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

  • 130 trang
  • file .pdf
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 Trang
Lời nói đầu
Phần lý thuyết 2
Chương 1 Các vấn đề cơ bản trong công nghệ Robot 2
1.1. Các đặc điểm chung 2
1.2. Các bộ phận của Robot 2
1.2.1. Bộ thao tác 3
1.2.2. Bộ chấp hành 4
1.2.3. Nguồn nuôi. 4
1.2.4. Bộ điều khiển. 4
1.3. Bộ xương của Robot 12
1.4. Các thế hệ Robot 13
Chương 2. Hệ thống điều khiển. 15
2.1. Nguyên tắc hoạt động của Robot 15
2.1.1. Hoạt động của Robot nonservo 17
2.1.2. Hoạt động của Servo Robot. 18
2.2. Các yếu tố động của Robot 20
2.2.1. Độ ổn định 20
2.2.2. Độ phân giải điều khiển 22
2.2.3. Độ phân giải không gian 23
2.2.4. Độ chính xác tuyệt đối 24
2.2.5. Độ chính xác lặp lại 25
2.2.6. Độ mềm dẻo 27
Chương 3. Sensor 29
3.1. Các sensor của Robot 29
3.2. Phân loại các sensor. 29
3.2.1. Chức năng trình diễn. 30
3.2.2. Định vị và phát hiện. 30
3.2.3 Sự phóng xạ vật lý. 33
3.3. Vi chuyển mạch 34
3.4. Sensor cự ly gần (Proximity) 35
3.4.1. Sensor cảm ứng 35
3.4.2. Sensor hiệu ứng Hall 37
3.4.3. Sensor điện dung 38
3.4.4. Sensor siêu âm 40
3.4.5. Sensor quang cự ly gần (proximity). 41
3.5. Sensor xúc giác 41
3.5.1. Sensor nhị phân 42
3.5.2 Sensor tương tự 42
3.6 Sensor quang điện 43
Chương 4. Động học tay máy Robot 46
4.1. Cấu trúc cơ cấu tay máy 46
4.2. Vị trí của 1 điểm trên tay máy 46
4.2.1. Biến đổi toạ độ khi chuyển động quay. 47
4.2.2. Biến đổi toạ độ khi chuyển động tịnh tiến 48
4.2.3 Biểu diễn toạ độ trong hệ toạ độ đồng nhất 49
4.3. Phép quay tổng quát 50
4.4. Phương trình động học của Robot 56
4.4.1. Phép quay EULẼR 57
4.4.2. Phép quay Roll, Pitch, và Yaw 58
4 4.3 Xác đính vị trí 59
4.5. Thiết kế quỹ đạo Robot 62
4.5.1. Các khái niệm về bài toán quỹ đạo. 63
4.5.2. Quỹ đạo đa thức bậc 3 64
4.5.3. Quỹ đạo tuyến tính với cung ở hai đầu là Parabol LSPB 65
4.5.4. Quy đạo BANG BANG PARABOLIC BLEND (BBPB) 68
Phần Thực Nghiệm 70
5.1. Hexapod II PE Robot Kit 70
5.1.1. Chip vi điều khiển BASIC Stamp 2e 71
5.1.2. Mạch điều khiển servo nối tiếp s s c 75
5.1.3. Detector hồng ngoại cự ly gần (IRPD infrared Proximity Detector). 79
5.1.4. Mạch hiển thị tinh thể lỏng ILM-216. 82
5.1.5. Giới thiệu về ngôn ngữ BASIC STAMP 85
5.2. Điều khiển tay máy ED-7220. 97
5.2.1. Tay máy ED-7220. 97
5.2.2. Bộ điều khiển ED-MK4. 99
5.2.3. Xác định không gian làm việc và bài toán ngược củaED-7220C 100
Kết luận 106
Phụ [ục
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 ( l b ) = á p 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 Lô'ị vào không khí
Thanh pittông có tá c ^ ô n e kéo
Í L
5
ẹp
Kẹp
Lối vào không khí
Điếm dừng cố định khi co 2
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 áp suất (lb/in. )
Mã lực
1714
8
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 = ---------------------------------- =1/6 (sps) (bước góc)
số bước/độ phân giải
6 (rpm)
sps = ----------------------
góc bước
Mô tơ bước có thể đạt được 5000 sps khi mô men xoắn của lối ra là 6,25inch-
lbs. 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
d) e)
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
bị shock, vì vậy, để giảm shock cần các bộ hấp thụ shock ìock hoặc thêm vào các van
©AI HỌC OUGC GA H,ÀHỘI Ị
TRUNGTÁM THÒNG rift Ti-
17
V-