

Hoạt động không linh hoạt, 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 là di chuyển vật liệu thay các thiết bị nâng, dịch chuyển dọc trục, lắp ráp các chi tiết …

1.6.2 Hệ tọa độ trụ

Cánh tay robot thực hiện 3 chuyển động cơ bản: tịnh tiến theo phương thẳng đứng (trục Z), tịnh tiến theo phương ngang (trục X) và quay quanh trục đứng (trục Z). Hình 2.8 thể hiện các chuyển động của một robot tọa độ trụ và không gian làm việc của nó là một hình khối trụ.

Hình 2.8: Robot hệ tọa độ trụ và không gian làm việc

Các trục của Robot toạ độ trụ được điều khiển bởi thủy lực, khí nén hoặc điện.

Ưu điểm của robot hoạt động theo hệ toạ độ trụ:

Có thể di chuyển nhanh theo hướng ngang vào hệ thống sản xuất.

Khả năng lặp lại tốt.

Cấu trúc cứng vững nên khả năng tải cao.

Nhược điểm cơ bản của Robot hoạt động theo hệ toạ độ trụ là bị 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 toạ 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

1.6.3 Hệ tọa độ cầu

Trong các phần trước chúng ta đã tìm hiểu không gian hoạt động của hệ trục toạ độ trụ, để di chuyển cánh tay theo hướng Y thì phải có nhiều trục hoạt động. Vị trí của Robot dạng này được thông qua 2 chuyển động quay quanh trục (Z, Y) và một chuyển động tịnh tiến tạo bán kính quĩ đạo R theo phương hướng tâm trục đứng (hình 2.9)

Các trục của hầu hết Robot này đều được truyền động bởi khí nén, 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 những vùng không gian kín hay vượt qua vật cản.

Nhược điểm:

Độ linh hoạt không cao như robot tọa độ góc.

Giá thành cao.

Hình 2.9: Robot hệ tọa độ cầu và không gian làm việc

1.6.4 Hệ tọa độ góc (Hệ tọa độ phỏng sinh) 

Đây là hệ tọa động thường được dùng hơn cả, 3 chuyển động cơ bản được thực hiện bởi 3 góc xoay: góc α, β1 và góc β2 … trong hệ tọa độ góc (hình 2.10). Ngoài các góc xoay đã kể robot còn có thể thực hiện góc lắc bàn tay, quay cổ tay…

Hình 2.10: Robot hệ tọa độ góc và không gian làm việc

Tất cả phần cánh tay đều nằm trên mặt phẳng thẳng đứng nên khi tính toán cơ bản đều là bài toàn phẳng. Khi mặt phẳng này quay đi một góc α, bàn kẹp có thể đạt tới vị trí bất kỳ trong vùng làm việc.

Ưu điểm nổi bật của robot này:

Gọn nhẹ

Linh hoạt

Vùng thao tác lớn so với kích thước của bản thân robot

Tốc độ làm việc tương đối cao.

Trong số các các loại robot hoạt động theo hệ tọa độ phỏng sinh có các loại robot Puma của hãng Unimation - Nokia (Mỹ - Phần Lan); Kuka (Đức); Tosman, Mitsubishi (Nhật)…

Nhược điểm cơ bản của robot hệ tọa độ góc là khả năng mang tải không cao so với các robot tọa độ đề các.

1.6.5 Robot SCARA

Được ra đời vào những năm 80 tại Nhật Bản, robot SCARA (Selectively Complice Assembly Robot Arm) với thế mạnh chuyên về lắp ráp các chi tiết, board mạch điện tử… Cấu trúc động học của robot này cũng có thể xem như thuộc hệ tọa độ phỏng sinh với các trục quay của các khớp động đều thẳng đứng.

Hình 2.11 thể hiện một robot SCARA với 3 chuyển động cơ bản và vùng không gian hoạt động của nó:

Chuyển động quay do 2 khớp xoay quanh 2 trục thẳng đứng góc α1, α2

Chuyển động tịnh tiến theo chiều trục thẳng đứng đoạn L (thường dịch chuyển không lớn)

Ưu điểm cơ bản của robot này là chúng có thể chuyển động với tốc độ cao, linh hoạt và độ chính xác lập lại cũng rất cao (0,025mm).

Tuy nhiên nhược điểm chính là vùng không gian hoạt động không lớn. Do những đặc tính cơ bản trên loại robot này thường được dùng cho việc lắp ráp, nhất là lắp ráp các board mạch điện tử.

 

Hình 2.11: Robot SCARA và không gian làm việc

 

1.7 Giải thích các đặc điểm thiết kế cổ tay

Đây là khớp giữa cánh tay dưới và tay gắp hay cơ cấu chấp hành cuối được gọi là khớp cổ tay. Thông thường khi thiết kế tay máy, khớp cổ tay được thiết kế là khớp cầu tức là ba khớp quay giao nhau tại một điểm.

Khớp cổ tay khá đơn giản khi phân tích động học cho chúng ta vị trí và hướng của tay gắp. Vì vậy cánh tay robot sẽ tạo ra vị trí và cổ tay của robot tạo ra hướng cần gắp hay điều khiển.

1.8 Giải thích các yếu tố quyết định đến lựa chọn bộ phận tác động bên

1.8.1 Các kỹ thuật xác định đường đi cho robot

a) Kỹ thuật điều khiển bằng thiết bị cầm tay

Đối với kỹ thuật này ta sử dụng thiết bị cầm tay gắn trực tiếp vào robot dùng để điều khiển hướng đi tới – lui – trái – phải và dừng hoạt động.

 

b) Kỹ thuật dò line dùng thiết bị cảm ứng

Đối với kỹ thuật này ta sử dụng các thiết bị cảm ứng được gắn xung quanh robot. Mỗi thiết bị cảm ứng sẽ có chức năng nhận biết line hay nền để từ đó có thể điều khiển robot di chuyển theo các line đã được định trước.

c) Kỹ thuật dùng xử lý ảnh

So với hai kỹ thuật trên, kỹ thuật này ta sử dụng một camera gắn trực tiếp vào robot dùng để thu nhận hình ảnh, sau đó những hình ảnh này được gửi về máy tính phân tích và xử lý. Sau khi xử lý xong máy tính tìm được đường đi và điều khiển robot di chuyển theo đường đi này. Quá trình thu nhận ảnh và tìm đường đi cho robot được lặp đi lặp lại cho đến khi robot đi được đến  đích.

1.8.2 Giới thiệu về robot tự hành

Robot tự hành là một thành phần có vai trò rất quan trọng trong ngành robot học. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống tự động hóa, robot tự hành ngày một đƣợc hoàn thiện và càng cho thấy lợi ích của nó trong công nghiệp và sinh hoạt. Một vấn đề rất được quan tâm khi nghiên cứu về robot tự hành là làm thế nào để robot biết được vị trí nó đang đứng và có thể di chuyển tới một vị trí đích, đồng thời có thể tránh được các chướng ngại vật trên đường đi.

Tiềm năng ứng dụng của robot tự hành hết sức rộng lớn. Có thể kể  đến robot vận chuyển vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa  hàng, sân bay và thưviện; robot do thám; robot khám phá không gian, di chuyển trên hành tinh …

1.8.3 Kỹ thuật tìm đường đi của robot

a) Kỹ thuật điều khiển bằng thiết bị cầm tay

Robot điều khiển bằng tay thường dùng để điều khiển các động cơ.

Việc điều khiển động cơ bao gồm các chức năng sau:

+ Điều khiển động cơ quay ngược       (robot lùi )

+ Điều khiển động cơ quay xuôi         (robot tiến )

+ Dừng động cơ      (dừng robot)

Thông thường là thiết kế một mạch điều khiển sử dụng các nút bấm để đóng mở các relay, mạch rất đơn giản và hiệu quả. Tuy nhiên, làm như vậy sẽ không thẩm mỹ và bất tiện.

Robot điều khiển bằng tay chia làm 2 loại :

 

* Điều khiển từ xa bằng hồng ngoại

Nếu dùng các mạch thu phát hồng ngoại thông thường thì tính ổn định không cao, tốt nhất nên dùng vi xử lí  để thu phát theo tần số riêng.

* Điều khiển qua dây cáp

Điều khiển qua dây cáp mang tính ổn định rất cao.

b) Kỹ thuật dùng thiết bị cảm ứng

Robot dò đường là loại robot có thể đi theo 1 đường vẽ hay có thể là một đường được quy định nào đó hoặc trên các đường line được quy định như các cuộc thi robocon...

Nguyên lý hoạt động của robot dò đường là các biến thể đặc biệt của robot hướng sáng. Sở dĩ nói như vậy là do chúng có cùng nguyên tắc hoạt động là sử dụng cảm biến quang điện (quang trở hoặc diode hồng ngoại) để so sánh cường độ sáng từ đó điều chỉnh hướng đi thích hợp, đây cũng là các quang trở dùng để dò đường (dò line).

Khi cảm biến bên trái gặp đường vẽ đen, động cơ bên phải chậm lại,  vì vậy robot sẽ hướng sang trái, và ngược lại.

Khi cả 2 cảm biến không gặp đường vẽ thì tốc độ quay của 2 động cơ sẽ ngang nhau vì vậy robot sẽ đi thẳng.

c) Kỹ thuật dùng xử lý ảnh

Kỹ thuật dò biên

Xuất phát từ định nghĩa toán học của biên người ta thường sử dụng 2 phương pháp phát hiện biên sau :

* Phương pháp xác định biên trực tiếp

Phương pháp này nhằm làm nổi biên dựa vào sự biến thiên về giá trị độ sáng của điểm ảnh. Kỹ thuật chủ yếu dùng phát hiện biên ở đây là kỹ thuật đạo hàm. Nếu lấy đạo hàm bậc nhất của ảnh ta có phương pháp Gradient; nếu lấy đạo hàm bậc hai ta có kỹ thuật Laplace. Hai phương pháp trên được gọi là phương pháp dò biên cục bộ, ngoài ra người ta còn sử dụng phương pháp “đi theo đường bao” dựa theo nguyên lý qui hoạch hoạt động và được gọi là phương pháp dò biên tổng thể.

* Phương pháp xác định biên gián tiếp

Là quá trình phân vùng dựa vào phép xử lý kết cấu đối tượng, cụ thể là dựa vào sự biến thiên nhỏ và đồng đều độ sáng của các điểm ảnh thuộc một đối tượng. Nếu các vùng của ảnh được xác định thì đường phân ranh giữa các vùng đó chính là biên ảnh cần tìm. Việc phát hiện biên và phân  vùng đối tượng là hai bài toán đối ngẫu. Từ phát hiện biên ta có thể tiến hành phân lớp đối tượng, như vậy là đã phân vùng được ảnh. Và ngược lại, khi đã phân vùng được ảnh nghĩa là đã phân lập được thành các đối tượng, từ đó có thể phát hiện được biên cần tìm.

Tuy nhiên, phương pháp tìm biên trực tiếp thường sử dụng có hiệu quả vì ít chịu ảnh hưởng của nhiễu. Song nếu sự biến thiên độ sáng của ảnh là không cao thì khó có thể phát hiện được biên, trong trường hợp này việc tìm biên theo phương pháp trực tiếp tỏ ra không đạt được hiệu quả tốt. Phương pháp tìm biên gián tiếp dựa trên các vùng, đòi hỏi áp dụng lý thuyết về xử lý kết cấu đối tượng phức tạp, vì thế khó cài đặt, song đạt hiệu quả cao khi sự biến thiên về cường độ sáng là nhỏ.

*Qui trình phát hiện biên

Bước 1: Khử nhiễu ảnh

Vì ảnh thu nhận thường có  nhiễu, nên bước đầu tiên là phải khử nhiễu, việc khử nhiễu được thực hiện bằng các kỹ thuật khử nhiễu khác nhau.

Bước 2: Làm nổi biên

Tiếp theo là làm nổi biên bởi các toán tử đạo hàm

Bước 3: Định vị điểm biên

Vì các kỹ thuật làm nổi biên có hiệu ứng phụ là tăng nhiễu, do vậy sẽ có một số điểm biên giả cần loại bỏ.

Bước 4: Liên kết và trích chọn biên

Như đã nói, phát hiện biên và phân vùng ảnh là một bài toán đối ngẫu, vì thế cũng có thể phát hiện biên thông qua việc phân vùng ảnh.

1.8.4 Một số nhận xét về các kỹ thuật tìm đường đi cho robot

a) Kỹ thuật điều khiển bằng tay

* Ưu điểm

Robot di chuyển bằng bộ điều khiển tay là một trong loại robot thi công đơn giản nhất, chi phí đầu tư thấp, di chuyển linh hoạt theo sự điều khiển, có thể có nhiều tính năng làm được nhiều việc thay con người.

* Khuyết điểm

Robot di chuyển bằng bộ điều khiển có khuyết điểm lớn nhất là còn phụ thuôc vào sự điều khiển của con người, không thay thế được con người, không tự di chuyển được do vậy robot di chuyển bằng bộ điều khiển chỉ hoạt động được khi có con người can thiệp.

b) Kỹ thuật dò line bằng thiết bị cảm ứng

* Ưu điểm

Là một robot tự vận hành một cách tự động, giá thành tương đối trung bình không cao, có thể dùng các cảm biến thông thường cũng có thể dò đường được.

Được ứng dụng nhiều cho các cuộc thi robocon, có khả năng thay thế con người làm việc trong phạm vi nhỏ.

Có khả năng tự động cua trái, cua phải một cách linh hoạt.

* Khuyết điểm

Tuy là một  robot  di chuyển tự  động nhưng chỉ di chuyển trên mặt  phẳng có các đường line quy định của nhà thiết kế.

Giá thành không cao nhưng không được ứng dụng rộng rãi, không di chuyển được trên các mặt phẳng khác.

Không thông minh, chỉ di chuyển được quảng đường đã được qui định.

c) Kỹ thuật tìm đường đi bằng phương pháp xử lý ảnh

* Ưu điểm

Chi phí chế tạo robot ít tốn kém hơn so với hai kỹ thuật dùng thiết bị điều khiển và dùng thiết bị cảm ứng, kỹ thuật này chỉ sử dụng camera để thu nhận hình ảnh để tìm đường, không cần gắn thêm vào robot các thiết bị cảm ứng để dò đƣờng.

Theo phương pháp xử lý ảnh, khi hành lang thay đổi (dài, ngắn) thì không cần chỉnh sửa lại chương trình, khác hơn so với kỹ thuật dò line dùng thiết bị cảm ứng.

* Khuyết điểm

Theo phương pháp xử lý ảnh, kết quả di chuyển robot bị tác động bởi các yếu tố: camera, điều kiện về môi trường (sáng hay tối). Chất lượng camera càng tốt sẽ thu nhận hình ảnh tốt thì robot di chuyển đạt được độ chính xác cao hơn.

1.9 Giải thích các loại rô bốt theo từng ứng dụng khác nhau

Ngày nay robot công nghiệp đã được phát triển rất đa dạng từ hình dáng, chủng loại, khả năng thực hiện những công việc khác nhau… Dựa vào những đặc tính đó, có nhiều cách phân loại robot công nghiệp.

1.9.1 Phân loại theo số bậc tự do

Robot có 4, 5 hoặc 6 bậc tự do

 

1.9.2 Phân loại theo vùng không gian hoạt động

Dựa vào 2 dạng chuyển động cơ bản làm chuẩn:

Chuyển động tịnh tiến theo các hướng X, Y, Z trong không gian 3 chiều thông thường tạo nên những khối hình hộp có góc cạnh gọi là Prismatic, ký hiệu là P.

Chuyển động quay quanh các trục X, Y, Z gọi là Rotation, ký hiệu là R.

Với 3 dạng chuyển động cơ bản trên, robot sẽ hoạt động trong các trường công tác với các hình khối tùy thuộc vào tổ hợp P và R

P P P Vùng hoạt động là khối lập phương (Cubical)

R P P Vùng hoạt động là khối trụ (Cylindrical)

R R P Vùng hoạt động là khối cầu (Spherical)

R R R Vùng hoạt động là khối cầu (Revolute)…

1.9.3 Theo đặc trưng và phương pháp điều khiển

a) Phân loại theo đặc trưng điều khiển

Robot điều khiển tự động

Robot điều khiển bằng tay

Robot quan sát (vision)…

Robot điều khiển theo chương trình cứng (tay gắp, nâng hàng…)

Robot điều khiển theo chương trình linh hoạt

Robot điều khiển thông minh

b) Phân loại theo phương pháp điều khiển

Điều khiển điểm (Point to point)

Điều khiển quĩ đạo liên tục (Continous path control)

Điều khiển vòng hở

Điều khiển vòng kín

1.9.4 Theo các hệ tọa độ được dùng khi chuyển động cơ bản

Robot hoạt động theo tọa độ vuông góc

Robot hoạt động theo tọa độ trụ

Robot hoạt động theo tọa cầu

Tay máy phỏng sinh (tọa độ góc)

1.9.5 Theo vị trí công tác trong dây chuyền

Người ta phân ra các loại

Robot cấp thoát phôi.

Robot vận chuyển.

Robot đóng gói…

1.9.6 Theo dạng công nghệ chuyên dụng

Robot sơn

Robot hàn

Robot lắp ráp…

1.10 Thu thập thông tin phản hồi cho hệ thống rô bốt và điều khiển đơn giản

Các cấu trúc cơ khí của một robot phải được điều khiển để thực hiện nhiệm vụ của chúng. Quá trình điều khiển một robot bao gồm ba giai đoạn - thu thập dữ liệu từ cảm biến, xử lý, ra lệnh thực hiện.

Các cảm biến cung cấp thông tin về môi trường hoặc các trong nội bộ robot (ví dụ như vị trí của các khớp hoặc cơ cấu chấp hành đầu cuối). Những thông tin này sau đó được xử lý để tính toán các tín hiệu điều khiển phù hợp với thiết bị chấp hành để di chuyển các bộ phận cơ khí.

Giai đoạn xử lý có độ phức tạp khác nhau. Ở mức độ phản ứng, các thông tin cảm biến thô sẽ được chuyển thành tín hiệu điều khiển trực tiếp ra thiết bị chấp hành. Bộ tổng hợp cảm biến trước tiên được sử dụng để ước tính các thông số có liên quan (ví dụ vị trí tay gắp của robot) từ dữ liệu cảm biến.

Một tác vụ tức thời (như di chuyển tay gắp theo một hướng nhất định) được suy ra từ những tính toán này. Các kỹ thuật từ lý thuyết điều khiển sẽ chuyển đổi tác vụ này thành các lệnh đưa đi điều khiển các thiết bị chấp hành.

Ở quy mô thời gian dài hơn hoặc với nhiệm vụ phức tạp hơn, các robot có thể cần phải được trang bị một mô hình "nhận thức". Mô hình nhận thức biểu thị cho cách thức robot tương tác với thực tại. Các nhận dạng mẫu và thị giác máy tính có thể được sử dụng để theo dõi các đối tượng.

Kỹ thuật lập bản đồ có thể được sử dụng để xây dựng bản đồ thực tế. Cuối cùng, cách thức chuyển động và các kỹ thuật trí tuệ nhân tạo có thể được sử dụng để tìm ra cách để thực thi. Ví dụ, một robot có thể tìm ra cách để hoàn thành một nhiệm vụ mà không va chạm với chướng ngại vật, hoặc bị ngã..

Các hệ thống điều khiển có mức độ độc lập khác nhau.

˗                Tương tác trực tiếp được sử dụng cho các thiết bị điều khiển bằng tay qua dây hoặc từ xa, con người có quyền điều khiển gần như hoàn toàn chuyển động của robot.

˗                Chế độ hỗ trợ từ nhân viên vận hành, nhân viên vận hành ra lệnh robot thực hiện các công việc ở mức bình đến cao cấp, các robot tự động tìm ra cách để hoàn thành mệnh lệnh.

˗                Robot tự hành có thể di chuyển trong thời gian dài mà không cần sự tương tác của con người. Cấp độ cao hơn của tự chủ không nhất thiết đòi hỏi khả năng nhận thức phức tạp hơn.

˗                Ví dụ, robot trong nhà máy lắp ráp là hoàn toàn độc lập, nhưng hoạt động trong một mẫu hình cố định.

˗                Một phân loại khác có tính đến sự tương tác giữa người điều khiển và các chuyển động của máy móc.

˗                Thao tác từ xa. Người vận hành điều khiển từng động tác một, mỗi thay đổi của máy được xác định bởi người vận hành.

˗                Giám sát. Người vận hành xác định cách di chuyển hoặc các thay đổi vị trí và máy tự xác định cách thức di chuyển của bộ phận chấp hành.

˗                Tự chủ về công việc. Nhân viên vận hành chỉ xác định nhiệm vụ và các robot tự mình hoàn thành nhiệm vụ.

˗                Hoàn toàn tự chủ. Máy sẽ tạo ra và hoàn thành tất cả nhiệm vụ của mình mà không cần sự tương tác của con người.

1.11 Mô tả lợi ích và trở ngại gặp phải khi sử dụng hệ thống điều khiển tự động

Lợi ích:

Hiệu suất cao, chất lượng được cải thiện, hiệu quả cao, an toàn, tiện lợi, tiết kiện điện năng, lặp lại, chính xác, tốc độ, sử dụng trong các vùng nhiễu

Kết quả:

Phụ thuộc vào công việc, chi phí cơ bản, giá biến đổi, không gian sẵn có, chi phí bảo trì, hao hụt sản xuất do hư hỏng, chi phí phát sinh, an toàn

1.12 Giải thích điều kiện thiết kế dựa vào hoạt động của hệ thống rô bốt

1.12.1 Lập kế hoạch

- Chuẩn bị nguồn lực, xem xét tính ứng dụng và tính khả thi

1.12.2 Triển khai

- Công việc, trình bày các chi tiết, thiết bị gia công, vận hành máy móc, kiểm soát chất lượng

1.12.3 Mô hình & kiểm tra

- Vận hành, hiệu chỉnh lỗi, chạy thử, kiểm tra chất lượng

1.12.4 Lắp đặt

- Vận hành quy trình thí điểm, vận hành song song với pin thủ công, thực hiện các thao tác cuối cùng

1.13 Giải thích cách sắp xếp vật lý cho hệ thống rô bốt

Nhìn bề ngoài, robot của các nhà sản xuất khác nhau có vẻ rất giống về khả năng. Tìm hiểu sâu hơn sẽ cho thấy sự khác nhau về độ tin cậy của phần cứng, tuổi thọ, thực hiện các chức năng an toàn, giao diện người vận hành và phương pháp lập trình. Không quan tâm đến kích thước và độ phức tạp, hệ thống robot đầu tiên của bạn thường được xem xét kỹ lưỡng để thiết lập hướng cho mọi ứng dụng trong tương lai.

Robot phù hợp nhất cho ứng dụng với công cụ được thiết kế hợp lý và mạnh mẽ, trong một khoang được thiết kế an toàn và thân thiện với người vận hành vẫn có thể phá hỏng hoạt động của bạn nếu nó không được lập trình với sự chú ý tới từng chi tiết.

Giao diện người vận hành phải rõ ràng và dễ hiểu để người vận hành có thể nhanh chóng tự tin sử dụng hệ thống sau khi được đào tạo. Để hạn chế khả năng cài đặt và sự va chạm không phù hợp, bất kỳ ở đâu, hệ thống cần phải “tự ý thức” về môi trường công việc thông qua việc sử dụng một cảm biến và mã hóa trên các công cụ, đồ gá lắp hay các chi tiết cố định.

Các hoạt động lặp lại và phản ứng thường cồng kềnh và chậm nếu được thực hiện qua bảng người vận hành-sử dụng hợp lý nút ấn/điều khiển trên bảng điều khiển được thiết kế hợp lý thường là một giải pháp tốt hơn.

1.14 Giải thích các vấn đề an toàn tự động/rô bốt liên quan đến máy móc và con người.

Robot nhanh, chính xác, mạnh mẽ và cũng im lặng đến đáng sợ, điều đó đồng nghĩa với việc robot có khả năng thực hiện công việc, nhưng cũng tiềm ẩn khả năng gây ra những thiệt hại nghiêm trọng. Khai thác những lợi thế của robot một cách an toàn mà không đe dọa cuộc sống con người là mục tiêu của nhà sản xuất robot, các nhà tích hợp đủ khả năng và có uy tín và cũng là mục tiêu của mọi người sử dụng cuối.

Tuy người máy có thể giúp con người rất nhiều trong những công việc mà con người không thể làm nhưng trong khi sử dụng người máy đồng thời cũng xảy ra những tai nạn đáng tiếc. Tháng 9 năm 1978 ở Nhật Bản, đã xảy ra một vụ việc mà người máy làm nghề cắt gọt đã cắt chết một người. Vụ này đã trở thành lần đầu tiên người máy đã trở thành kẻ sát nhân trong lịch sử được ghi nhận. Năm 1981 vẫn ở Nhật Bản cũng đã xảy ra vụ tương tự.

Nguyên nhân

Nhiều nhà chuyên môn sau khi nghiên cứu đã nhận xét. Việc người máy bỗng trở nên mất kiểm soát là do các linh kiện trong hệ thống bị bất ngờ gặp trục trặc hoặc hệ thống điện tử bị nhiễm sóng điện tử nặng. Vì sự việc xảy ra quá nhanh nên khó lòng kiểm soát được vụ việc.

Biện pháp

Sau những tai nạn, con người càng thận trọng hơn với việc sử dụng người máy. Ở nhiều nước hiện đại, đã sản xuất và sử dụng người máy, đã đặt ra các luật lệ và quy tắc an toàn khi sử dụng hay sản xuất người máy. Đồng thời tăng cường các hệ thống của người máy nhằm hạn chế tối đa các bộ phận bị trục trặc.

Không dừng ở đó, mối lo ngại về người máy quá thông minh có thể làm phản và tạo ra một cuộc chiến tranh khổng lồ đã được tưởng tượng như trong phim Kẻ hủy diệt vì thế nhà văn viễn tưởng A-Xi-Lốp đã ra 3 luật để nhằm đảo bảo an toàn cho loài người.

- Điều 1: Trong bất cứ trường hợp nào người máy cũng không được gây thương vong cho con người, hoặc thấy người lâm nạn mà khoanh tay đứng nhìn.

- Điều 2: Trong mọi trường hợp, người máy phải phục tùng mệnh lệnh của con người, nhưng khi mệnh lệnh đó trái với điều 1 thì cho phép không thi hành.

- Điều 3: Dưới tiền đề không làm trái với quy định ở điều 1 và điều 2, người máy có quyền bảo vệ bản thân mình.