Tài liệu Luận văn nghiên cứu khả năng ứng dụng robot công nghiệp trong hệ sản xuất linh hoạt

LỜI NÓI ĐẦU Công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước là mục tiêu hàng đầu trong công cuộc xây dựng phát triển của nước ta, "Đến năm 2020 đất nước ta về cơ bản phải trở thành nước công nghiệp". Robot là thành phần chủ chốt trong tự động hóa công nghiệp. Yếu tố quyết định cho việc sử dụng robot trong sản xuất công nghiệp một cách khá phổ biến hiện nay là do tính linh hoạt trong vận hành, hoạt động tinh vi, nhanh và chuẩn xác, có khả năng thay thế con người làm việc trong môi trường độc hại và không an toàn. Việc ứng dụng robot công nghiệp vào trong sản xuất là thực sự cần thiết bởi nó sẽ làm thay đổi cục diện tại các nhà máy và bắt kịp được sự phát triển chung của thế giới. Trong những năm trước đây nền kinh tế Việt Nam phát triển nhanh chóng nhờ vào nguồn nhân lực giá rẻ và tài nguyên sẵn có. Tuy nhiên hiện tại chúng ta đang gặp rất nhiều vấn đề khó khăn như thiếu hụt lao động, lạm phát tăng, công nghệ sản xuất lạc hậu, nhập siêu cao… Việc ứng dụng robot rộng rãi trong những nhà máy, công xưởng trên thế giới hiện nay không phải là hình ảnh những người máy biết nghe biết nói như người làm việc trong nhà hoặc công xưởng, hay hình ảnh những người máy trong những bộ phim khoa học viễn tưởng, mà đây là hình ảnh của hàng trăm, nghìn cánh tay máy với sáu bậc tự do vươn ra như những cánh tay người khổng lồ làm thay con người. Một hạn chế trong việc ứng dụng robot vào sản xuất là chúng ta cần kiến thức để sử dụng và vận hành nó cựng những chi phí tốn kém trong việc bảo dưỡng sửa chữa. Mặc dù Việt Nam có ưu thế nhân công rẻ, nhưng những ưu điểm của robot, trong đó có cường độ lao động, độ chính xác, tính chịu đựng... sẽ là lựa chọn tối ưu tại nhiều nhà máy công xưởng của Việt Nam không phải trong tương lai xa mà phải ngay từ bây giờ. Vì vậy chúng tôi Nghiên cứu khả năng ứng dụng robot -1- công nghiệp trong hệ sản xuất linh hoạt. Nhằm nâng cao tính tự động hoá trong sản xuất, ứng dụng trí tuệ nhân tạo. Qua đó có cái nhìn khái quát về hệ thống sản xuất linh hoạt, robot công nghiệp và khả năng ứng dụng robot công nghiệp trong hệ thống sản xuất linh hoạt trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Luận văn bao gồm 3 chương: Chương I, trình bày khái quát về robot công nghiệp bao gồm: Lịch sử phát triển, các định nghĩa về robot, cách phõn loại, cấu tạo, điều khiển, lập trình… Chương II, trình bày khái quát về hệ thống sản xuất linh hoạt bao gồm: Lịch sử phát triển, các khái niệm cơ bản, nguyên tắc hình thành hệ thống FMS, các hệ thống trong hệ thống FMS… Chương III, trình bày về khả năng ứng dụng robot công nghiệp trong hệ thống sản xuất linh hoạt bao gồm: Các yêu cầu, đặc tớnh công nghệ, phương pháp lập trình cho robot công nghiệp trong hệ thống sản xuất linh hoạt. Bên cạnh đó chúng tôi cũn trình bày các vị trí, các hệ thống, các công việc mà robot công nghiệp có thể được sử dụng trong hệ thống sản xuất linh hoạt cũng như kinh nghiệm ứng dụng các hệ thống sản xuất linh hoạt có sử dụng các robot công nghiệp ở các nước phát triển trên thế giới. -2- CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP Khi nghiên cứu về khả năng ứng dụng của robot công nghiệp, chúng ta không thể không nghiên cứu về lịch sử phát triển, các định nghĩa về robot, cách phõn loại, cấu tạo, điều khiển, lập trình cho robot… Trong chương này luận văn, trình bày khái quát về robot công nghiệp nói chung. Nhằm có cái nhìn tổng quan về robot công nghiệp 1.1. Lịch sử phát triển Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” có nghĩa là công việc tạp dịch trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel Capek, vào năm 1921. Trong vở kịch, Rossum và con trai của ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người. Đõy là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của con người. Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF (American Machine and Foundry Company) của Mỹ đã quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người mỏy cụng nghiệp” (Industrial Robot). Ngày nay, người ta đặt tên cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất là người máy công nghiệp (hay robot công nghiệp). Về mặt kỹ thuật, những robot công nghiệp ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy công cụ điều khiển số (NC - Numerically Controlled machine tool). Các cơ cấu điều khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới lần thứ hai. Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay. Những robot đầu tiên thực chất là sự nối kết giữa cỏc khõu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập trình của máy công cụ điều khiển số. -3- Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của người máy công nghiệp. Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot Versatran của công ty AMF, Mỹ. Cũng vào khoảng thời gian nầy ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate -1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ụtụ. Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp: Anh 1967, Thuỵ Điển và Nhật -1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức -1971; Pháp 1972; ở ý - 1973. . . Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý. Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng ban kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến. Năm 1974 Công ty Cincinnati (Mỹ) đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool: Công cụ của tương lai). Robot này có thể nâng được vật có khối lượng đến 40 kg. Có thể nói, Robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia ... Về sau, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng phát triển. Các robot được trang bị thờm cỏc loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đăc biệt. Số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại. Mỹ là nước đầu tiên phát minh ra robot, nhưng nước phát triển cao nhất trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo và sử dụng robot lại là Nhật. 1.2 Định nghĩa robot công nghiệp Hiện nay có nhiều định nghĩa về Robot, có một số định nghĩa như sau: Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp) -4- Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trờn cỏc trục toạ độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất: Chi tiết, dao cụ, gá lắp… theo những hành trình thay đổi đã chương trỡnh hoỏ nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau. Định nghĩa theo RIA (Robot institute of America) Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau. Định nghĩa theo ΓOCT 25686-85 (Nga) Robot công nghiệp là một máy tự động, đặt cố định hoặc di động, được liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức năng và điều khiển trong quá trình sản xuất. Từ các định nghĩa trên đõy, chúng tôi đưa ra một định nghĩa về robot công nghiệp như sau: “Robot công nghiệp là một cơ cấu máy có thể lập trình được, có khả năng làm việc một cách tự động không cần sự trợ giúp của con người. Bên cạnh đó giữa các tay máy có thể hợp tác được với nhau” 1.3. Sơ đồ cấu trúc chức năng của Robot Để hiểu được về robot trước hết chúng ta quan sát sơ đồ cấu trúc và chức năng của robot trong hình I.1 Trong sơ đồ trờn, cỏc đường (đậm) chỉ mối quan hệ thông tin thuận, thông tin chỉ huy nhiệm vụ Robot. Các đường (mảnh) chỉ mối liên hệ thông tin ngược, thông tin phản hồi về quá trình làm việc của Robot. Chức năng của bộ phận giao tiếp là liên lạc với người vận hành là thực hiện quá trình “dạy học” cho Robot, nhờ đó Robot biết được nhiệm vụ phải thực hiện. Chức năng của hệ thống điều khiển là thực hiện việc tái hiện lại các hành động nhiệm vụ đã được “học”. Bộ phận chấp hành giúp cho Robot có đủ “sức” chịu được tải trọng mà Robot phải chịu trong quá trình làm việc, bộ phận này bao gồm: -5- Hình I.1: Sơ đồ cấu trúc và chức năng của Robot Phần 1: Bộ phận chịu chuyển động, phần tạo các khả năng chuyển động cho Robot. Phần 2: Bộ phận chịu lực, phần chịu lực của Robot. Bộ cảm biến tín hiệu: Làm nhiệm vụ nhận biết, đo lường và biến đổi thông tin các loại tín hiệu như: Các nội tín hiệu trong bản thân Robot (các tín hiệu về vị trí, vận tốc, gia tốc, trong từng thành phần của bộ phận chấp hành), các ngoại tín hiệu (các tín hiệu từ môi trường bên ngoài có ảnh hưởng tới hoạt động của Robot). Với cấu trúc và chức năng như trên, Robot phần nào mang tính “người” còn phần mỏy chớnh là trạng thái vật lý của cấu trúc. Với IR tính chất “người” và “mỏy”cũng được thể hiện đầy đủ như trên, duy trì hình thức mang dáng dấp của tay “người”. Tay máy công nghiệp thường có những bộ phận sau: - Hệ thống điều khiển: Thường là loại đơn giản làm việc có chu kỳ vận hành theo nguyên lý của hệ thống điều khiển hở hoặc kín. -6- - Hệ thống chấp hành: Bao gồm các nguồn động lực, hệ thống truyền động, hệ thống chịu lực như: Các động cơ thuỷ, khí nén, cơ cấu servo điện tử,động cơ bước. Mỗi chuyển động của IR thường có một động cơ riêng và các thanh chịu lực. - Bàn kẹp: Là bộ phận công tác cuối cùng của tay máy, nơi cầm nắm các thiết bị công nghệ háy vật cần di chuyển. 1.3.1. Cấu tạo Các robot công nghiệp ngày nay thường được đặt trên đế và gắn chặt với sàn. Cơ thể được gắn với để, tổ hợp cánh tay được nối với cơ thể, cuối cánh tay là cổ tay. Cổ tay gồm nhiều phần tử cho phép robot định vị đa dạng các vị trí. Quan hệ chuyển động giữa các phần tử khác nhau của cơ thể như: Cổ tay, cánh tay được thực hiện qua một chuỗi các khớp nối. Các chuyển động bao gồm chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến. Về mặt cơ khí, robot được cấu tạo từ những thanh nối và khớp. Các thanh nối được ghép với nhau bởi các khớp, cho phép robot cú cỏc chuyển động đa dạng. 1.3.2. Các chuyển động của Robot Robot được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau trong sản xuất. Các công việc được thực hiện bởi khả năng chuyển động của cơ thể, cánh tay, cổ tay của Robot qua một chuỗi các chuyển động và vị trí. Cổ tay được sử dụng cho Robot thực hiện chính xác công việc. Các chuyển động của Robot được chia làm hai chuyển động cơ bản là chuyển động của cổ tay và chuyển động của toàn bộ cơ thể. Các chuyển động riêng lẻ được ghép nối và gắn chặt với hai dạng chuyển động này và chúng được giới hạn bởi số bậc tự do (deggrees of freedom). Các Robot thông thường có 4 đến 6 bậc tự do. Các chuyển động cơ bản được thực hiện bởi cỏc ghộp nối về năng lượng. Với Robot có từ 4 đến 6 bậc tự do, thường có 3 ghép nối với hoạt động của cánh tay và cơ thể, từ 2 đến 3 khớp nối sử dụng cho hoạt động của cổ tay. Trong một chuỗi các chuyển động đều có liên hệ với nhau. Chuyển động đầu ra có liên hệ với chuyển động đầu vào. -7- Các khớp nối được sử dụng trong thiết kế robot công nghiệp điển hình là khớp tịnh tiến và khớp quay. Cánh tay robot được thiết kế cho phép robot có thể chuyển động tự do trong giới hạn về kích thước. Giới hạn chuyển động của robot phụ thuộc vào hình dạng vật lý của robot, kích thước các phần tử (cánh tay, cổ tay), giới hạn chuyển động của các khớp nối. 1.3.3. Hệ thống truyền động Có 3 dạng hệ thống truyền động chính của robot là:Truyền động bằng thuỷ lực, truyền động điện, truyền động khí nén. Trong đó truyền động điện và truyền động bằng thuỷ lực được sử dụng phổ biến trong các robot vỡ tớnh kinh tế và đơn giản. Truyền động khí nén thường sử dụng trong các robot có số bậc tự do nhỏ, yêu cầu độ tác động nhanh cao. 1.3.4. Hệ thống nhận dạng Cảm biến được sử dụng như thiết bị ngoại vi của robot, gồm 2 loại đơn giản như: Công tắc hành trình và hệ thống camera. Cảm biến cũng được dùng như các phần tử tích hợp của hệ thống phản hồi vị trí. Có các loại cảm biến thông dụng: + Cảm biến va chạm: Là cảm biến với lực khi va chạm với một vật khác. + Cảm biến phạm vi gần: Là thiết bị cảm nhận được vật ở gần. + Cảm biến hỗn hợp: Gồm cảm biến nhiệt độ, áp suất, các đại lượng vật lý khác. + Camera được sử dụng thực hiện việc kiểm tra, quan sát. 1.4. Phân loại Robot công nghiệp 1.4.1. Phân loại theo dạng hình học: 1.4.1.1 Dạng Đecac (hình I.2) Dạng Đecac sử dụng 3 đường trượt vuông góc nhau trong không gian là các trục toạ độ x, y, z. Robot chuyển động theo 3 trục toạ độ. Sử dụng các khớp tịnh tiến, phạm vi làm việc của Robot được mở rộng theo hình chữ nhật. -8- Hình I.2: Cấu hình Robot dạng Decac 1.4.1.2 Dạng hình trụ (hình I. 3) Trục cơ bản là một trụ dọc, robot chuyển động lên và xuống dọc theo trục. Bằng các chuyển động quay quanh trục, tịnh tiến dọc trục phạm vi làm việc của robot được mở rộng theo một hình trụ bao quanh trục cơ bản. Hình I.3: Cấu hình Robot dạng hình trụ 1.4.1.3 Dạng hình cầu (hình I.4) Sử dụng các khớp lồng vào nhau, giúp cho Robot có khả năng chuyển động lên hoặc xuống theo chiều ngang của trục quay. Dạng đa khớp nối cho phép Robot mở rộng khoảng không gian làm việc theo hình cầu. -9- Hình I.4: Cấu hình Robot dạng hình cầu 1.4.1.4 Dạng khớp nối (hình I.5) Tương tự như cánh tay con người, nó gồm hai phần tử thẳng tương ứng với cánh tay và cẳng tay. Các phần tử này được ghép nối với nhau bởi hai khớp tương ứng với khớp bả vai và khớp khuỷu tay. Cổ tay được nối với cẳng tay. Hình I.5: Cấu hình Robot dạng khớp nối 1.4.1.5. Robot kiểu SCARA (hình I.6) Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanashi (Nhật Bản) là một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá trình sản xuất. Tên gọi SCARA là viết tắt của "Selective Compliant Articulated Robot Arm": Tay máy mềm dẻo tuỳ ý. Loại robot này thường dùng trong công việc lắp ráp nên SCARA đôi khi được giải thích là từ viết tắt của "Selective Compliance Assembly Robot Arm". Ba khớp đầu tiên của kiểu Robot này có cấu hình R.R.T, các trục khớp đều theo phương thẳng đứng. - 10 - Hình I.6: Robot kiểu SCARA Tay máy kiểu tay người: Có cả 3 khớp đều là khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với hai trục kia. Do sự tương tự với tay người, khớp thứ hai được gọi là khớp vai, khớp thứ 3 là khớp khuỷu tay nối cẳng tay với khuỷu tay. Với kiểu kết cấu này không có sự tương ứng giữa khả năng chuyển động giữa cỏc khõu và số bậc tự do. Tay máy làm việc rất khéo léo nhưng độ chính xác định vị phụ thuộc vào phần công tác trong vùng làm việc. Vùng làm việc của tay máy kiểu này gần giống một phần khối cầu. Toàn bộ kết cấu ở trên chỉ liên quan đến khả năng định vị của phần công tác. Muốn định hướng nó cần bổ xung phần cổ tay. Muốn định hướng một cách tuỳ ý phần cổ tay phải có ít nhất 3 chuyển động quanh 3 trục vuông góc với nhau. Trong trường hợp trục quay 3 khớp gặp nhau tại một điểm thì ta gọi đó là khớp cầu. Ưu điểm lớn nhất của khớp cầu là tách được thao tác định vị và định hướng của phần công tác, làm đơn giản cho việc tính toán. Các kiểu khớp khác có thể đơn giản hơn về kết cấu cơ khí, nhưng tính toán toạ độ khó hơn, do khụng tỏch được hai loại thao tác nói trên. 1.4.2. Phân loại theo phương pháp điều khiển 1.4.2.1. Robot giới hạn chuyển động liên tục Robot giới hạn chuyển động liên tục không sử dụng hệ điều khiển bám để di chuyển tới các vị trí lân cận trong các khớp nối. Chúng được giới hạn điều khiển bằng các công tắc hành trình để dừng và thiết kế điểm cuối cho mỗi chuyển động cho mỗi khớp nối. - 11 - 1.4.2.2. Robot lặp lại với điều khiển từ điểm tới điểm Robot lặp lại sử dụng hệ điều khiển với một chuỗi các vị trí hoặc chuyển động được dạy cho robot, ghi lại trong bộ nhớ và được lặp lại dưới sự điều khiển của chính nó. Chia làm hai loại: Lặp lại từ điểm tới điểm, lặp lại liên tục. 1.4.2.3. Robot điều khiển theo quỹ đạo liên tục Robot chuyển động với quỹ đạo đã được xác định trước. Quỹ đạo chuyển động là một chuỗi các điểm mô tả trên đường chuyển động. Tín hiệu đặt là vị trí mong muốn của cổ tay, robot chuyển động theo luật điều khiển xác định trước để đến đích. 1.4.3. Phân loại theo số bậc tự do Mỗi bậc tự do tương ứng với một chuyển động độc lập của robot. Số bậc tự do là số vị trí cần thiết để xác định hoàn toàn cấu hình của robot. Thông thường số bậc tự do của robot là số khớp nối từ thân đến cổ tay. 1.5. Mô hỡnh toán học hệ thống truyền động Các khớp trong robot được truyền động bởi hệ thống truyền động điện, thuỷ lực hoặc khí nén. Mỗi hệ thống truyền động có ưu, nhược điểm khác nhau. Hệ thống truyền động điện sử dụng các động cơ điện một chiều hoặc động cơ đồng bộ. Sơ đồ cấu trúc động học hệ thống điều khiển cho khớp như hình I.7. Hình I.7: Mô hình truyền động + Động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu. + JĐ: mô men quán tính động cơ. + Jt: mô men quán tính của khớp. + Mt: mô men khớp. + i: tỉ số truyền. + : hiệu suất bộ truyền. - 12 - Mô men cản qui đổi về trục động cơ: Mt Mc = i. (I.1) Trong đó: M Mt: là mô men khớp. i: tỷ số truyền. : hiệu suất bộ truyền. Mô hình toán học động cơ và hệ truyền động khớp: Hình I.8: Mô hình toán học động cơ Trong đó: E(p) là sức điện động bộ biến đổi. B là hệ số nhớt. 1.6. Các phương pháp điều khiển Theo nhiệm vụ làm việc của robot có thể chia làm 2 bài toán điều khiển: Bài toán điều khiển thô và bài toán điều khiển tinh. Điều khiển Robot Điều khiển tinh Điều khiển thô Toạ độ khớp Toạ độ tay Thụ động Tích cực Hình I.9: Phân loại các phương pháp điều khiển Robot - 13 - Giai đoạn vận chuyển chi tiết trong quá trình lắp ráp, robot chuyển động trong không gian theo một quỹ đạo nào đó gọi là chuyển động tự do, không tiếp xúc với đối tượng. Trong giai đoạn này chỉ điều khiển quỹ đạo, gọi là điều khiển thô, tay robot chuyển động theo một quỹ đạo đặt trước. Khi tay robot tiếp xúc với đối tượng, robot phải sinh ra một lực phù hợp để đưa các chi tiết cần lắp ráp vào đúng vị trí, gọi là điều khiển tinh, liên quan đến điều khiển lực, đồng thời cũng vừa điều khiển quỹ đạo. Điều khiển quỹ đạo có thể thông qua điều khiển quỹ đạo khớp hoặc điều khiển trực tiếp quỹ đạo tay. 1.6.1. Điều khiển quỹ đạo khớp Thiết kế quỹ đạo điều khiển cho từng khớp. Chuyển động của tay phụ thuộc vào chuyển động của từng khớp riệng biệt. Ưu điểm: + Điều khiển trực tiếp động cơ truyền động khớp về tốc độ và mô men. Có thể đảm bảo một số điều kiện giới hạn của hệ truyền động điện. + Giải bài toán động học ngược đơn giản. Nhược điểm: Do không trực tiếp điều khiển vị trí của tay nờn khú đảm bảo được đường di chuyển bám theo quỹ đạo đặt trước. 1.6.2. Điều khiển quỹ đạo tay Thiết kế quỹ đạo điều khiển trực tiếp cho tay ỷobot, chuyển động của các khớp phụ thuộc vào chuyển động của tay. Ưu điểm: Đảm bảo tay di chuyển được chính xác theo quỹ đạo mong muốn Nhược điểm: + Bài toán động học ngược có khối lượng tính toán lớn. + Khó đảm bảo một số điều kiện như: Gia tốc, mô men. 1.6.3. Điều khiển lực Ở giai đoạn lắp ráp, robot phải sinh ra lực phù hợp để đưa chi tiết vào vị trí êm, đồng thời vừa phải thực hiện điều khiển quỹ đạo. - 14 - Trở kháng là khái niệm đánh giá độ cứng của cơ cấu, chống lại lực tác dụng lờn nó. + Điều khiển trở kháng thụ động + Điều khiển trở kháng tích cực f fđ Kf Robot fđk -f x Ke Hình I.10: Sơ đồ mạch vòng phản hồi lực 1.6.4. Điều khiển vị trí Tín hiệu đặt là góc quay hoặc mô men, tín hiệu ra là vị trí của tay máy. 1.6.4.1. Luật điều khiển phản hồi: ε qđ q Bộ điều khiển Robot Mđk . q Hình I.11: Sơ đồ điều khiển phản hồi Trong trường hợp đơn giản, ta dùng bộ biến đổi PD. q KP qđ Mđk . KD qđ - 15 - . q Hình 1.12: Sơ đồ điều khiển PD đơn giản . Mđk = KP. ε + KD. ε (I.2) . Khớp thứ i:M Mđki = KPi. ε i + KDi. ε i (I.3) KP, KD là hệ số khuếch đại tỉ lệ, hệ số khuếch đại vi phân của bộ diều chỉnh.  M dk1  M   dk2   .   =  .   .     M dkn   K P1  0   .   .  .   0 0 KP2 . . . 0 . . . . . . . . . . . . . 0  . 0  . .   . .  . .   . K Pn  1   K D1 ε   0  n  .  .   +  .  . .  .    ε n   0 0 K D2 . . . 0 . . . . . . . . . . . . . . 0   1  .  . 0  ε 2  . .   .   . .  .   . .  .  . K Dn  ε.   n (I.4) Ưu điểm: Tớnh toán hệ thống đơn giản, độ tác động nhanh cao. Nhược điểm: Không khử được sự phi tuyến ràng buộc giữa các khớp. 1.6.4.2. Luật điều khiển mô men tính toán Từ phương trình động lực học, thiết kế luật điều khiển để khử phi tuyến giữa các khớp. . .. Phương trình động lực học: M = H( q ). q + h( q , q ) + g( q ) (I.5) . Chọn tín hiệu ra bộ điều khiển: Mđk (I.6)Trong đó = H( q ). U + h( q , q ) + g( q ) Trong đó U là tín hiệu điều khiển phụ. M đk M . . .. Khi đó: H( q ). U + h( q , q ) + g( q ) = H( q ). q + h( q , q ) + g( q ) (I.7) .. Với Robot cụ thể ta có: H( q )  0, nên q =U (I.8) là phương trình mô tả động học của hệ thống. q U Bộ điều khiển - 16 - M đk Robot = . q Hình I.13: Sơ đồ điều khiển mô men tính toán Chọn luật điều khiển U đảm bảo một số chỉ tiêu: quá trình quá độ và sai số tĩnh. Thường chọn bộ điều chỉnh U là PID. .. q =U .. . U = q đ + KP.  + KD.  + KI.   . dt = qđ- q . . (I.9) : Sai số vị trí. .  = qđ- q : Sai số tốc độ. KP, KD, KI: là các hệ số của bộ điều chỉnh. Phương trình động học của hệ thống: .. .. . q = q đ + KP.  + KD.  + KI.   . dt .. .. (I.10) .. Với  = q đ - q ta có: .. .. .  + q đ + KP.  + KD.  + KI.   . dt = 0 (I.11) Khớp thứ i ta có: .. .. .  i + q đi + KPi.  i + KDi.  i + KIi.   i. dt = 0 (I.12) Bằng phương pháp mô hình hoá, ta xác định được các hệ số KP, KD, KI sao cho hệ thống hội tụ, ổn định tức là các sai số i  0. Ưu điểm: Khử được tính phi tuyến của hệ thống, biến hệ thống thành tuyến tính. Nhược điểm: + Hệ thống điều khiển cồng kềnh, khối lượng tính toán lớn. + Chỉ thực hiện được khi biết đầy đủ các tham số của Robot. + Luật điều khiển không thích nghi khi tham số biến đổi. 1.7. Ngôn ngữ lập trình của robot 1.7.1. Giới thiệu chung về lập trình cho robot - 17 - Khi xem xét vấn đề lập trình cho robot, không những cần quan tâm đến chuyển động của bản thân robot mà còn phải lưu ý đến sự hoạt động của cả hệ thống sản xuất, mà robot là một thành viên. Hệ thống sản xuất gồm nhiều đơn nguyên hoặc modul thiết bị sản xuất. Đó là một cụm thiết bị, bao gồm một hoặc một vài robot, máy công tác hoặc thanh băng chuyển, các cơ cấu cấp thoỏt phụi hoặc đồ gá phụ trợ khác v.v… Thông thường để lập trình điều khiển robot trước hết phải mô phỏng sự hoạt động của nó cụ thể. Có thể phân tách thành 2 phương pháp lập trình: Lập trình trực tuyến và lập trình ngoại tuyến. 1.7.1.1. Lập trình trực tuyến Khi lập trình trực tuyến, người vận hành robot trực tiếp tiến hành lập trỡnh trên bản thân robot hoặc thiết bị phụ trợ kèm theo. Có phương pháp lập trình thủ công, phương pháp lập trình theo kiểu dạy học bằng dẫn dắt và phương pháp lập trình theo kiểu dạy học bằng thiết bị dạy học Lập trình thủ công là phương pháp đơn giản nhất và thích hợp nhất với các loại robot không được trang bị thiết bị phụ trơ động, không có tín hiệu phản hồi. Để lập trình có thể dựng cỏc cữ tỳ, cơ cấu cam, bảng ổ cắm điện, cỏc cụng tắc hành trình v.v… Các loại này tuy đơn giản nhưng lại có nhiều ứng dụng. Thực tiễn sản xuất đã chứng tỏ rằng có thể chế tạo ra những chương trình thao tác không đơn giản bằng các cách thức đơn giản đó. Phương pháp dẫn dắt để “dạy học” cho robot có thể thực hiện được những công việc tinh tế hơn. Có thể “dạy học” cho robot theo phương pháp dùng hộp điều khiển. 1.7.1.2. Lập trình ngoại tuyến Lập trình ngoại tuyến và một bước phát triển cao hơn về chất. Lập trình ngoai tuyến không tiến hành trực tiếp trên thiết bị robot, mà tiến hành gián tiếp trên máy tính. Để thực hiện được việc trao đổi thông tin giữa người và robot phải dùng đến ngôn ngữ mà cả hai đều hiểu được. Các ngôn ngữ chương trình là ngôn ngữ tường minh, cho phép người lập trình tuyền tín hiệu cho máy công tác thực hiện các thao tác cần thiết. - 18 - Vì thế xuất hiện nhiều loại hình ngôn ngữ chuyên dụng, định hướng cho một loại vấn đề nào đó. Như vậy, khi lập trình ngoại tuyến ta dùng ngôn ngữ lập trình. Mức thông thường dựng cỏc ngôn ngữ tường minh. Mức cao hơn là dùng ngôn ngữ không tường minh. Những ngôn ngữ này cho phép người sử dụng ra lệnh, để robot thực hiện cỏc cụng việc mong muốn một cách trực tiếp mà không cần chỉ ra chi tiết các hoạt động của robot như ngông ngữ lập trình thông thường. Ví dụ, ngôn ngữ AML của hãng IBM, Karel của hãng General Motor, Fanuc, Rai, của tập đoàn Automatix, Jas của NASAvà RPL của SRI Inte rnational. Các ngôn ngữ này còn đang ở giai đoạn phát triển . Vậy phạm vi ứng dụng ngôn ngữ tường minh cũng có 2 mức - Ngôn ngữ robot chuyên dụng: Những ngôn ngữ lập trình này được xây dựng như một ngôn ngữ mới cú pháp và ngữ nghĩa của các ngôn ngữ này cần phải đơn giản vì người lập trình cho các ứng dụng công nghiệp không phải là các chuyên gia lõp trình. - Ngôn ngữ phát triển: Ngôn ngữ này tạo ra các thư viện robot cho ngôn ngữ lập trình bậc cao đã có sẵn. Những ngôn ngữ này được xây dựng bằng cách dựa trên các ngôn ngữ lập trình bậc cao thông dụng (ví dụ như Pascal) và thêm vào một thư viện các thủ tục về hàm đặc biệt dùng cho robot. Khi viết chương trình Pascal để điều khiển robot, người sử dụng gọi các hàm hoặc các thủ tục đã định nghĩa trước trong thư viện, để xử lý các nội dung có liên quan đến việc tính toán hoặc điều khiển robot. 1.7.2. Mô tả các vật thể và nhiệm vụ. 1.7.2.1. Mô tả các vật thể. Các vật thể gọi là các đối tác của robot trong công việc, các thiết bị và đồ dùng trong môi trường làm việc, chúng rất đa dạng và phong phú. Tuy nhiên có thể dựa vào các khối cơ bản sau đây để mô tả chúng: - Khối hình vật thể tròn xoay (rotative) - 19 - Hình I.14: Mô tả chi tiết hình trụ - Khối hình vật thể lăng trụ (prismatic) Hình I.15: Mô tả vật thể hình đa diện Các vật thể có cấu trúc hỗn hợp (combination) có thể mô tả bằng cách ghép nối các khối cơ bản. Khối hình vật thể xoay tròn được đặc trưng bằng toạ độ tâm và bán kính của hình tròn các tiết diện. Ví dụ, trên hình I.14 mô tả một chi tiết máy hình trụ bán kính r = 0,5; chiều dài l = 6; nằm dọc theo trục z. 1.7.2.2. Mô tả nhiệm vụ Nhiệm vụ giao cho robot thực hiện thường được mô tả bằng các thao tác chuyển dịch. Có thể tìm hiểu nội dung này thông qua một ví dụ cụ thể như trình bày trên hình I.16. - 20 -