Tài liệu Nghiên cứu cấu trúc và phát triển chương trình điều khiển thông minh của các robot nhiều bậc tự do

ĩn ? n ì [%ỜC V ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KH O A CÔNG NGHỆ T rầ n T h ị T h ú y H à NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ PHÁT TRIẺN CHƯƠNG TRÌNH ĐIỂU KHIEN t h ô n g m i n h c ủ a CÁC ROBOT NHIỂU BẬC TỤ DO Chuyên ngành : KỸ THUẬT v ô TUYẾN ĐIỆN TỬ VÀ THÔNG TIN LIÊN LẠC Mã SỐ : 2.07.00 ĐAI HOC O O Ố C ' V>A HÁ NỌ! Ị TRUNG TÁM Tỉí 0 MG T-.N Tì i lĩ V?ỆN ỉ ______ J ___ ________i LU ẬN VĂN TH ẠC sĩ KH O A HỌC NGUỜI HUỐNG D Ẫ N KHOA HỌC 1. T S . T r ầ n Q u a n g V in h . 2. T S . L ẻ V ă n N g ự . Mục lục Lời cảm ơn Lời nói đầu Phần lý thuyết Chương 1 Các vấn đề cơ bản trong công nghệ Robot 1.1. Các đặc điểm chung 1.2. Các bộ phận của Robot 1.2.1. Bộ thao tác 1.2.2. Bộ chấp hành 1.2.3. Nguồn nuôi. 1.2.4. Bộ điều khiển. 1.3. Bộ xương của Robot 1.4. Các thế hệ Robot Chương 2. Hệ thống điều khiển. 2.1. Nguyên tắc hoạt động của Robot 2.1.1. Hoạt động của Robot nonservo 2.1.2. Hoạt động của Servo Robot. 2.2. Các yếu tố động của Robot 2.2.1. Độ ổn định 2.2.2. Độ phân giải điều khiển 2.2.3. Độ phân giải không gian 2.2.4. Độ chính xác tuyệt đối 2.2.5. Độ chính xác lặp lại 2.2.6. Độ mềm dẻo Chương 3. Sensor 3.1. Các sensor của Robot 3.2. Phân loại các sensor. 3.2.1. Chức năng trình diễn. 3.2.2. Định vị và phát hiện. 3.2.3 Sự phóng xạ vật lý. 3.3. Vi chuyển mạch 3.4. Sensor cự ly gần (Proximity) 3.4.1. Sensor cảm ứng 3.4.2. Sensor hiệu ứng Hall 3.4.3. Sensor điện dung 3.4.4. Sensor siêu âm 3.4.5. Sensor quang cự ly gần (proximity). 3.5. Sensor xúc giác 3.5.1. Sensor nhị phân 3.5.2 Sensor tương tự 3.6 Sensor quang điện Chương 4. Động học tay máy Robot 4.1. Cấu trúc cơ cấu tay máy 4.2. Vị trí của 1 điểm trên tay máy 4.2.1. Biến đổi toạ độ khi chuyển động quay. 4.2.2. Biến đổi toạ độ khi chuyển động tịnh tiến Trang 2 2 2 2 3 4 4 4 12 13 15 15 17 18 20 20 22 23 24 25 27 29 29 29 30 30 33 34 35 35 37 38 40 41 41 42 42 43 46 46 46 47 48 4.2.3 Biểu diễn toạ độ trong hệ toạ độ đồng nhất 4.3. Phép quay tổng quát 4.4. Phương trình động học của Robot 4.4.1. Phép quay EULẼR 4.4.2. Phép quay Roll, Pitch, và Yaw 4 4.3 Xác đính vị trí 4.5. Thiết kế quỹ đạo Robot 4.5.1. Các khái niệm về bài toán quỹ đạo. 4.5.2. Quỹ đạo đa thức bậc 3 4.5.3. Quỹ đạo tuyến tính với cung ở hai đầu là Parabol LSPB 4.5.4. Quy đạo BANG BANG PARABOLIC BLEND (BBPB) Phần Thực Nghiệm 5.1. Hexapod II PE Robot Kit 5.1.1. Chip vi điều khiển BASIC Stamp 2e 5.1.2. Mạch điều khiển servo nối tiếp s s c 5.1.3. Detector hồng ngoại cự ly gần (IRPD infrared Proximity Detector). 5.1.4. Mạch hiển thị tinh thể lỏng ILM-216. 5.1.5. Giới thiệu về ngôn ngữ BASIC STAMP 5.2. Điều khiển tay máy ED-7220. 5.2.1. Tay máy ED-7220. 5.2.2. Bộ điều khiển ED-MK4. 5.2.3. Xác định không gian làm việc và bài toán ngược củaED-7220C Kết luận Phụ [ục 49 50 56 57 58 59 62 63 64 65 68 70 70 71 75 79 82 85 97 97 99 100 106 Lời m ở đầu Trong hơn một thập kỷ qua công nghệ điện tử và cồng nghệ phần mềm phát triển một cách vũ bão, kéo theo nó là những công nghệ khác cũng đạt được thành tựu to lớn. Một trong những ngành công nghiệp có ảnh hưởng lớn nhất là Robot. Mặc dù thuật ngữ Robot đã ra đời từ những năm 20 của thế kỷ 20 nhưng trong một thời gian rất dài sự phát triển của Robot chủ yếu phụ thuộc vào sự phát triển của ngành cơ khí. Các Robot này thường chỉ có thể làm được những việc lặp đi lặp lại cứng nhắc nên ứng dựng của nó cũng chỉ hạn chế trong một số ngành cụ thể như luyện kim, khai thác mỏ, hàn ... Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu của con người ngày càng gia tăng. Yêu cầu phải tạo ra những Robot thông minh hơn, linh hoạt hơn hoạt động và “suy nghĩ’ của nó gần với con người hơn, có thể tự làm chủ có nghĩa là Robot có thể tự đưa ra chiến lược hoạt động của mình trong một số tình huống cụ thể. Để giải quyết được yêu cầu trên thì ngành công nghiệp Robot phải là sự kết hợp của nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác nhau như : Cơ khí, điện tử, tin học đặc biệt là những công nghệ xử lý tín hiệu như xử lý ảnh, xử lý âm thanh... Công nghệ robot trên thế giới đã đạt được những thành tựu lớn, nhưng tại Việt Nam thì lĩnh vực này còn nhiều mới mẻ và chưa đạt được nhiều thành tựu. Với mong muốn cho các cán bộ và sinh viên của khoa Công nghệ, đặc biệt là sinh viên của bộ môn Điện tử và Kỹ thuật máy tính làm quen, tìm hiểu với công nghệ robot. Đồng thời, với cố gắng của các thầy trong bộ môn mong muốn xây dựng được một phòng thí nghiệm robot hiện đại trong Khoa. Hiện nay, bộ môn đã nhập về phần cứng của một số robot do các hãng nổi tiếng trên thế giới sản xuất. Công việc hiện tại là nghiên cứu và phát triển phần mềm cho các robot trên. Đây cũng chính là yêu cầu đặt ra cho bản luận văn này. Với bản luận văn này chúng tôi tiến hành tìm hiểu, lắp đặt và viết phần mềm điều khiển hai robot đó là Hexapod II PE của hãng Lynxmotion và ED-7220 của Hàn Quốc. 1 P H Ầ N LÝ T H U Y Ế T CHƯƠNG 1. CÁC VẤN ĐỂ c ơ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ ROBOT Công nghệ Robot là một ứng dụng khoa học, nó là sự kết hợp giữa công cụ cơ khí và ứng dụng máy tính. Nó bao gồm nhiều lĩnh vực khác nhau như thiết kế cơ khí, lý thuyết điều khiển, vi điện tử, lập trình máy tính, trí tuệ nhân tạo, nhân tố con người, và lý thuyết chế tạo. Ngày nay, việc nghiên cứu và phát triển luôn luôn tiếp diễn nhằm cải tiến cách làm việc và hành vi của Robot. Sự tiến bộ trong công nghệ sẽ làm tăng phạm vi và ứng dụng của Robot trong tương lai. 1.1. Các đặc điểm chung Phát triển ngành công nghiệp Robot là một cuộc cách mạng của thiết bị tự động hoá. Robot có thể là các dụng cụ chuyên dụng linh hoạt, nó khác với các thiết bị tự động hoá cố định. Bằng cách thêm các bộ sensor, Robot có thể có khả năng thích nghi với môi trường làm việc và thay đổi sự ảnh hưởng của chúng trong điều kiện làm việc khác nhau. Robot công nghiệp trở thành công nhân cơ khí “smarter”(nông cạn) và hiện nay, nó được chấp nhận một cách rộng rãi. Robot công nghiệp là công cụ cơ khí hay cánh tay cơ khí. Thật là không phù hợp khi nghĩ nó là người máy. về cơ bản, Robot là cánh tay cơ khí, nó được đặt trên sàn, trên máy, trên trần nhà, trên tường để thích hợp với cánh tay cơ khí, và dạy nó thực hiện các nhiệm vụ lặp đi lặp lại trong môi trường nhất định. Trong hầu hết các trường hợp, Robot thường không dịch chuyển, và nó cũng không có khả năng nhìn hoặc nhận biết không gian làm việc. Mặc dù có những hạn chế đó nhưng Robot vẫn đóng vai trò rất quan trọng trong hoạt động công nghiệp. Một khoảng trống trong lĩnh vực Robot là nó không có tính linh hoạt cao như ở con người. Robot có nhiều lợi ích, vì đơn giản nó là máy nên không bị mệt mỏi, buồn tẻ, có thể làm việc được trong mồi trường rất ồn, nóng, nguy hiểm. Robot có thể hoạt động tốt trong những điều kiện căng thẳng, nguy hiểm, bẩn tuỳ theo tính chất công việc. Robot có thể dịch chuyển cánh tay của nó theo mọi hướng trong vùng làm việc. Đặc điểm của sự dịch chuyển phụ thuộc rất nhiều vào cấu tạo của nó. 1.2. Các bộ p hận của Robot 2 Hầu hết Robot được cấu tạo từ một số thành phần cơ bản đó là bộ thao tác (manipulator), bộ chấp hành (là một phần của bộ thao tác), nguồn nuôi, và bộ phận điều khiển. Hình 1-1 minh hoạ một cách rõ ràng về mối quan hệ của bốn thành phần này trong một Robot công nghiệp điển hình. Hình l - l . Các thành phần cơ bản của Robot công nghiệp Bộ thao tác còn gọi là tay Robot bao gồm các khớp cho phép các trục chuyển động theo nhiều hướng khác nhau. Bộ phận chấp hành (end-effector) là dụng cụ kẹp, và là một thiết bị đặc biệt, được gắn cố định vào tay Robot để thực hiện công việc được giao. Nguồn nuôi cung cấp và điều chỉnh năng lượng để biến nó thành chuyển động nhờ bộ phát dộng Robot, và nó có thể là điện, khí, hay nước. Bộ điều khiển xác định trạng thái ban đầu, định giới hạn, và tọa độ cho chuyển động. Và nó cũng chấp nhận những lối vào cần thiết cho Robot và cung cấp những lối ra để ghép nối với thế giới bên ngoài, 1.2.1. Bộ thao tác Bộ thao tác là một bộ phận cơ khí cung cấp chuyển động tương tự như cánh tay người. Chức năng nguyên thuỷ của nó là cung cấp chuyển động đặc biệt, nó cho phép công cụ ở phần cuối của cánh tay thực hiện công việc được giao. Sự chuyển động của Robot có thể được chia làm hai loại chính: chuyển động cánh tay, chuyển động người (vai và khuỷu tay) và chuyển động cổ tay. Chuyển động của các khớp riêng lẻ kết hợp với hai loại trên được gọi là bậc tự do. Mỗi trục là một bậc tự do. Robot công nghiệp điển hình thường có từ 4 đến 6 bậc tự do. cổ tay có thể chạm được một điểm trong không gian với sự định hướng đặc biệt nhờ một trong ba chuyển động: pitch (sự bồng bềnh), hay chuyển động lên-xuống; yaw (sự lệch hướng), hay là chuyển động từ bên này sang bên kia (side to side); và chuyển động roll hay chuyển động quay. Các khớp được gán nhãn pitch, yaw, roll còn được gọi là các trục định hướng. 3 Do vậy, bộ thao tác là một phần của Robot để thực hiện công việc được giao. Các điểm nằm ở khuỷu, chỗ trượt, hay chỗ quay được gọi là khớp hay các trục vị trí. Bộ thao tác thực hiện được bằng cách sử dụng các thiết bị cơ khí như sự liên kết với nhau, các bánh răng, bộ phát động, và các thiết bị phản hồi. Các trục vị trí cũng được gọi là hệ toạ độ cầu. Hệ toạ độ cầu được xác định như là không gian cố định, trong đó, bộ thao tác hoạt động trong hệ toạ độ tuyệt đối. 1.2.2. Bộ chấp hành Robot chỉ có thể trở thành một máy công nghiệp nếu như gắn lên tay máy một công cụ hay thiết bị, thường được gọi là bộ chấp hành, ngoài ra nó cũng hay được gọi là công cụ cuối của tay (EOAT: End Of Arm Tooling). Dựa vào các yêu cầu cụ thể, mỗi một tay máy được gắn một trong các bộ chấp hành sau: > Kẹp (gripper), móc (hook), xúc (scoop), nam châm điện, ống chân không, và các ngón tay dính khi cầm các vật liệu. > Súng phun dùng khi sơn. > Hàn cung và cắt cung. > Dụng cụ công suất như mũi khoan, > Các dụng cụ chuyên dụng và vật được gán cố định trên máy và lắp đặt. > Các thiết bị đo như chỉ thị quay số, đo độ sâu, và những cái tương tự như vậy. Điểm giữa của công cụ là điểm gốc của hệ toạ độ hay là điểm tiếp giáp giữa công cụ và tay Robot. 1.2.3. Nguồn nuôi. Chức năng của nguồn nuôi là cung cấp và điều chỉnh năng lượng để cho Robot hoạt động. Nguồn nuôi chủ yếu của Robot công nghiệp là điện. Thứ đến là khí, và cuối cùng là thuỷ lực. Một số hệ Robot yêu cầu cả ba loại nguồn trên. Nguồn liên quan trực tiếp đến tỷ lệ tải trọng của Robot. Đối với từng loại nguồn, bộ phát động và bộ điều khiển đều có mối quan hệ với các đặc điểm, ưu điểm và hạn chế của chúng. 1.2.4. Bộ điều khiển. Bộ điều khiển dùng để truyền và xử lý thông tin như xác định trạng thái ban đầu, định giới hạn, toạ độ chuyển động và sự liên tục của Robot. Nó chấp nhận những lối vào cần thiết với Robot và cung cấp những lối ra tín hiệu để điều khiển Robot và bộ phát động phải phù hợp với chuyển động của Robot và thế giới bèn ngoài. Trái tim của bộ điều khiển là máy tính và bộ nhớ bán dẫn. 4 Lối vào và lối ra của hệ thống điểu khiển phải được cung cấp giao diện truyền thông giữa máy tính điều khiển Robot và các phần sau: > Sensor phản hồi. > Thiết bị dạy học. > Thiết bị lưu trữ chương trình. > Thiết bị copy cứng. > Các thiết bị phần cứng khác. Máy tính điều khiển chuyển động cánh tay của Robot bằng cách truyền tín hiệu thông qua giao diện đến bộ phát động trên Robot. ớ Mỹ, Robot thường được chia làm 3 loại chính: > Nonservo. > Servo > Servo điều khiển được (Servo-controlled). Nonservo là hệ thống vòng mở, còn servo là hệ thống vòng đóng. Trong một hệ thống vòng mở, tín hiệu lối ra không phụ thuộc vào lối ra của hệ thống, trong khi đó ở hệ thống vòng đóng, lối ra của bộ điều khiển luôn luôn được so sánh với lối vào thông qua thiết bị phản hồi để hai đại lượng có thể được sử dụng đổng thời và tạo ra kết quả theo mong muốn. Robot servo-điều khiển được là hệ thống vòng đóng có đường điều khiển liên tục. Robot nonservo là dạng đơn giản nhất về mặt cấu trúc cũng như hoạt động. Đó là các loại: Robot giới hạn trình tự (limited-sequence), Robot nhấc và đặt, Robot bang-bang...Các thiết bị điều khiển như bộ chuyển đổi cũng là bộ phận quan trọng của Robot. Chúng truyền thông tin đến bộ điều khiển trên vịtrí biến thiêncủa khớp Robot và liên kết chúng. Robot có hệ thống vòng đóng hay vòng mở đều điều khiển chuyển động của từng tay máy thông qua chương trình điều khiển. Điểm khác biệt chính giữa 3 loại trên là hệ thống vòng mở không có sensor trên cánh tay của Robot để cung cấp tín hiệu phản hổi. Tín hiệu phản hổi chỉ ra vị trí của tay máy cho bộ điều khiển. Do vậy, trong hệ thống vòng mở bộ điều khiển liên tục điều chỉnh tay máy cho đến khi chạm tới điểm dừng cố định. Nonservo (vòng mở) Hệ thống Robot nonservo được chỉ ra trên hình 1-2. Sơ đồ này sử dụng Robot có bốn trục chạy bằng khí. Tại điểm bắt đầu của chu trình, bộ điều khiển tạo chuyển động cho Robot thông qua các bước biến đổi liên tục. Tại bước đầu tiên, bộ điều khiển gửi tín hiệu đến giá trị điều khiển của bộ thao tác. 5 Nguồn cung cấp không khí Hình 1-2. Hệ thống Robot nonservo (vòng mở) Khi van điều khiển mở, không khí đi qua bộ phát động hay xi lanh làm cho thanh của xi lanh chuyển động. Khi van vẫn còn mở thì từng phần của bộ thao tác vẫn tiếp tục chuyển động cho đến khi nó bị ngăn lại bởi điểm dừng cuối cùng trên thanh của xilanh. Sau khi thanh của xi lanh đến được khoảng cách mong muốn thì công tắc giới hạn được kích hoạt. Ta nói rằng bộ điều khiển đã đóng van điểu khiển. Sau đó bộ điều khiển gửi tín hiệu đến van điều khiển để đóng nó, và chuyển động bước tiếp theo của chương trình và xác lập lại tín hiệu cần thiết. Quá trình xử lý tiếp tục cho đến khi tất cả các bước trong chương trình đều được hoàn thành. Đối với từng chuyển động trong Robot nonservo, các bộ phận của bộ thao tác chuyển động nghiêng cho đến khi đạt được kết quả mong muốn. Cánh tay của Robot dừng lại khi chạm đến mục tiêu theo một số phương pháp sau: > Bộ phát động > Điểm dừng cố định. > Điểm dừng biến thiên. > Mô tơ bước. Bộ phát động của Robot là thiết bị dùng để biến đổi năng lượng thành chuyển động. Các thiết bị như là xi lanh thuỷ lực, xi lanh khí và các cuộn dây phát điện hoặc các mô tơ, trong đó xilanh chuyển động từ vị trí gần nhất đến vị trí xa nhất của cánh tay Robot. Bộ phát động tuyến tính được chỉ ra trên hình 1-3 và 1-4. Cả hai bộ phát động khí và nước đều cung cấp năng lượng bằng cách dịch chuyển chất lỏng. Trong trường hợp thứ nhất, chất lỏng được nén bằng khí, trong 6 trường hợp thứ hai chất lỏng thường được nén bằng dầu. Sự hoạt động của các bộ phát động thường giống nhau ngoại trừ khả năng nén dòng. Hệ thống khí điển hình hoạt động với áp lực khoảng 100 pound/inch2 và đối với hệ thống nước khoảng từ 1000 đến 3000 pound/inch2. Xilanh không khí Lôi không khl' và Thanh pittông c° tác đôn e kéo □ C o lại Kẹp ---------V77777 Giới hạn co Hình 1-4. Robot nhấc và đặt của hãng Yamaha có 4 trục tự do. Có hai mối quan hệ khi ta đề cập đến các bộ phát động: vận tốc pit-tông của bộ phát động và lực tác động lên lối ra của bộ phát động với công suất lối vào. Lực tác động lên lối vào và vận tốc pit-tông là tác động kép của xi lanh, nó không giống nhau về cơ chế giãn và co. Hiện tượng này xảy ra do hiệu ứng của pit-tông và được định nghĩa bởi phương trình sau: Đối với chuyển động giãn, ta có: 7 Lực (lb)=áp suất (psi) X diện tích của pit-tông (in.2) dòng chảy vào(ft3/sec) Vận tốc (ft/sec) = diện tích của pit-tông(ft2) Xilanh không khí Thanh pittông có tá c ^ ô n e kéo Í Lô'ị vào không khí L 5 Kẹp ẹp Lối vào không khí 2 Điếm dừng cố định khi co Kẹp 2_ yỵ/ ? zZ Z Z Điếm dừng cố định khi giàn Hình 1-5. Các điểm dừng cố định khi chuyển động vị trí. Đối với chuyển động co, ta có: lực (lb)=áp suất (psi) X [diện tích của pit-tông (in.2)-diện tích của thanh (in.2)] dòng chảy vào(ft /sec) Vận tốc (ft/sec) = --------------------------------------------------------------------diện tích của pit-tông(ft2) -diện tích của thanh (in.2) Nếu tính theo mã lực thì ta được: vận tốc của pit-tông (ft/sec) X lực tác dụng (lb) Mã lực = 550 dòng chảy vào (gpm) X Mã lực 1714 8 áp suất (lb/in. ) Các điểm dừng cố định thường là các khối, nó được sử dụng để dừng khi bộ phát động giãn ra hay sự co vào trước khi nó chạm đến mục tiêu. Hình 1-5 giới thiệu một kiểu lắp đặt hệ thống này. Điểm dừng biến đổi thường là các ốc vít, vòng đai hay các khối trượt, nó c ó thể điều chỉnh được nên nó có thể biến đổi chuyển động của bộ phát động. Mô tơ bước là các mô tơ DC, nó có thể quay suốt một chu trình hay một phần của chu trình trong một đáp ứng xung điện. Mô tơ bước được thiết kế sao cho có thể chuyển động trong phạm vi từ 90° đến 0.72°. Vị trí của chúng có độ chính xác bằng 1% - 5% của góc bước, thông thường, độ chính xác là 3%. Tốc độ của mô tơ bước thường được xác định bằng số bước trên giây (sps) đối lập với độ phân giải trên phút (rpm). Hai công thức sau biểu diễn cách biến đổi góc bước sang số bước/ độ phân giải, và từ sps sang rpm: 360 Số bước/độ phân giải = ---------------------------------góc bước (số bậc) 60 (sps) rPm = ---------------------------------số bước/độ phân giải =1/6 (sps) (bước góc) 6 (rpm) sps = ---------------------góc bước Mô tơ bước có thể đạt được 5000 sps khi mô men xoắn của lối ra là 6,25inchlbs. Mô tơ bước thường được sử dụng để mở rộng cánh tay Robot tới vị trí kẹp. Trong trường hợp này, chuyển động quay của mô tơ được chuyển thành chuyển động tuyến tính nhờ hệ thống truyền động bánh răng hay hệ thống dây đai và ròng rọc. Do mô tơ bước có mô men lối ra nhỏ nên các ứng dụng cơ khí phải nhận được từ hệ thống truyền động bánh răng hay hệ ròng rọc để chuyển động cánh tay. Hình 1-6 là một mô tơ bước với một bộ điều khiển chuyển đổi. Ưu điểm của bộ điều khiển nonservo là: > Giá thành thấp. > Dễ vận hành. > Độ lặp lại cao cỡ 0,010 in. cho một đơn vị nhỏ. > Tốc độ cao > Điểu khiển dễ dàng. Nhược điểm của bộ điều khiển nonservo là: 9 > Thiếu phần điều khiển tốc độ nên độ chính xác không cao. > Mất một khoảng thời gian trong quá trình chuyển đổi cơ khí. > Vị trí điểm dừng của Robot yêu cầu sắp đặt độ chính xác. Hơn một nửa số Robot hiện nay đều sử dụng dây ròng rọc trong loại nonservo (vòng mở). L ố i v à o c ủ a tín h iệ u từ b ộ đ iề u k h iể n ( m ộ t b ư ớ c) Hình 1-6. Mô tơ bước vén một bộ điều khiển chuyển đổi. Servo (vòng đóng). Servo Robot là một hệ thống tinh vi hơn. Tín hiệu của bộ điều khiển phụ thuộc vào lối ra của hệ thống. Cơ cấu trợ động (servo-mechanism) là một hệ thống điều khiển được sử dụng để phát hiện và sửa lỗi. Hệ thống tự động đo vị trí của từng khớp và so sánh nó với vị trí cần đến. Sau đó, nó phản hồi về hệ thống truyền động để đến vị trí thích hợp hơn. Do hệ thống có khả năng tự sửa lỗi nên vị trí mong muốn của bộ chấp hành được lưu trữ ở bộ nhớ của bộ điều khiển. Sự khác biệt này cho phép các Robot điều khiển vòng đóng được lập trình để dừng tại bất kỳ điểm nào nằm trong phạm vi làm việc. Hình 1-7 là một hệ servo điển hình. Khi chu trình được thiết lập, bộ điều khiển gán địa chỉ cho vị trí mong muốn đầu tiên và làm rõ vị trí hiện tại của các trục. Tín hiệu của vị trí mong muốn được phát ra từ bộ điều khiển và so sánh với tín hiệu phản hồi từ bộ phân tích. Sự khác biệt giữa các tín hiệu được biết đến như là tín hiệu nhiễu, nó được khuếch đại và đưa vào van của servo. Van mở tỷ lệ với mức của câu lệnh tín hiệu được phát ra bởi bộ khuếch đại. Khi van mở cho phép dòng đến bộ phát động trên cánh tay. Sau đó, bộ phát động làm tay máy chuyển động. Tín hiệu mới được phát ra từ sự chuyển động của tay máy. Khi tín hiệu lỗi chạm đến điểm 0 thì van điều khiển servo đóng và đóng lại dòng chất lỏng. Tay máy đến và ngừng lại tại vị trí mong muốn. Sau đó bộ 10 điều khiển gán giá trị của điểm tiếp theo vào bộ nhớ. Bộ xử lý sẽ lặp lại quá trình cho đến khi tất cả các bước của chương trình đều được hoàn thành. Máy đo tốc độ góc được sử dụng khi điều chỉnh cùng với bộ điều khiển để điều khiển sự tăng, giảm tốc độ của chuyển động. Lối vào S e r v o đ iề u k h iể n đ ư ợ c ( v ò n g đ ó n g v ớ i đ ư ờ n g đ iề u k h i ể n ) Robot có Servo điều khiển được định hướng bởi bộ điều khiển, nó nhớ được trình tự của cánh tay, vị trí của bộ chấp hành và cho phép lập trình quỹ đạo hay bé mặt hình bao. Máy tính có thể lưu trữ được hàng trãm hoặc hàng nghìn điểm trong bộ nhứ, do đó, nó có thể điều khiển tốc độ và gia tốc trong lộ trình. Bộ chuyển đổi hay bộ mã hoá được xây dựng trên cánh tay của Robot nhằm để biến đổi số liệu về vị trí sang tín hiệu điện để cung cấp vị trí phản hồi cho từng khớp. Các tín hiệu phản hổi này được so sánh với dữ liệu của vị trí mong muốn để định vị cho chuyển động của Robot. Dữ liệu về tốc độ được đưa vào máy tính thông qua bộ mã hoá và được sử dụng như tín hiệu phản hổi khác để đảm bảo cho servo chuyển động ổn định và êm ái. Ưu điểm của cách điều khiển vòng đóng: > Độ chính xác về vị trí cao hơn. > Tốc độ cao hơn. > Quỹ đạo lớn hơn. > Chương trình điều khiển linh hoạt. > Các điểm lập trình có thể thay đổi một cách dễ dàng. Thực hiện và lưu trữ được nhiều chương trình. Nhược điểm của cách điều khiển vòng đóng: > Vốn đầu tư cao. 11 > Chương trình điều khiển phức tạp > Cần hướng dẫn người sử dụng. > Bảo dưỡng cần kỹ năng cao. Robot nonservo được gọi là Robot không thông minh và Robot servo được xếp loại là Robot thông minh hay hết sức thông minh. Sự khác biệt giữa Robot thông minh và hết sức thông minh là mức độ nhận thức cao hơn. 1 .3 . B ộ x ư ơ n g c ủ a R o b o t Bộ xương của Robot đề cập đến cấu trúc vật lý và đặc điểm của thân, cánh tay và cổ tay, chúng là các thành phần cấu tạo nên tay máy Robot. Hầu hết các Robot ngày nay đều được trang bị chân đế. Thân được gắn liền với đế và cánh tay được gắn với thân. Phần cuối tay là cổ tay, nó bao gồm một số thành phần để cho phép định hướng các vị trí biến đổi. Sự chuyển động giữa các bộ phận như thân, cánh tay, cổ tay được cung cấp bởi các khớp. Các khớp có thể chuyển động quay hoặc chuyển động trượt. Bộ chấp hành (hay dụng cụ cuối cùng của cánh tay) được gắn lên cổ tay của Robot để thực hiện công việc. Bộ chấp hành không phải là một phần của bộ xương Robot. Khớp thân và khớp tay của tay máy được sử dụng để định vị cho bộ chấp hành, khớp cổ tay của tay máy được sử dụng để định hướng cho bộ chấp hành. Cấu hình của Robot Robot công nghiệp rất đa dạng về hình thù, kích cỡ, tốc độ, khả năng tải, và các đặc tính khác. Đặc tính chuyển động của các loại Robot phụ thuộc vào thiết kế cơ khí. Ngày nay, các Robot thương mại thường có 5 loại với cấu hình như sau: > Hình chữ nhật (Đề các). > Hình trụ (loại cột). > Hình cầu (cực). > Khớp tay (khớp hoặc quay). > SCARA Cấu hình chữ nhật được mô tả trong hình (a) sử dụng ba trục trượt để mô tả các trục X , y và z. Bằng cách dịch chuyển ba thanh trượt. Robot có khả năng hoạt động với đường bao là hình chữ nhật. Cấu hình hình trụ được mô tả ở hình (b) sử dụng cột dọc và trượt, nó có thể dịch chuyển lên xuống theo cột. Cánh tay Robot gắn với trục trượt để nó có thể dịch chuyển trong bán kính tính từ cột. Bằng cách xoay cột, Robot có khả năng làm việc theo đường bao hình trụ. 12 Cấu hình hình cầu được minh hoạ ở hình (c), sử dụng cánh tay vươn xa (telescope) để có thể nâng lên hay xuống thấp theo trục quay ngang. Điểm của trục quay được đặt trên đế xoay và làm cho Robot chuyển động theo trục đứng. Các khớp nối cung cấp cho Robot khả năng dịch chuyển cánh tay theo hình cầu. Hình 1-8. Năm câu trúc thông thường của Robot công nghiệp. Cấu hình khớp tay được mô tả trên hình (d) bao gồm hai thành phần kế tiếp nhau là khớp vai và khớp khuỷu quay theo trục nằm ngang tương ứng với cẳng tay và phần trên cẳng tay của con người, cổ tay được gắn với điểm cuối của cẳng tay để cung cấp thêm các khớp nối khác. Vùng hoạt động của nó không theo một quy luật nhất định. Khi nhìn nó từ điểm trên đỉnh thì nó là hình tròn; khi nhìn nó từ bên sườn thì nó có dáng như bề mặt bên trong của vỏ sò, tuỳ thuộc vào giới hạn của các khớp nối. Cấu hình SCARA được minh hoạ ở hình (e); là loại đặc biệt của tay có khớp , khớp vai và khớp khuỷu quay theo trục đứng thay vì trục ngang. Đường bao làm việc của nó là hình trụ và trong phạm vi rộng hơn các loại khác. 1 .4 . C á c t h ê h ệ R o b o t Trong nhiều năm con người đã dự báo rằng thị trường Robot sẽ phát triển nhanh như thị trường máy tính. Hiện nay, thế hệ máy tính mới đang phát triển rất nhanh với những chương trình trí tuệ nhân tạo. Những chương trình này nếu được áp dụng vào Robot sẽ tạo ra nhiều khả năng mới. Có năm thế hệ điều khiển Robot kể từ năm 1960 đến nay: Thế hệ thứ nhất: Robot lặp lại. Thế hệ này chủ yếu sử dụng năng lượng khí, Robot “nhấc-đặt”, cùng với bộ trình tự cơ khí để xác định các điểm dừng. Chương 13 trình được cung cấp bằng cách quay trống và điều khiển cam (bánh lệch tâm)-và-bộ phận bị dẫn (cam-anđ-follower). Thế hệ thứ hai: Bộ điều khiển phần cứng (bảng lắp ráp) cung cấp các đơn vị có thể lập trình được đầu tiên. Trong Robot “nhấc và đặt”, tín hiệu nhận được từ công tắc giới hạn, công tắc bên cạnh, và các dụng cụ tương tự. Những bộ điều khiển này đã được áp dụng vào điều khiển servo. Các bộ điều khiển này vẫn còn được sử dụng trong các Robot giản đon như Robot “nhấc và đặt” và vẫn đóng một vai trò trong công nghệ Robot như là một giải pháp kinh tế nhất cho các trường hợp chỉ cần chuyển động đơn giản. Thế hệ thứ 3: Các bộ điều khiển logic lập trình được (PLC), đã được giới thiệu trong công nghiệp hơn ba mươi năm nay, nó cung cấp bộ vi xử lý để có thể dễ dàng nhập chương trình mới vào. Bộ điều khiển cung cấp trực tiếp các chuyển động Robot, các điểm dừng, hoạt động của kẹp, và tốc độ. Thế hệ thứ 4: Khi điều khiển dựa trên PLC được yêu cầu, máy vi tính có thể điều khiển toàn bộ hệ thống, bao gồm các máy móc có thể lập trình được trong vùng làm việc của Robot. Ngược với PLC bị giới hạn trong chương trình của chúng, máy tính mini có thể sử dụng ngôn ngữ lập trình đặc biệt hoặc ngôn ngữ chuẩn (như BASIC, c, c ++) để tạo ra nhiều ứng dụng về giao diện CAD/CAM và CIM hoặc chương trình không trực tuyến. Robot kiểu máy tính mini trí tuệ nhân tạo trở thành thương mại hoá vào cuối năm 1980. Hiện nay, các bộ điều khiển này cho phép tích hợp với các sensor thị giác và xúc giác. Thế hệ thứ 5: Các bộ điều khiển Robot bao gồm cả trí tuệ nhân tạo (AI), sensor vẽ, có khả năng tạo ra quyết định... 14 CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG DIEU KHIEN 2.1. Nguyên tắc hoạt động của Robot. Tất cả các loại Robot đều cần bộ phận điều khiển thông minh để điều khiển các hoạt động từ đơn giản đến phức tạp và nó phải có khả năng thích nghi với nhiều điều kiện khác nhau cũng như sự thay đổi môi trường. Hệ thống điều khiển này có thể bao gồm hệ máy tính, hệ các vi xử lý, bộ nhớ, các cổng vào ra, các bộ mã hoá và cả các sensor cần thiết để thực hiện công việc. Robot cần có các giác quan để xác định trạng thái, sự kiện, và điều kiện khác. Trong một số trường hợp, các sensor được xây dựng trên Robot, chúng được sử dụng như một khả năng phụ: nhìn, nhận dạng tiếng nói, và siêu âm, chúng được gắn và được tích hợp trên mọi hệ thống Robot. Nói chung, hệ thống điều khiểu có thể chia thành hai loại: hệ thống vòng mở (Open loop system) và hệ thống vòng đóng (Close loop system). Cả hai đều được sử dụng trong Robot công nghiệp. Một ví dụ của hệ thống vòng mở là mô lơ bước, trong đó tín hiệu điều khiển xác định vị trí của mô tơ một cách trực tiếp mà không cần thông qua tín hiệu phản hổi. Hiện nay, có hai hệ thống vòng đóng đang được sử dụng, đó là Nonservo và Servo. Cả hai loại này đều sử dụng tín hiệu phản hồi. Chúng đều được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Robot. Servo: là thiết bị điều khiển vị trí một cách liên tục. Robot cung cấp liên tục thông tin về vị trí của nó trên đường đi. Nonservo: sử dụng các công tắc tới hạn (limit switch) để cho biết Robot đã đạt tới trạng thái (vị trí) mong muốn hay kết thúc nhiệm vụ. Các hệ thống vòng mở và vòng đóng có thể được dùng cho tất cả tay máy Robot. Có 5 loại điều khiển Robot khác nhau : Loại thứ nhất trên hình 2-la, loại này sử dụng bộ điều khiển vòng mở cho các trục mà không dùng tín hiệu phản hồi. Loại thứ hai trên hình 2-lb, được gọi là bộ điều khiển nonservo và chỉ nhận tín hiệu phản hồi bật - tắt (on-off)- Ngày nay, thường sử dụng loại này và nó bao gồm cả hệ điều khiển vòng mở nhưng cùng với điều khiển khớp vòng đóng cục bộ. Loại thứ ba trên hình 2-lc, sử dụng động cơ servo và tín hiệu phản hồi cho từng trục và được gọi là bộ điều khiển servo. Thông thường, loại này sử dụng sensor môi trường cục bộ để nhận biết vị trí và tốc độ nhằm cung cấp thông tin cho tín hiệu phản hổi. Loại thứ tư trên hình 2-ld, là loại sử dụng vòng đóng có bộ điều khiển thông minh hơn, có cả sensor môi trường cục bộ lẫn toàn cục để cung cấp cho điều khiển phản hồi. Loại này chưa được cung cấp cho 15 các Robot công nghiệp. Loại thứ năm trên hình 2-le, sử dụng điều khiển vòng đóng thông minh có cả sensor môi trường cục bộ lẫn toàn cục để tạo ra và biến đổi chiến lược của Robot. Hiện nay, loại này đang ở trong tình trạng nghiên cứu. Robot thông minh có thể phát hiện ra sự thay đổi môi trường làm việc bằng các sensor nhận thức (thị giác và/hoặc xúc giác) 16 e) d) Hình 2-.1 Bộ điều khiển Robot với 5 loại khác nhau, a) Bộ điều khiển vòng mở, tín hiệu được gửi đến bộ phát động mà không sử dụng tín hiệu phản hồi. Ví dụ của loại điều khiển này là mô tơ bước hay bộ phát động servomotor. b) Bộ điều khiển bang-bang, bật-tắt, nonservo, tín hiệu điều khiển được gửi đến bộ phát động và có tín hiệu phản hồi trở lại điều khiển mô tơ khi đến điểm đích, c) Bộ điều khiển servo, tín hiệu gửi đến bộ phát động và được so sánh với tín hiệu đo được từ các trục điều khiển chuyển động, d) Bộ điều khiển cục bộ vòng đóng điều khiển tất cả các trục trong hệ toạ độ. e) Bộ điểu khiển vỏng đóng thông minh, trong đó các sensor toàn cục được sử dụng để sáng tạo và mô phỏng chiến lược và chuyển động của Robot. 2.1.1. Hoạt động của Robot nonservo Bộ điều khiển sử dụng các điều kiện ban đầu để điều khiển các van (motor) cho mỗi trục. Khi van điều khiển mở, nó nạp không khí hoặc dầu vào bộ phát động. Bộ phát động làm cho trục của Robot chuyển động. Van tiếp tục mở và hệ làm việc cho tới khi nó bị chặn vật lý tại điểm dừng. Chuyển mạch giới hạn nằm tại điểm kết thúc có tác dụng đóng van. Nếu bộ điều khiển là bộ trình tự hoặc thiết bị có khá năng gửi dữ liệu một cách lần lượt, thì hệ sẽ chuyển sang bước tiếp theo. Bộ điều khiển lại tiếp tục phát ra tín hiệu. Tín hiệu này đi đến bộ thao tác của Robot hoặc thiết bị ngoài như là kẹp (gripper). Quá trình tiếp tục cho tới lệnh cuối cùng. Các phần của tay máy chuyển động cho tới khi đạt đến điểm giới hạn hay điểm dừng. Số điểm dừng ít nhất cho mỗi thủ tục là 2, cung cấp vị trí điểm đầu và điểm cuối. Nó có thể dạt đến điểm dừng ngay lập tức. Tuy nhiên, nó bị hạn chế số điểm dừng trong thực nghiệm. Chính VI vậy, mà loại Robot này cần hạn chế số điểm dừng trong không gian mà nó có thể đạt tới. Nếu Robot có 6 trục quay (axis), mỗi trục chí có hai điểm dừng, thì có 64 (2fl=64) điểm có thể đạt tới. Tại điểm dừng Robot có thể ìock hoặc thêm vào các van bị shock, vì vậy, để giảm shock cần các bộ hấp thụ shock ©AI HỌC OUGC GA H,ÀHỘI TRUNGTÁM THÒNG rift Ti- 17 V- Ị