Tài liệu Lý thuyết robot song song P1 ppt

10
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÓ CẤU TRÚC SONG SONG

1.1 Giới thiệu chung về Robot
1.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển Robot
Từ Robot xuất hiện đầu tiên vào năm 1920 trong tác phẩm Rossum’s
universal Robots của nhà văn Czech, Karel Capek.
Năm 1921 trên sân khấu múa rối châu Âu đã xuất hiện con rối Robota với tên
gọi là “Lực sỹ” (Force man) do các nghệ sỹ Tiệp Khắc trình diễn. Đây có thể
coi là ý tưởng sáng tạo rất độc đáo của nghệ thuật đồng thời đã đặt cơ sở
cho
sự ra đời và phát triển của ngành Robot. Đó cũng có thể coi là sự gợi ý cho
các nhà sáng chế kỹ thuật. Về những cơ cấu máy móc bắt chước những thao
tác cơ bắp của con người. Cho đến nhưng năm đại chiến đại chiến thế giới thứ
hai, việc triển khai ứng dụng những cơ cấu như vậy trong kỹ thuật trở thành
đòi hỏi, nhu cầu th
ực sự, nhằm đáp ứng những thao tác cần thiết trong môi
trường phóng xạ của các phòng thí nghiệm nguyên tử. Những cơ cấu điều
kiển từ xa (Teleoperator) ra đời và ngày càng phát triển. Đó là những cơ cấu
phỏng sinh học gồm các khâu, khớp và các dây chằng gắn liền với hệ điều
hành là các cánh tay của người thao tác thông qua các cơ cấu khuếch đại cơ
khí. Những cơ cấu đi
ều khiển từ xa này có thể thực hiện nhiều thao tác như
cầm nắm, nâng, hạ, đảo lật, buông thả các đối tượng trong một không gian
hoạt động xác định. Tuy các thao tác khá khéo léo và tinh vi nhưng tốc độ
hoạt động chậm, khả năng tải thấp và hệ điều kiển mới chỉ là thuần tuý cơ
học.
Từ thập niên 50, cùng với sự phát triển của kỹ thuật đi
ều khiển của kỹ thuật

điều kiển theo chương trình số NC (Numerical Control) với sự hỗ trợ của các
cơ cấu Servo (Servo Mechanism) và các hệ điện toán (Computation), ý tưởng
kết hợp hệ điều kiển NC với các cơ cấu điều khiển từ xa được hình thành và
triển khai nghiên cứu. Sự phối hợp tuyệt vời giữa khả năng linh hoạt, nhạy,
thông minh và chính xác của hệ
điều khiển số NC đã cho kết quả là một thế
hệ máy móc tự động cao cấp ra đời với tên gọi “Người máy”. Khái niệm
người máy công nghiệp (Industrial Robot) ra đời. Năm 1961, người máy công
nghiệp (IR-Industrial Robot) đầu tiên được đưa ra thị trường, đó là Robot
UNIMAT – USA với lời quảng cáo hấp dẫn: “Từ nay công nghệ chế tạo cơ
khí của Hoa Kỳ đã có thêm một loại công nhân công mới. Nó không gia nhập
công
đoàn, không uống cà phê trong giờ nghỉ. Nó có thể làm việc liên tục 24h
trong ngày mà không quan tâm đến tiền thưởng hay lương hưu. Nó nắm vững
công việc phải làm trong vài phút và luôn hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao.
Nó không bao giờ tham phiền về điều kiện làm việc nóng bức, khó chịu, nguy

11
hiểm và độc hại, cũng không kêu ca với ngững công việc buồn chán, tẻ nhạt
và đơn điệu. Nó chính là người máy công ngiệp”.
Tiếp theo đó, trên bản quyền phát minh sáng chế của Hoa Kỳ, các nước khác
đã lần lượt đưa ra các mẫu Robot của họ: Anh (1967), Thuỵ Điển, Nhật
Bản(1968), Đức (1971), Pháp (1972), Italia(1973)…
Cho đến nay, trên thế giới có rất nhiều phòng thí nghiệm, các hãng công ty
nghiên cứu, thiết kế và chế t
ạo Robot. Robot ngày càng hiện đại, đa dạng về
chủng loại và lĩnh vực ứng dụng ngày càng phong phú. Điều đó đã khẳng
định vai trò của Robot trong sản xuất công nghiệp cũng như nền kinh tế quốc
dân.
Cũng phải thấy rằng các nhà khoa học đã dự báo, đánh giá rất cao vai trò của

Robot trong sự phát trển chung của kỷ nguyên công nghệ, ngay từ những
năm cuối của thập k
ỷ 70, các Hội nghị quốc tế đã khẳng định rằng trong
những năm tiếp theo lực lượng và khả năng cạnh tranh của các nước công
nghiệp tiên tiến là tuỳ thuộc vào vấn đề họ đã làm chủ lĩnh vực người máy
công nghiệp ở mức độ nào .
Nhìn lại quá trình phát triển của Robot, ta có thể thấy rõ đó là kết quả chung
của sự phát triển của Khoa học – K
ỹ thuật – Công nghệ – Sản xuất (Scien-
Technic – Technology-Manufacture).
Quá trình phát triển Robot có thể chia ra như sau:
+ Thời kỳ sơ khai: Thời kỳ này được tính từ năm 1946 trở về truớc. Đây
cũng chính là giai đoạn phát triển của sản xuất tiến dần tới tự động hoá cơ khí
hoàn chỉnh - tự động hoá sản xuất cứng (Hard Automation) kiểu Ford-Taylor.
+Thời kỳ tiền Robot 1946-1961: Đây là thời kỳ
phát triển của các Robot
thương mại đầu tiên phục vụ cho công nghiệp nguyên tử. Đây cũng là giai
đoạn phát triển mạnh của Kỹ thuật – Công nghiệp – Sản xuất (Technic –
industry –Manufacture) với các sự kiện:
- 1946: Xuất hiện mát tính điện tử đầu tiên viết tắt là ENIAC (Electronic
Numerical Integrator and Calculator).
- 1952: Xuất hiện máy phay điều kiển bằng số NC (Numerical Control) của
viện công nghệ Ma-sa-chu-sét MIT (Massachusetts institute of Technology).
Đây cũng là thời kỳ phát triể
n mạnh của Khoa học- Kỹ thuật thông tin -Điều
khiển (Science – information Technic – Cybernetics) và khởi đầu về trí tuệ
nhân tạo với các tiên tuổi thường được nhắc đến như Claude Shannon,
Norbert wiener, Alan Turing, Mc Carthy, Marvin Minsky, Herber Simon,
Allen Newell.
+Kỷ nguyên Robotics được tính bắt đầu vào những năm 1960: ở đây

những sự kiện đáng chú ý là:

12
- 1961: Robot Unimate của hãng General Motors được đưa vào sử dụng trong
phân xưởng đúc. Đây là thời kỳ của các Robot thế hệ thứ nhất: Robot với
trình điều khiển để Robot lặp lại các thao tác đã định trước.
- Từ 1960 – 1970: Xuất hiện lần lượt công nghệ mạch tích hợp IC
(Integrated Circuit), LSIC (Large Scale Integrated Circuit), bộ vi sử lý
(Microprocessor) và máy vi tính PC (Personal Conputer).
- Từ 1968 -1972 cùng với sự phát triển mạnh của công nghiệp ôtô, đây là
những năm bùng phát c
ủa công nghiệp rô-bốt, đặc biệt tại Nhật Bản với công
ty YASKAWA – nơi đã đầu tư và nghiên cứu ứng dụng Robot vào loại hàng
đầu thế giới trong giai đoạn này.
Thuật ngữ Cơ-Điện tử (Mechatronics) đã xuất hiện vào thời kỳ này đi kèm
với Robot.
- Từ 1972: Bắt đầu thời kỳ của Robot thế hệ thứ hai : Robot được điều kiển
b
ằng máy tính có các cơ quan cảm giác là các cảm biến liên hệ ngược. Đại
diện cho thế này là Robot SHAKEY của viện nghiên cứu STANDFOR. Nó là
sự tổng hợp của các thành tựu Khoa học - Kỹ thụât - Cộng nghệ Cơ khí - Điện
- Điện tử - Điều khiển tự động - Tin học (Science-Techinic-Mechanical
Technology – Electric – Electronic - Automatic control - Computer -
Information Technology). Robot được bắt đầu ứng dụng hậu hết các lĩnh vực:
từ sản xuất
đến lĩnh vực nghiên cứu khoa học, cả y tế và đời sống hằng
ngày… Đây là năm hội thảo đầu tiên của thế giới về Robot được tổ chức tại
Chicago, Hoa Kỳ.
Những hiệp hội nghiên cứu về Robot của thế giới đã được hình thành như:
• RIA- Robotic Industries Association của Hoa Kỳ.

• AFRI- Association Francaise de Robotica Industriale của Pháp.
• BRA- British Robot Association của Anh.
• JIRA-Japan Industial Robot Association của Nhật Bản.
- Năm 1976 chi
ếc máy công cụ CNC sử dụng Microcomputer ra đời.
- Trong giai đoạn những năm 80 và 90 với sự phát vũ bão của Khoa học - Kỹ
thuật – Công nghệ, quy mô sản xuất và nghiên cứu khoa học, thế giới được
thừa hưởng nhiều thành quả của nó, đặc biết về máy tính và tin học làm thay
đổi về chất các trang thiết bị tổ chức điều hành sản xuất và đời sống như:
• Thiết k
ế với sự trợ giúp của máy tính - CAD (Computer Aided Design).
• Sản xuất với sự trợ giúp của máy tính - CAM (Computer Aided
Manufacture).
• Hệ thống sản xuất mềm, linh hoạt- FMS (Flexible Manufacture Syterm).
• Sản xuất tích hợp máy tính- CIM (Computer Integrated Manufacture).

13
• Sản xuất đúng lúc- JIT (Just time).
• Điều hành - Quản lý chất lượng toàn diện- TQM (Total Quality
Management).
• Sản xuất với chất lượng toàn cầu- WCM (World Class Manufacture).
- Những năm đầu tiên của thế kỷ XXI, Robot đang bước sang thế hệ mới. Từ
các Robot điều khiển theo kiểu thao tác( Manual input) rồi đến kiểu Dẫn –
Dạy, các điều khiển này gọi chung là điều khiển có chương trình dẫ
n đường
và các Robot kiểu này thường được gọi là Robot khéo léo (Robot Habilis).
Tiếp theo đến các Robot có trình điều khiển thích nghi - thông minh, Robot có
trí khôn ( Robot Spiens).
Sự tiến bộ Khoa học - Kỹ thuật - Công nghệ gần như thuộc mọi lĩnh vực Cơ
học - Cơ khí - Điện – Điện tử - Điều khiển tự động - Máy tính - Tin học -

Sinh vật học đều được thể hiện trên sự phát triển của Robot. Những
ứng dụng
mới nhất của Robot và Y học có thể kể như Robot phẫu thuật và thay thế các
cơ quan hoạt động của con người, để mô phỏng các loại sinh vật.
Những kết quả tiến bộ của Khoa học – Kỹ thuật – Sản xuất cho đến những
năm 1970 đã hình thành khoa học Robotics và Cơ - Điện tử (Mechatronics).
Từ đó cũng bắt đầu việc đào t
ạo các chuyên gia kỹ thuật thuộc lĩnh vực Robot
và Cơ - Điện tử.

1.1.2 Robot có cấu trúc song song
a) Giới thiệu chung:
Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hoá trong sản xuất, các cơ cấu
Robot cũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú. Trong những thập
niên gần đây, Robot cấu trúc song song được Gough và Whitehall nghiên cứu
năm 1962 và sự chú ý ứng dụng của Robot cấu trúc song song đã được khởi
động bởi Stewart, vào nă
m 1965 ông là người cho ra đời buồng tập lái máy
bay dựa trên cấu trúc song song. Hiện nay cơ cấu song song được sử dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động được nối với giá cố
định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân. thường số
chân bằng số bậc tự do, được điều khiển bằng nguồn phát động đặt trên giá cố
định hoặc ngay trên chân. Chính lý do này mà các Robot song song
đôi khi
còn gọi là các Robot có bệ.
Do tính ưu việt của Robot song song nên ngày càng thu hút được nhiều nhà
khoa học nghiên cứu đồng thời cũng được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực:
+ Ngành Vật lý: giá đỡ kính hiển vi, giá đỡ thiết bị đi chính xác.

+ Ngành Cơ khí: máy gia công cơ khí chính xác, máy công cụ CNC.

14
+ Ngành Bưu chính viễn thông: giá đỡ ăngten, vệ tinh địa tĩnh.
+ Ngành chế tạo Ôtô: hệ thống thử tải lốp Ôtô, buồng tập lái Ô tô.
+ Ngành quân sự: Robot song song được dùng làm bệ đỡ ổn định được đặt
trên tầu thuỷ, trên xe, tren máy bay, trên chiến xa và các tàu ngầm. Để giữ cân
bằng cho angten, camera theo dõi mục tiêu, cho rada, cho các thiết bị đo laser,
bệ ổn định cho phóng tên lửa, buồng tập lái máy bay, xe tăng, tàu chiến…


b) Một số
ưu nhược điểm của robot song song
Nhìn chung, tất cả các loại Robot có cấu trúc song song đều có nhiều ưu
điểm và có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, các bộ mô hình máy bay,
các khung đỡ kiến trúc khớp nối điều chỉnh, các máy khai thác mỏ…
* Ưu điểm:

- Khả năng chịu được tải cao: Các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên khối lượng
của các thành phần cũng nhỏ hơn.
- Độ cứng vững cao do kế cấu hình học của chúng.
- Tất cả các lực tác động đồng thời được chia sẻ cho tất cả các chân.
- Cấu trúc động học một cách đặc biệt của các khớp liên kết cho phép chuyển
tất cả lực tác d
ụng thành các lực kéo/nén của các chân.
- Có thể thực hiện được các thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính xác
cao: với cấu trúc song song, sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc trục của các
cụm cơ cấu chân riêng lẻ và các sai số không bị tích luỹ.
- Có thể thiết kế ở các kích thước khác nhau.
- Đơn giản hoá các cơ cấu máy và giảm số lượng phần tử do các chân và khớp

nối được thiế
t kế sẵn thành các cụm chi tiết tiêu chuẩn.
- Cung cấp khả năng di động cao trong quá trình làm việc do có khối lượng và
kích thước nhỏ gọn.
- Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền.
- Tầm hoạt động của Robot cơ cấu song song rất rộng từ việc lắp ráp các chi
tiết cực nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp, đ
òi hỏi độ
chính xác cao như: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp…
- Các Robot song song làm việc không cần bệ đỡ và có thể di chuyển tới mọi
nơi trong môi trường sản xuất. Chúng có thể làm việc ngay cả khi trên thuyền
và treo trên trần, tường…
- Giá thành của các Robot song song ứng dụng trong gia công Cơ khí ít hơn
so với máy CNC có tính năng tương đương.
*Nhược điểm:

15
Tuy nhiên các Robot song song cũng có nhược điểm nhất định khi so sánh
với các Robot chuỗi như:
- Khoảng không gian làm việc nhỏ và khó thiết kế.
- Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp
- Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian.



1.2 Phân loại chung về Robot
Robot có thể phân loại theo nhiều tiểu chuẩn, số bậc tự do động học, hệ thống
truyền độ
ng, dạng hình học của chi tiết gia công, các đặt tinh chuyển động
[3]…

a) Phân loại theo số bậc tự do
Sơ đồ phân loại Robot thường dùng là theo số bậc tự do. Một cách lý tưởng
cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để sử lý đối tượng một cách tự do trong
không gian 3 chiều. Theo quan điểm này, Robot da năng có 6 bậc tự do và
Robot thiếu có nhất ít hơn 6 bậc tự do, Robot dư có thêm một bậc tự do d
ể di
chuyển qua các hướng chướng ngại vật hoặc trong không gian hẹp. Mặt khác,
đối với một số ứng dụng đặt biệt, chẳng hạn lắp ráp các chi tiết trên mặt
phẳng chỉ có Robot 4 bậc tự do là đủ.
b) Phân loại theo cấu trúc động học
Robot được gọi là Robot nối tiếp nếu cấu trúc động học có dạng chuỗi vòng
hở, Robot song song nếu có chuỗi vòng kín, và Robot lai nếu có vòng kín và
vòng hở.
c) Phân loại theo h
ệ thống truyền động
Có 3 hệ thống truyền động phổ biến là điện, thuỷ lực và khí nén được dùng
cho Robot. Hầu hết các cơ cấu chấp hành đều sử dụng động cơ bước hoặc
động cơ trợ động DC, do chúng tương đối dễ điều khiển. Tuy nhiên khi cần
tốc độ cao và khả năng mang tải cao, thường dùng chuyển động thuỷ lực hoặc
khí nén có tính linh hoạt khá cao. Mặc dù truyền động khí nén sạch và nhanh
nhưng khó điều khiển do không khí là chất khí nén được.
Trong cơ cấu nối tiếp, nói chung một bộ tác động được dùng để điều khiển
chuyển động của từng khớp. Nếu từng khâu chuyển động được truyền động
bằng một bộ tác động lắp trên khâu trước đó thông qua hộp giảm tốc, sự dịch
chuyể
n của khâu này về mặt động học là độc lập với khâu khác, đây là cơ cấu
chấp hành nối tiếp quy ước. Mặt khác, nếu mỗi khớp được truyền động trực
tiếp bằng bộ tác động không có hộp giảm tốc, cơ cấu đó được gọi là cơ cấu
chấp hành truyền động trực tiếp.

16
Việc dùng hộp giảm tốc cho phép sử dụng động cơ nhỏ hơn, do đó làm giảm
quán tính của cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên, độ lệch khớp của của các bánh
răng trong hộp giảm tốc có thể gây ra sai số vị trí ở bộ phận tác động. Kỹ
thuật truyền động trực tiếp khắc phục được vấn đề bánh răng và có thể tăng
tốc
độ cho cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên, các động cơ truyền động trực tiếp
tương đối lớn và nặng. Do đó chúng thường được dùng để truyền động khớp
thứ nhất của cơ cấu chấp hành, động cơ được láp đặt ở đế. Nói chung động cơ
cũng có thể được lắp đặt ở đế để truyền động khớp thứ hai hoặc khớp th
ứ ba
thông qua đai kim loại hoặc khâu thanh đẩy.
Một số cơ cấu chấp hành sử dụng bộ cánh bánh răng, xích và đĩa để truyền
động các khớp. Khi sử dụng hệ thống truyền động này cho cơ cấu chấp hành
qua nhiều khớp, độ dịch chuyển của sẽ phụ thuộc lẫn nhau. Các cơ cấu chấp
hành kiểu đó gọi là vòng kín.
d) Phân loại theo hình dạng hình học không gian làm việc.
Không làm việc của cơ cấu chấp hành được xác định là thể tích không gian
đầu tác động có thể với tới. Nói chung, thường sử dụng hai định nghĩa về
không gian làm việc. Thứ nhất là không gian có thể với tới, thể tích không
gian trong cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm theo ít nhất là một chiều.
Thứ hai là không gian linh hoạt, thể tích không gian trong đó cơ cấu tác động
có thể với tới t
ừng điểm theo mọi chiều có thể. Không là một phần của không
gian có thể với tới.
Mặc dù đây không phải điều kiện cần, nhưng nhiều cơ cấu chấp hành nối tiếp
được thiết kế với 3 khâu đầu dài hơn các khâu còn lại, do đó 3 khâu này được
dùng chủ yếu để thao tác vị trí, các khâu còn lại được dùng để điều khiển
hướng của đầu tác dụ
ng. Vì lí do đó 3 khâu đầu được gọi là cánh tay, các

khâu còn lại được gọi là cổ tay. Trừ các cơ cấu chấp hành có bậc tự do lớn
hơn là 6, cánh tay thường có 3 bậc tự do, cổ tay có 1-3 bậc tự do.
Hơn nữa, bộ cổ tay thường được thiết kế với các trục khớp cắt nhau tại một
điểm chung gọi là tâm cổ tay. Bộ cánh tay có thể có nhiều kiểu cấu trúc động
học, tạo ra các biên làm vi
ệc khác nhau, được gọi là vùng không gian làm
việc. Không gian do nhà sản xuất Robot cung cấp thường được xác định theo
không gian làm việc.
Tay máy được gọi là Robot trụ nếu khớp thứ nhất hoặc khớp thứ hai của
Robot Cartersian (Hình 1.1e) được thay thế bằng khớp quay.
Tay máy được là Robot cầu nếu hai khớp đầu là khớp quay khác nhau và
khớp thứ 3 là khớp lăng trụ (Hình 1.1a). vị trí tâm cổ tay của Robot cầu là tập
hợp các toạ độ cầu liên quan với 3 bi
ến khớp nối. Do đó trong không gian làm
việc của Robot cầu được giới hạn theo hai khối cầu đồng tâm.
Tay máy được gọi là Robot quay nếu cả 3 khớp đều là khớp quay. Không gian
làm việc của Robot này rất phức tạp thường có tiết diện hình xuyến. Nhiều
Robot công nghiệp là loại Robot quay (Hình 1.1c).

17

1.3 Một số ứng dụng của robot công nghiệp
Mục tiêu ứng dụng của robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng xuất
dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh
tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Điều kiện đó xuất
phát từ những ưu điểm cơ bản củ
a Robot, đó là:
- Robot có thể thực hiện một qui trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn thợ lành
nghề một cách ổn định hơn trong xuốt thới gian làm việc. Vì thế Robot có thể
góp phần nâng cao chất lượng và khả năng canh tranh của sản phẩm. Hơn thế,

Robot còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi với sự biến
đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh.
- Khả
năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng Robot là giảm được đáng
kể chi phí cho người lao động.
Hình 1.1: Mô hình một số tay máy thông dụng
d) Tay máy SCARA
b) Tay máy CYLINICAL
c) Tay máy REVOIUTE
a) Tay máy POLA
R
e) Tay máy CARTERSIAN