Hệ thống robot công nghiệp - robot Serpent

Lời nói đầu
Nền công nghiệp thế giới đang trên đà phát triển ngày càng cao, các hệ
thống máy móc dây chuyền sản xuất đwợc hiện đại hoá, chuyên môn hoá chức
năng để thực hiện các nhiệm vụ và yêu cầu sản xuất khác nhau. Các vấn đề tự
động điều khiển và các thiết bị tự động hoá đợc đặt lên hàng đầu trong quá
trinh nghiên cứu cũng nh ứng dụng công nghệ mới vào trong sản xuất. Nó đòi
hỏi khả năng xử lý, mức độ hoàn hảo, sự chính xác của hệ thống ngày một cao
hơn để có thể đáp ứng đwợc nhu cầu về số lợng, chất lợng, thẩm mỹ ngày cáng
cao của xa hội và nhu cầu giải phóng sức lao động của con ngời nâng cao hiệu
quả lao động.
Sự xuất hiện của máy tính vào nhng năm đầu thập niên 60 đã hỗ trợ con
ngời làm việc tốt hơn trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong sản xuất cũng nh
trong nghiên cứu khoa học. Đồng thời song song với sụ phát triền của máy tinh
là sụ phát triển của các dây chuyền sản xuất và các thiết bị tự động hoá. Trong
các dây chuyền máy móc hiện đại và trong hệ thống sản xuất thì robot và các
thiết bị tự động hoá có một vai trò quan trọng trong điều khiển tự động và công
nghệ sản xuất chính xác nh gắp vật từ vị trí này sang vị trí khác trong băng
truyền, thực hiện đòi hỏi độ chính xác cao và độ khéo léo, thay thế cho con ngời
làm nhũng công việc khó khăn nguy hiểm mà con ngời không làm đợc. Robot
cũng có nhiều ứng dụng rộng rãi trong đời sống của con ngời: nó phục vụ từ
những yêu cầu nhỏ nhất của con ngời, robot không ngừng hoàn thiện nhằm
vuơn tới mục tiêu robot có khả năng t duy nh con ngời.
Ngày nay sự kết hợp giữa robot và máy tính tạo ra một thế mạnh mới cho
các loại robot. Robot có thể đáp ứng đợc những yêu cầu khắt khe của con ngời
trong sản xuất cũng nh trong nghiên cứu, học tập và đời sống. Do đó phạm vi
ứng dụng của robot không ngừng mở rộng trong mọi lĩnh vực dần dần thay thế
con ngời trong sản xuất, tăng năng xuất xí nghiệp.
Trớc những yêu cầu đòi hỏi bức thiết để tìm hiểu công nghệ sản xuất hiện
đại và cách hoạt động của dây chuyền máy móc dùng robot. Qua đợt thực tập ở
bộ môn Tự động hoá, em đã đợc tìm hiểu về hệ thống Robot Scara và đợc thực
tập lắp ráp mạch lực truyền động cho động cơ robot để cải tiến lại robot Serpent

đáp ứng nhu cầu nghiên cu và hoc tập của những khoá sau. Từ đó em thêm hiểu
sâu hơn về khả năng ứng dụng của Robot, nguyên lý hoạt động, vận hành và đ-
ợc áp dụng những kiến thức đã học vào thực tế. Trong báo cáo thực tập này em
xin phép đợc trình bày về hệ thống Robot công nghiệp tiêu biểu là robot
Serpent, hệ thống điều khiển động cơ robot, mạch lực.
Bản báo cáo gồm 4 phần :
Chơng I :Giới thiệu chung về robot công nghiệp
Chơng II: Bộ băm xung áp một chiều
Chơng III: Mạch điều khiẻn mạch lực cho động cơ truyền động robot
Chơng IV: Kết Luận.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Mạnh Tiến đã tận tình
chỉ bảo và giúp đỡ để em có thể hoàn thanh bản báo cáo này.
1

Chơng I: giới thiệu chung về robot công nghiệp
I.Một số khái niệm định nghĩa về robot
Robot ứng dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong sản xuất cũng
nh trong đời sống. Để hiểu rõ hơn về robot ta thông qua một số khái niệm :
Robot là cơ cấu đa chức năng có khả năng lập trình cùng với các cảm
biến ở bên ngoài đợc dùng để di chuyển nguyên vật liệu, các chi tiết,
các dụng cụ thông qua các truyền động đợc lập trình trớc.
Robot là cánh ta có vài bậc tự do và có thể thực hiện đợc các chuyển
động nh tay ngời và điều khiển đợc bằng máy tính hoặc có thể điều
khiển bằng chơng trình đợc nạp sẵn trong robot.
Robot là thiết bị có thể thao tác nh con ngời có thể hợp tác với nhau
một cách thông minh.
Robot công nghiệp là một cơ cấu lập trình đợc có thể thực hiện tự
động các công việc có ích mà không cần trợ giúp của con ngời.
Robot với tự động hoá : dây truyền sản xuất tự động hoá linh hoạt cần có
robot.

Robot là một hệ thống bao gồm 3 hệ thống nhỏ:
Hệ thống chuyển động cơ khí Robot gồm:
+ Khớp nối, thanh nối(joint,link) : tay máy( Arm)
+ Bệ thân (Base)
+ Cổ tay(Wrist)
+ Bàn tay(hand)
+ Ngón tay(finger)
2
( Khớp thẳng đứng)
Khớp ngang
-Bệ : Thông thờng có 6 khớp : + 3 khớp cánh tay
+ 3 khớp cổ tay
Có 2 loại khớp: + Khớp quay (Rotate Joint,Link)
+ khớp tịnh tiến (Prímatic Joint)
-Cổ tay : Thanh cuối cùng




Khớp tịnh tiến


-Bàn tay gắn vào cổ tay(hand) End efector
Có hai loại End efector : - Gripper(tay kẹp)Cầm, nắm
- Tool (dụng cụ) : - Mỏ hàn
- Bình sơn
Hệ thống điều khiển : Chức năng các bộ phận chuyển động
robot
3
E

2
FT
2
K
2
K
1
E
1
FT
1
Đ
1
Đ
2
BBĐ
1
BBĐ
2
ĐK
1
ĐK
2
Máy tính(CPU or MP)
Thanh
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển:
- Khớp + Cơ cấu truyền động : - Động cơ
(Cơ cấu chấp hành) - Thuỷ lực
- Khí nén
+ BBĐ : Bộ chỉnh lu, băm xung áp 1 chiều

+ Điều khiển
4
+ Cảm biến
Hệ thống điều khiển bao gồm 2 loại :
- Hệ thống điều khiển quỹ đạo
- Hệ thống điều khiển lực
+ Hệ thống điều khiển vị trí (quỹ đạo): Tay robot di động theo
quỹ đạo theo vị trí đặt trớc.
Sơ đồ khối chung:
Tính quĩ
đạo khớp
ĐK
1
q
1
đ
q
1
Khớp1
Robot
Khớp 6
ĐK
6
Đo
6
Đo
1
q
6
q

1
q
6
Đặt quĩ
đạo tay
U
6
U
1

q
1
đ - vị trí đặt khớp 1 : - Quay(
1
đ)
- Tịnh tiến(r,d)
Khớp tính quỹ đạo khớp : + Tay khớp
+ Thiết kế quĩ đạo khớp
+ Hệ thống điều khiển lực: - Di chuyển
- Lực
5
Hệ thống nhận dạng.
II. Lịch sử phát triển của robot
Năm 1951 cơ cấu tay máy điều khiển xa ra đời Teleoperator ( làm việc
trong môi trờng phóng xạ). Năm 1952 mẫu máy điều khiên số MIT. Năm 1960
Robot đầu tiên ra đời (Unimate). Năm 1961 Robot công nghiệp ra đời và chính
thức đi vào thơng mại hoá. Càng ngày Robot càng phát triển mạnh mẽ nó đem
lại nhiều lợi ích cho ngành công nghiệp : Tăng thời gian hoạt động của máy
móc, tăng độ linh hoạt, có khả năng định trớc đợc công việc, tăng sản lợng nhờ
làm ổn định quá trình lam việc. Trong công nghiệp tự động hóa bằng robot đã

khắc phục tình trạng thiếu nhân công, tăng độ an toàn trong lam việc của xí
nghiệp, nhà máy. Từ đó mà các xí nghiệp có thể tăng năng suất, giảm lợng vốn
đầu t và số lợng nhân công giảm


Hạ giá thành sản phẩm làm tăng sức canh
tranh trên thị trờng thế giới. Đi kèm với sự phát triển của robot (về tính năng) là
sự phát triển của ngôn ngữ lập trình nạp vào robot thc hiện điều khiển robot.
Năm 1973 ngôn ngữ lập trình Ware ra đời tiếp đó là hàng loạt các ngôn ngữ
khác ra đời nh Walli làm tăng khả năng làm việc của robot, tính tự động hoá
và sự ổn định tăng cao. Ngày nay robot phát triển nh vũ bão, đợc áp dụng vào
nhiều lĩnh vực sẩn xuất cũng nh nghiên cứu và đời sống. Giá thành của robot
đang đợc giảm đi trong khi tính năng cả nó đợc gia tăng, công nghệ ngày càng
dễ sử dụng .
Robot công nghiệp ngày nay kết hợp với các thiết bị ngoại vi tạo thành
một hệ thống và có thể lập trình điều khiển bằng máy tính để cho chúng hoạt
động theo công nghệ đã đặt ra. Có rất nhiều robot công nghiệp đang đợc sử
dụng sau đây em xin phép tìm hiểu và khái quát chung về Robot SCARA hiện
có trên phòng thí nghiệm của bộ môn và cụ thể là Robot SERPENT của hãng
Feedback

6
III. Nghiên cứu về robot scara (robot serpent)
1. Khái niệm
Robot SCARA ( Selectively Compliant Articulated Robot Arm) có nghĩa
là có thể lựa chọn dễ dàng khớp nối cánh tay Robot.
Do chuyển động của Robot SCARA đơn giản , dễ dàng điều khiển nên
nó đợc sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp. Tiêu biểu cho nhóm robot nay
ta nghiên cứu Robot Serpent.
Robot Serpent đợc thiết kế động cơ truyền động cho cổ tay đợc đặt trên

trục cơ bản và liên hệ với cổ tay bằng đai truyền, nên nó đẩm bảo đợc góc quay
của cổ tay không thay đổi trong quá trình máy chuyển động.
Truyền động cho 2 khớp của tay máy và cổ tay bằng động cơ servo một
chiều có phản hồi vị trí tạo thành một vòng điều khiển kín. Chuyển động thẳng
đứng đợc thực hiện bằng piton khí nén.
Chiều cao của robot có thể thay đổi dễ dàng bằng cách thay đổi vị trí gá
thân robot trên trục cơ bản, giúp tay máy thuận lợi trong việc thay đổi công
việc( thay đổi toạ độ, phạm vi hoạt động của robot).
Robot Serpent có thể đợc lập trình từ máy tính bằng cách đặt dữ liệu cho
mỗi trục. Hoặc điều khiển bằng tay sử dụng thiết bị lái điện ( steering) cho tay
máy dùng các cuộn dây điện từ trong pendant.
7
2. Cấu tạo tay máy Robot Serpent .
Robot Serpent đợc cấu tạo bởi một chuỗi các thanh cứng liên kêt với nhau bởi
các khớp nh hình vẽ:
8

x1
l
1
l
2
z1
z
0
a
1
1
2
a2

x2
z2
d3
3
4
x3
z3
z4
x
0
Cấu hình Robot Serpent
Robot Serpent gồm 3 khớp chuyển động quay và một khớp chuyển động
tịnh tiến. Tuỳ vào vị trí của tay mà các thanh nối cũng nh các khớp sẽ có vị trí
khác nhau trong không gian và ngợc lại.
+ Khớp 1 quay quanh trục z
0
góc
1
.
+ Khớp 2 quay quanh trục z
1
góc
2
.
+ Khớp 3 chuyển động tịnh tiến theo trục z
2
đoạn d
3
.
+ Khớp 4 quay quanh trục z

3
góc
4
.
Động học vị trí Robot gồm 2 bài toán :
Động học thuận : Cho biết vị trí và hớng của các khớp
Robot ta xác định đợc vị trí và hớng của tay Robot.
Động học ngợc : Cho biết vị trí của tay robot, tính toán các
vị trí khớp để điều khiển các khớp giúp tay chuyển động theô quĩ
đạo mong muốn.
9
3. Thông số và giới hạn làm việc của Robot Serpent.
Robot Serpent có 4 thanh nối cứng, 3 khớp quay và một khớp chuyển
động tịnh tiến( các thanh nối đợc dịch chuyển nhờ động cơ nối với khớp quay
(biến
1
,
2
,
4
)và dịch chuyển nhờ bộ phận khí nén đối với khớp tịnh tiến(biến
d
3
) .)/
Các thông số kỹ thuật của robot Serpent nh sau :
a
1
= 0.25(m) ( Chiều dài của thanh nối giữa 2 khớp main và fore = l
1
).

a
2
=0.15(m) ( Chiều dài của thanh nối giữa hai khớp main và cổ tay = l
2
)
m
1
= 4 (kg); m
2
= 1.5 ( kg)
m
3
= 2 (kg); m
4
= 0.6 (kg)
Chiều dài thanh nối d
3
phụ thuộc vào chế độ làm việc của tay máy.
` Các biến khớp có các giới hạn góc quay nh sau:

1
= 0 ữ 6600 dp tơng ứng với góc quay trong thực tế là -96
0
ữ 96
0
( so
vớí trục ox)

2
= 0 ữ 7900 dp tơng ứng với góc quay trong thực tế là -115

0
ữ 115
0
(so
với trục thanh 1).
Ta biểu diễn hình chiếu cánh tay của robot Serpent nh sau :

2


1
Toạ độ tay của robot Serpent
10
Từ đó có thể nhận thấy đợc giới hạn không gian làm việc của nó:
Giới hạn bên ngoài của vùng làm việc
Giới hạn bên trong của vùng làm việc
X
Y
t
l1
l2
0
96
Nh vậy khoảng không gian mà tay máy có thể với tới toàn bộ hình trụ với
đáy là đờng có tô màu ở trên, có đờng giới hạn bên trong là một cung tròn có
bán kính r = 0.2309(m), 2 điểm mút tơng ứng với vị trí hai góc
1
,
2
đều bằng

0 dp và vị trí
1
= 6600(dp),
2
= 7900(dp); đờng giới hạn bên ngoài là đờng
tròn bán kính R = 0.4(m).
Khi biết đợc vị trí nào mà tay máy có thể đến đợc chúng ta có thể lập
trình để tìm vị trí, quĩ đạo mà tay máy có thể đến đợc bằng các ngôn ngữ lập
trình nh Matlab.


11
chơng II: Bộ băm xung áp một chiều
Bộ băm xung áp một chiều có nhiều u điểm trong truyền động giao thông,
robot. Bộ băm xung áp biến đổi đợc điện áp một chiều từ 0 đến giá trị điện áp
nguồn U
S
một cách trơn liên tục.
I . Nguyên lý
Nguyên lý chung là biến đổi giá trị của điện áp một chiều ở các mức khác
nhau.
U
ra
là một dãy xung vuông (lý tởng) có độ rộng t
1
và độ nghỉ t
2
. Điện áp ra
bằng giá trị trung bình của điện áp xung. Nguyên lý cơ bản của các bộ biến đổi
này là điều khiền các phần tử công suất bằng phơng pháp xung. Để có hiệu suất

lớn thì điện áp sụt trên các phần tử công suất ở trạng thái mở phải nhỏ, dòng
qua nó ở trạng thái mở rất nhỏ.
12
BBĐ
một
chiều
U
S
U
ra
U
ra
t
t
1
t
2
T
Tải
Chỉnh
lu
không
điều
khiển
L
2

K
D
C
1
C
2
Sơ đồ nguyên lý của bộ băm xung áp một
chiều
Trên sơ đồ thì bộ băm xung áp làm việc nh một công tác tơ tĩnh (K) đóng
mở liên tục 1 cách chu kì . Nhờ vậy mà biến đổi đợc điện áp một chiều không
đổi E thành các xung điện áp một chiều U
tb
có trị số có thể điều chỉnh đợc.
Điện áp U
tb
này đặt vào phần ứng động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ.
Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ giảm áp thì 0<U
tb
<E.
Khi bộ băm xung áp làm việc ở chế độ tăng áp thì E<U
tb
<0.
Trong sơ đồ trên L,C là bộ phận lọc để san bằng và giữ cho điện áp tải
thực tế là không đổi ,mục đích là giảm hệ số đập mạch nâng cao chất lợng điều
chỉnh .
Điện áp trên tải thu đợc phụ thuộc vào tần số đóng cắt khoá K.Trong khi
đó các hạn chế về công nghệ và tổn hao của bộ biến đổi điện áp một chiều
quyết định giới hạn tần số làm việc của bộ biến đổi .Để tránh các sóng không

mong muốn và từ đấy tránh đợc Momen đập mạch thì tần số phải lớn hơn một
mức nào đó .Tần số đóng cắt càng nhanh thì càng giảm đợc kích thớc của bộ
lọc, nhng nếu quá lớn sẽ sinh ra nhiễu vô tuyến .Vì vậy phải cân nhắc để lựa
chọn đợc bộ biến đổi làm việc ở dải tần thích hợp( dới 1KHz). Thực tế thờng
dùng tần số băm khoảng 400Hz ữ 600Hz.
Thực tế khoá K trên sơ đồ nguyên lý đợc thay bằng khoá điện tử cụ thể là
Tiristor hoặc Transistor(Công suất hoặc MOS).
Dùng Tiristor có u điểm là trị số giới hạn cao ,làm việc chắc chắn rẻ tiền,
tổn hao khi dẫn nhỏ nhng có nhợc điểm là mở chậm nên chỉ sử dụng rộng rãi ở
tần số đóng mở thấp (dới 500Hz).
Transistor MOS thích hợp với dải tần số chuyển mạch cao hơn 100KHz.
Transistor công suất thích hợp với dải tần từ 20->100Khz,có giá
thành rẻ hơn,tổn hao ít hơn MOS.
Với hệ thống dùng Transistor thì yêu cầu làm mát không cao bằng
Tiristor,nhng Tiristor lại cho phép dễ bảo vệ chống lại các sự cố hơn
13
Transistor .Vì vậy ở những môi trờng làm việc nặng nề việc sử dụng Transistor
là hạn chế.
Việc sử dụng loại linh kiện nào dùng trong bộ biến đổi trong thực tế là
dựa vào khả năng kinh tế kỹ thuật và trong nhiều trờng hợp thì việc lựa chọn
không rõ ràng .
Ngoài sự ảnh hởng của các thông số kỹ thuật là tần số đóng cắt, giới hạn
về các linh kiện thì chất lợng điều chỉnh tốc độ động cơ còn phụ thuộc vào cả
cơ cấu điều chỉnh là kín hay hở. Dùng sơ đồ điều chỉnh kín (có vòng phản hồi)
sẽ tăng thêm tính ổn định tốc độ với một tần số đóng cắt nhất định, nâng cao đ-
ợc chất lợng điều chỉnh.
II. Ph ơng pháp điều chỉnh điện áp ra
Có hai phơng pháp:
Thay đổi độ rộng xung (t
1

).
Thay đổi tần số xung (T hoặc f).
1. Phơng pháp thay đổi độ rộng xung
Nội dung của phơng pháp này là thay đổi t
1
, giữ nguyên T Giá trị
trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:
S
S
tai
U
T
Ut
U .
.
1

==
trong đó đặt:
T
t
1
=

là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ.
Nh vậy theo phơng pháp này thì dải điều chỉnh của U
ra
là rộng (0 < 1).
2. Phơng pháp thay đổi tần số xung
Nội dung của phơng pháp này là thay đổi T, còn t

1
=const. Khi đó:
SStai
UftU
T
t
U ...
1
1
==
14
Vậy U
ra
=U
S
khi
1
1
t
f
=
và U
ra=0
khi f=0.
Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phơng pháp trên. Thực tế phơng pháp biến
đổi độ rộng xung đợc dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết bị
biến tần đi kèm.
II. Các dạng cơ bản
Dựa vào cách mắc khoá xung, các bộ lọc và nguồn cung cấp mà có các
dạng sơ đồ sau:

1. Biến đổi hạ áp:
Sơ đồ nguyên lý nh sau:
Phần tử điều chỉnh quy ớc là khoá K ( thực tế là Tiristor hoặc Tranzitor).
Đặc điểm của sơ đồ này là khoá K, cuộn cảm và tải mắc nối tiếp. Tải có
tính chất cảm kháng hoặc dung kháng. Bộ lọc L & C. Đi-ôt mắc ngợc với U
ra
để thoát dòng tải khi khoá K ngắt.
+ K đóng U
S
đợc đặt vào đầu của bộ lọc. Lý tởng thì U
tải
= U
S
(nếu bỏ
qua sụt áp trên các van trong bộ biến đổi).
+ K mở hở mạch giữa nguồn và tải, nhng vẫn có dòng I
tải
do năng lợng
tích luỹ trong cuộn L và L
tải
, dòng chạy qua D, do đó U
ra
=U
tải
=0.
Nh vậy, U
tải tb
U
S
. Tơng ứng ta có bộ biến đổi hạ áp.

Đặc tính truyền đạt:

==
S
tai
I
U
U
W
15
L1
D1
U
S
U
r
a
C
lọ
c
tải
2. Biến đổi tăng áp:
Sơ đồ nh sau:
Đặc điểm: L
1
nối tiếp với tải, Khoá K mắc song song với tải. Cuộn cảm L
1
không tham gia vào quá trình lọc gợn sóng mà chỉ có tụ C đóng vai trò này.
+ K đóng, dòng điện từ +U
S

qua L
1
K -U
S
. Khi đó D tắt vì trên tụ có U
C
(đã đợc tích điện trớc đó).
+ K ngắt, dòng điện chạy từ +U
S
qua L
1
D Tải. Vì từ thông trong L
1
không giảm tức thời về không do đó trong L
1
xuất hiện suất điện động tự cảm e
L
dt
d
w

=
, có cùng cực tính U
S
. Do đó tổng điện áp: U=U
S
+e
L
làm D thông
U

tải
=U
S
+e
L
. Vậy ta có bộ biến đổi tăng áp.
Đặc tính của bộ biến đổi là tiêu thụ năng lợng từ nguồn U
S
ở chế độ liên tục
và năng lợng truyền ra tải dới dạng xung nhọn.
Đặc tính truyền đạt:


==
1
1
S
tai
I
U
U
W
3. Biến đổi đảo cực:
Sơ đồ mắc nh sau:
L
1
chỉ đóng vai trò tích luỹ năng lợng.
C đóng vai trò lọc.
16
L1

D1
U
S
U
r
a
C
lọ
c
tải
K
L1
D1
U
S
U
r
a
C
lọ
c
tải
K