Kỹ Thuật Người Máy
- Thread starter kelangtuckbk
- Ngày mở chủ đề
Robot là một lĩnh vực khá mới của kỹ thuật cao vượt quá giới hạn của kỹ thuật truyền thống. Để hiểu rõ về robot cần có kiến thức về kỹ thuật điện tử, cơ khí, kỹ thuật hệ thống công nghiệp, công nghệ thông tin...Các chuyên ngành kỹ thuật mới, như kỹ thuật sản xuất, kỹ thuật ứng dụng, kỹ thuật tri thức có vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu robot và tự động hoá nhà máy.
Vấn đề cơ bản của lĩnh vực robot bao gồm động học, động lực học, hoạch định chuyển động, thị giác máy tính và lý thuyết điều khiển. Khoa học robot đã phát triển vượt bậc trên 20 năm qua, dựa vào sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật máy tính và kỹ thuật cảm biến cũng như lý thuyết điều khiển và thị giác máy tính.
Thuật ngữ robot được sử dụng đầu tiên bởi nhà soạn kịch người Séc là Karel Capek trong vở kịch Rossum's Universal Robots vào năm 1920. Từ robota là ngôn ngữ Séc. Thuật ngữ này được sử dụng trong nhiều loại máy móc cơ khí, như tàu lặn điều khiển từ xa, xe tự hành trên mặt đất,....Gần như tất cả những gì hoạt động với một mức tự động nào đó, thường được điều khiển bằng máy tính được gọi là robot.
Trong công nghiệp hiện nay robot ngày càng được ứng dụng rộng rãi, trong quá trình tự động hoá quá trình sản xuất, nên có lẽ cánh tay robot công nghiệp là được sử dụng nhiều.
Vấn đề cơ bản của lĩnh vực robot bao gồm động học, động lực học, hoạch định chuyển động, thị giác máy tính và lý thuyết điều khiển. Khoa học robot đã phát triển vượt bậc trên 20 năm qua, dựa vào sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật máy tính và kỹ thuật cảm biến cũng như lý thuyết điều khiển và thị giác máy tính.
Thuật ngữ robot được sử dụng đầu tiên bởi nhà soạn kịch người Séc là Karel Capek trong vở kịch Rossum's Universal Robots vào năm 1920. Từ robota là ngôn ngữ Séc. Thuật ngữ này được sử dụng trong nhiều loại máy móc cơ khí, như tàu lặn điều khiển từ xa, xe tự hành trên mặt đất,....Gần như tất cả những gì hoạt động với một mức tự động nào đó, thường được điều khiển bằng máy tính được gọi là robot.
Trong công nghiệp hiện nay robot ngày càng được ứng dụng rộng rãi, trong quá trình tự động hoá quá trình sản xuất, nên có lẽ cánh tay robot công nghiệp là được sử dụng nhiều.
Phân loại robot: ta có thể phân theo nhiều chuẩn: theo nguồn cấp, theo cấu trúc hình học(cấu trúc động học), theo lĩnh vực ứng dụng, hay phương pháp điều khiển.
Theo nguồn cấp: Thông thường robot được cấp bằng nguồn điện, thủy lực hay khí nén. Các cơ cấu tác động dùng thủy lực không có đấu thủ về tốc độ đáp ứng và khả năng sinh moment. Vì vậy robot thủy lực dùng chủ yếu nâng tải nặng. Nhược điểm của robot thủy lực là chúng dễ bị rò dầu, cần nhiều thiết bị phụ trợ hơn, như bơm thủy lực, bể chứa dầu, nên cũng cần nhiều công sức và chi phí bảo trì hơn, và chúng cũng khá ồn. Các robot dùng động cơ DC hay AC ngày càng thông dụng vì rẻ hơn, sạch hơn và êm hơn. Robot dùng khí nén giá thành không đắt và đơn giản, nhưng không thể điều khiển chính xác nên robot khí nén ít phổ biến.
Theo lính vực ứng dụng: Một lĩnh vực lớn có thể ứng dụng robot là lắp ráp. Vì vậy robot được phân loại theo robot lắp ráp và robot không lắp ráp. Robot lắp ráp nhỏ gọn, điều khiển bằng điện có thiết kế dạng SCARA(Selective Compliant Articulated Robot For Assembly). Các lĩnh vực ứng dụng không lắp ráp đến nay là trong lĩnh vực hàn sơn, xử lý vật liệu, và máy giao nhận hàng.
Theo phương pháp điều khiển: Robot được phân loại theo phương pháp điều khiển servo và không servo. Các robot ban đầu là loại điều khiển không dùng servo. Các robot này dùng điều khiển vòng hở( open loop control) có các chuyển động được giới hạn bởi các công tắc hành trình cơ khí, và chúng giúp chủ yếu cho việc vận chuyển vật liệu, tuy nhiên theo định nghĩa về robot thì các cơ cấu điểm dừng cố định không được xem là robot. Các robot servo có điều khiển vòng kín( closed loop control) và chuyển động được điều khiển bằng máy tính, như vậy đó là những thiết bị đa chức năng và lập trình được.
Theo nguồn cấp: Thông thường robot được cấp bằng nguồn điện, thủy lực hay khí nén. Các cơ cấu tác động dùng thủy lực không có đấu thủ về tốc độ đáp ứng và khả năng sinh moment. Vì vậy robot thủy lực dùng chủ yếu nâng tải nặng. Nhược điểm của robot thủy lực là chúng dễ bị rò dầu, cần nhiều thiết bị phụ trợ hơn, như bơm thủy lực, bể chứa dầu, nên cũng cần nhiều công sức và chi phí bảo trì hơn, và chúng cũng khá ồn. Các robot dùng động cơ DC hay AC ngày càng thông dụng vì rẻ hơn, sạch hơn và êm hơn. Robot dùng khí nén giá thành không đắt và đơn giản, nhưng không thể điều khiển chính xác nên robot khí nén ít phổ biến.
Theo lính vực ứng dụng: Một lĩnh vực lớn có thể ứng dụng robot là lắp ráp. Vì vậy robot được phân loại theo robot lắp ráp và robot không lắp ráp. Robot lắp ráp nhỏ gọn, điều khiển bằng điện có thiết kế dạng SCARA(Selective Compliant Articulated Robot For Assembly). Các lĩnh vực ứng dụng không lắp ráp đến nay là trong lĩnh vực hàn sơn, xử lý vật liệu, và máy giao nhận hàng.
Theo phương pháp điều khiển: Robot được phân loại theo phương pháp điều khiển servo và không servo. Các robot ban đầu là loại điều khiển không dùng servo. Các robot này dùng điều khiển vòng hở( open loop control) có các chuyển động được giới hạn bởi các công tắc hành trình cơ khí, và chúng giúp chủ yếu cho việc vận chuyển vật liệu, tuy nhiên theo định nghĩa về robot thì các cơ cấu điểm dừng cố định không được xem là robot. Các robot servo có điều khiển vòng kín( closed loop control) và chuyển động được điều khiển bằng máy tính, như vậy đó là những thiết bị đa chức năng và lập trình được.
@
Tôi cũng nghiên cứu về robot, hiện giờ tôi đang tập trung nghiên cứu cánh tay máy 6-dof(kuka). Bạn đã đạt được những kết quả gì trong tính toán & mô phỏng robot. Hiện nay tôi đã giải được bài toán động học thuận & ngược cho cánh tay máy 6 dof(bài toán ngược tôi dùng pp số), đã tính được cho cả vị trí, vận tốc & gia tốc. Hiện tôi đang nghiên cứu giải bài toán động lực học, mục tiêu của tôi là viết chương trình mô phỏng hoàn thiện cho cánh tay máy 6 dof và có thể giao tiếp điều khiển cánh tay máy thực. 
Các dạng động học phổ biến trên robot
Robot dạng khớp quay (Articulated manipulator, RRR)
Hình 1.3: Sơ đồ tay máy dạng ba khớp quay
Robot khớp quay có ba khớp đầu tiên đều là khớp quay (RRR), có dạng như cánh tay người. Cấu trúc và ký hiệu của tay máy dạng khớp quay được cho trên hình 1.3. Không gian làm việc của robot loại này được cho trên hình 1.4. Robot khớp quay KUKA KR 240 được cho trên hình 1.5. Một dạng thiết kế khớp quay phổ biến khác là cơ cấu hình bình hành như trên hình 1.6.
Hình 1.4: Không gian làm việc tay máy dạng khớp quay
Hình 1.5: Tay máy KUKA KR 240
Trong cả hai thiết kế, trục khớp Z2 song song với Z1 và cả Z1 và Z2 đều vuông góc với Z0. Cấu trúc robot khớp quay cho chuyển động tự do lớn trong một không gian nhỏ. Cơ cấu hình bình hành, dù ít linh hoạt hơn tay máy ba khớp quay độc lập, nhưng có nhiều ưu điểm hấp dẫn và phổ biến trong các thiết kế robot. Đặc tính đáng kể nhất của cơ cấu hình bình hành là động cơ tác động quay cho khớp 3 được bố trí trên khâu 1 nằm phía dưới robot, vì thế khối lượng động cơ chịu trên khâu 1, khâu 2 và khâu 3 được nhẹ hơn và như vậy ta có thể dùng động cơ công suất thấp hơn. Hơn nữa, bài toán động lực học của tay máy dạng hình bình hành đơn giản hơn các tay máy dạng 3 khớp độc lập, do đó tay máy này dễ điều khiển hơn.
Hình 1.6: So sánh tay máy có cấu trúc bình hành
Robot dạng cầu (Spherical configuration, RRP)
Bằng cách thay thế khớp thứ ba (khớp khỉu tay) của cấu hình dạng ba khớp quay ở mục trên bằng một khớp trượt ta có được cấu hình dạng cầu cho trên hình 1.7. Thuật ngữ cấu hình dạng cầu xuất phát từ việc ta dùng ba biến khớp đầu tiên như là tọa độ cầu để xác định vị trí của khâu cuối đối với hệ tọa độ có gốc là giao điểm của trục Z1 và Z2. Hình 1.8 trình bày robot Standford, một trong các robot cầu nổi tiếng. Không gian làm việc của tay máy cầu được cho trên hình 1.9.
Hình 1.7: Sơ đồ tay máy cầu
Hình 1.8: Tay máy Standford
Hình 1.9: Không gian làm việc robot cầu
Robot SCARA (Selective Compliant Articulated Robot for Assembly)
Robot SCARA là một cấu hình phổ biến được thiết kế cho các công việc lắp ráp (hình 1.10). Dù SCARA có cấu trúc RRP như robot cầu, nó lại rất khác với robot cầu cả về hình dáng bên ngoài và phạm vi ứng dụng. Không như thiết kế cầu, có Z0, Z1, Z2 vuông góc với nhau, robot SCARA có Z0, Z1, Z2 song song nhau. Hình 1.11 cho thấy tay máy SCARA Epson E2L653S. Không gian làm việc của tay máy SCARA được cho trên hình 1.12.
Hình 1.10: Cấu hình tay máy SCARA
Hình 1.11: Tay máy SCARA Epson E2L653S
Hình 1.12: Không gian làm việc robot SCARA
Robot trụ (Cylindrical configuration, RPP)
Sơ đồ cấu hình robot trụ được cho trên hình 1.13. Khớp đầu tiên là khớp quay tạo góc quay quanh nền, trong khi khớp thứ hai và thứ ba là khớp trượt. Các biến khớp xác định tọa độ trụ cho khâu cuối đối với hệ tọa độ nền. Tay máy dạng trụ Seiko RT3300 được cho trên hình 1.14 với không gian làm việc được cho trên hình 1.15.
Hình 1.13: Sơ đồ robot trụ
Hình 1.14: Robot Seiko RT3300
Hình 1.15: Không gian làm việc của robot trụ
Robot Decart
Robot Decart có ba khớp đầu tiên là khớp trượt như trên hình 1.16. Các biến khớp xác định tọa độ Decart cho khâu tác động cuối đối với hệ tọa độ nền. Mô tả động học của tay máy này là đơn giản nhất trong tất các cấu hình đã nêu. Cấu hình này thích hợp cho các ứng dụng lắp ráp trên mặt bàn, như robot gantry, dùng để vận chuyển vật liệu hay hàng hóa. Một ví dụ về robot này là robot Epson-Seiko cho trên hình 1.17. Không gian làm việc của tay máy Decart được cho trên hình 1.18.
Hình 1.16: Sơ đồ robot Decart
Hình 1.17: Robot Decart của Epson
Hình 1.18: Không gian làm việc tay máy Decart
Tay máy song song
Hình 1.19: Robot song song ABB IRB940 Tricept
Tay máy song song có các khâu tạo thành chuỗi kín. Cụ thể, một tay máy song song có hai hay nhiều hơn hai chuỗi động học độc lập liên kết với nền đối với khâu cuối. Hình 1.19 cho thấy robot song song IRB 940 Tricept của hãng ABB. Chuỗi động học kín của robot song song có thể cho một cấu trúc cứng vững hơn, và như thế cho độ chính xác cao hơn, so với robot chuỗi hở. Mô tả động học của robot song song về cơ bản khác với các robot có khâu nối tiếp và như vậy phương pháp phân tích cũng khác.
Robot dạng khớp quay (Articulated manipulator, RRR)
Hình 1.3: Sơ đồ tay máy dạng ba khớp quay
Robot khớp quay có ba khớp đầu tiên đều là khớp quay (RRR), có dạng như cánh tay người. Cấu trúc và ký hiệu của tay máy dạng khớp quay được cho trên hình 1.3. Không gian làm việc của robot loại này được cho trên hình 1.4. Robot khớp quay KUKA KR 240 được cho trên hình 1.5. Một dạng thiết kế khớp quay phổ biến khác là cơ cấu hình bình hành như trên hình 1.6.
Hình 1.4: Không gian làm việc tay máy dạng khớp quay
Hình 1.5: Tay máy KUKA KR 240
Trong cả hai thiết kế, trục khớp Z2 song song với Z1 và cả Z1 và Z2 đều vuông góc với Z0. Cấu trúc robot khớp quay cho chuyển động tự do lớn trong một không gian nhỏ. Cơ cấu hình bình hành, dù ít linh hoạt hơn tay máy ba khớp quay độc lập, nhưng có nhiều ưu điểm hấp dẫn và phổ biến trong các thiết kế robot. Đặc tính đáng kể nhất của cơ cấu hình bình hành là động cơ tác động quay cho khớp 3 được bố trí trên khâu 1 nằm phía dưới robot, vì thế khối lượng động cơ chịu trên khâu 1, khâu 2 và khâu 3 được nhẹ hơn và như vậy ta có thể dùng động cơ công suất thấp hơn. Hơn nữa, bài toán động lực học của tay máy dạng hình bình hành đơn giản hơn các tay máy dạng 3 khớp độc lập, do đó tay máy này dễ điều khiển hơn.
Hình 1.6: So sánh tay máy có cấu trúc bình hành
Robot dạng cầu (Spherical configuration, RRP)
Bằng cách thay thế khớp thứ ba (khớp khỉu tay) của cấu hình dạng ba khớp quay ở mục trên bằng một khớp trượt ta có được cấu hình dạng cầu cho trên hình 1.7. Thuật ngữ cấu hình dạng cầu xuất phát từ việc ta dùng ba biến khớp đầu tiên như là tọa độ cầu để xác định vị trí của khâu cuối đối với hệ tọa độ có gốc là giao điểm của trục Z1 và Z2. Hình 1.8 trình bày robot Standford, một trong các robot cầu nổi tiếng. Không gian làm việc của tay máy cầu được cho trên hình 1.9.
Hình 1.7: Sơ đồ tay máy cầu
Hình 1.8: Tay máy Standford
Hình 1.9: Không gian làm việc robot cầu
Robot SCARA (Selective Compliant Articulated Robot for Assembly)
Robot SCARA là một cấu hình phổ biến được thiết kế cho các công việc lắp ráp (hình 1.10). Dù SCARA có cấu trúc RRP như robot cầu, nó lại rất khác với robot cầu cả về hình dáng bên ngoài và phạm vi ứng dụng. Không như thiết kế cầu, có Z0, Z1, Z2 vuông góc với nhau, robot SCARA có Z0, Z1, Z2 song song nhau. Hình 1.11 cho thấy tay máy SCARA Epson E2L653S. Không gian làm việc của tay máy SCARA được cho trên hình 1.12.
Hình 1.10: Cấu hình tay máy SCARA
Hình 1.11: Tay máy SCARA Epson E2L653S
Hình 1.12: Không gian làm việc robot SCARA
Robot trụ (Cylindrical configuration, RPP)
Sơ đồ cấu hình robot trụ được cho trên hình 1.13. Khớp đầu tiên là khớp quay tạo góc quay quanh nền, trong khi khớp thứ hai và thứ ba là khớp trượt. Các biến khớp xác định tọa độ trụ cho khâu cuối đối với hệ tọa độ nền. Tay máy dạng trụ Seiko RT3300 được cho trên hình 1.14 với không gian làm việc được cho trên hình 1.15.
Hình 1.13: Sơ đồ robot trụ
Hình 1.14: Robot Seiko RT3300
Hình 1.15: Không gian làm việc của robot trụ
Robot Decart
Robot Decart có ba khớp đầu tiên là khớp trượt như trên hình 1.16. Các biến khớp xác định tọa độ Decart cho khâu tác động cuối đối với hệ tọa độ nền. Mô tả động học của tay máy này là đơn giản nhất trong tất các cấu hình đã nêu. Cấu hình này thích hợp cho các ứng dụng lắp ráp trên mặt bàn, như robot gantry, dùng để vận chuyển vật liệu hay hàng hóa. Một ví dụ về robot này là robot Epson-Seiko cho trên hình 1.17. Không gian làm việc của tay máy Decart được cho trên hình 1.18.
Hình 1.16: Sơ đồ robot Decart
Hình 1.17: Robot Decart của Epson
Hình 1.18: Không gian làm việc tay máy Decart
Tay máy song song
Hình 1.19: Robot song song ABB IRB940 Tricept
Tay máy song song có các khâu tạo thành chuỗi kín. Cụ thể, một tay máy song song có hai hay nhiều hơn hai chuỗi động học độc lập liên kết với nền đối với khâu cuối. Hình 1.19 cho thấy robot song song IRB 940 Tricept của hãng ABB. Chuỗi động học kín của robot song song có thể cho một cấu trúc cứng vững hơn, và như thế cho độ chính xác cao hơn, so với robot chuỗi hở. Mô tả động học của robot song song về cơ bản khác với các robot có khâu nối tiếp và như vậy phương pháp phân tích cũng khác.
T
@spy viết:
Tôi cũng nghiên cứu về robot, hiện giờ tôi đang tập trung nghiên cứu cánh tay máy 6-dof(kuka). Bạn đã đạt được những kết quả gì trong tính toán & mô phỏng robot. Hiện nay tôi đã giải được bài toán động học thuận & ngược cho cánh tay máy 6 dof(bài toán ngược tôi dùng pp số), đã tính được cho cả vị trí, vận tốc & gia tốc. Hiện tôi đang nghiên cứu giải bài toán động lực học, mục tiêu của tôi là viết chương trình mô phỏng hoàn thiện cho cánh tay máy 6 dof và có thể giao tiếp điều khiển cánh tay máy thực.
Ðề: Kỹ Thuật Người Máy
Em cũng đang tìm quyển "Automatic Establishment of Kinematic, modelling and simulation of robots" của Nguyễn Thiện Phúc, Phạm Phú Lý, Phạm Đăng Phước.
Bác nào có thì share cho em với, mail của em là tusongcd@yahoo.com. Hay biết quyển này bán ở nhà sách nào thì chỉ giúp em. Chân thành cảm ơn.
Em cũng đang tìm quyển "Automatic Establishment of Kinematic, modelling and simulation of robots" của Nguyễn Thiện Phúc, Phạm Phú Lý, Phạm Đăng Phước.
Bác nào có thì share cho em với, mail của em là tusongcd@yahoo.com. Hay biết quyển này bán ở nhà sách nào thì chỉ giúp em. Chân thành cảm ơn.
Q