Đồ án nhập môn kỹ thuật hóa học năm 2024

1. KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN -- BÁO CÁO NHẬN THỨC Đề tài: “Robot” Học phần: Nhập môn kỹ thuật điện (EE1010) Mã lớp học: 74920 Giảng viên hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Họ và tên: Nguyễn Tiến Khang – 20132044 Nguyễn Văn Mạnh – 20132506 Nguyễn Đức Mạnh – 20132531 Phạm Xuân Ngọc – 20132800 Hà Nội, 2014
2. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 2 MỤC LỤC MỤC LỤC.................................................................................................................... 2 LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................. 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT................................................................. 5 1.1. Sơ lược quá trình phát triển ............................................................................ 5 1.2. Những ứng dụng điển hình của robot............................................................. 7 1.3. Phân loại robot................................................................................................ 10 1.3.1. Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động .......................... 10 1.3.2. Phân loại theo thiết kế................................................................................ 11 1.3.3. Phân loại theo bộ điều khiển...................................................................... 11 1.3.4. Phân loại theo nguồn dẫn động.................................................................. 12 1.3.5. Phân loại theo ứng dụng của robot ............................................................ 12 1.4. Xu hướng phát triển của robot...................................................................... 13 1.4.1. Robot điều dưỡng trợ giúp con người........................................................ 14 1.4.2. Robot cánh tay kép (competitive control robot) ........................................ 14 1.4.3. Robot đeo được.......................................................................................... 15 1.4.4. Robot gắp và chuyển động tốc độ cao cơ cấu song song .......................... 15 1.4.5. Robot có khả năng học hỏi tương tự như não người ................................. 16 1.4.6. Robot cứu hộ.............................................................................................. 16 CHƯƠNG 2. CẤU TẠO CỦA ROBOT.................................................................. 17 2.1. Tay máy (manipulator) .................................................................................. 17 2.1.1. Chế độ huấn luyện (teaching mode) .......................................................... 18 2.1.2. Chế độ tự động (auto mode) ...................................................................... 18 2.2. Bộ điều khiển robot......................................................................................... 18 2.2.1. Điều khiển lực............................................................................................ 19 2.2.2. Bộ xử lý trung tâm ..................................................................................... 19 2.2.3. Bộ nhớ........................................................................................................ 20 2.2.4. Bộ xuất/nhập .............................................................................................. 20 2.3. Nguồn dẫn động .............................................................................................. 20 2.3.1. Nguồn dẫn dầu ép ...................................................................................... 20 2.3.2. Nguồn dẫn truyền động khí nén................................................................. 20 2.3.3. Nguồn dẫn truyền động điện cơ................................................................. 21 2.3.4. Nguồn dẫn truyền động hỗn hợp................................................................ 21
3. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 3 CHƯƠNG 3. CÁC BÀI TOÁN VỀ ROBOT.......................................................... 22 3.1. Bài toán động học............................................................................................ 22 3.1.1 Động học thuận.............................................................................................. 22 3.1.2 Động học ngược ............................................................................................ 22 3.2. Bài toán tĩnh học ............................................................................................. 23 3.3. Bài toán động lực học ..................................................................................... 23 3.4. Bài toán điều khiển ......................................................................................... 23 3.1.1. Điều khiển thích nghi................................................................................. 23 3.1.2. Điều khiển tối ưu........................................................................................ 23 3.1.3. Điều khiển thông minh............................................................................... 23 3.5. Bài toán dò đường tránh vật cản................................................................... 24 KẾT LUẬN ................................................................................................................ 25 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 26 HÌNH VẼ Hình 1.1 - Robot 4 chân của hãng R.S Mosher và hãng General Electric.................. 5 Hình 1.2 - Xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunokohod 1......................................... 6 Hình 1.3 - Robot Shakey - robot đầu tiên nhận dạng đối tượng bằng camera............ 6 Hình 1.4 - Robot Unmation......................................................................................... 7 Hình 1.5 - Robot hàn ARC.......................................................................................... 7 Hình 1.6 - Robot gắp hàng - đóng gói bia................................................................... 8 Hình 1.7 - Robot sơn ô tô tự động............................................................................... 8 Hình 1.8 - Robot hàn điểm trong sản xuất xe hơi....................................................... 9 Hình 1.9 - Robot xếp chồng sản phẩm........................................................................ 9 Hình 1.10 - Robot rà phá bom mìn warrior 710.......................................................... 10 Hình 1.11 - Robot tự hành thám hiểm sao hỏa và mặt trăng ...................................... 10 Hình 2.1 - Các thành phân chính của một robot công nghiệp................................... 17 Hình 2.2 – Bộ điều khiển robot theo cấu trúc PC – based.......................................... 18
4. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 4 LỜI NÓI ĐẦU Năm 1961, Robot kỹ thuật số và được lập trình đầu tiên ra đời, có tên gọi Unimate, từ đó đến nay,ngành robot học không ngừng phát triển và chế tạo robot trở thành 1 ngành công nghiệp được chú trọng phát triển ở nhiều quốc gia, với sự đi đầu của các cường quốc như Mỹ, Nhật Bản….Ngày nay, robot có mặt trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống của con người: sản xuất, y tế, quân sự, hàng không vũ trụ,...Các robot thương mại và robot công nghiệp được sử dụng phổ biến để thực hiện các công việc với giá rẻ hơn, chính xác và đáng tin cậy hơn con người. Chúng cũng được sử dụng trong các công việc mà độ ô nhiễm cao, nguy hiểm, hoặc đơn điệu. Robot được sử dụng rộng rãi trong sản xuất, lắp ráp, đóng gói và mở gói, vận chuyển, và thăm dò không gian cũng như lòng đất, phẫu thuật, chế tạo vũ khí, nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, dây chuyền sản xuất hàng loạt…..Ngoài ra, còn có các robot phục vụ các nhu cầu khác của con người như: giải trí, giúp việc, hỗ trợ người khuyết tật….Hiện nay các loại robot đang không ngừng được hoàn thiện và chế tạo mới nhằm hướng tới mục tiêu robot có khả năng tư duy như con người, chính vì vậy mà phạm vi ứng dụng của robot không ngừng mở rộng trong mọi lĩnh vực, đặc biệt là thay thế con người trong sản xuất, tăng năng suất lao động. Trước những yêu cầu đòi hỏi bức thiết của việc ứng dụng robot vào thực tiễn cuộc sống, nhóm chúng em đã thực hiện tìm hiểu tổng quan về lịch sử phát triển, cấu tạo,các bài toán và ứng dụng của robot. Từ đó, chúng em đã có cái nhìn tổng quát nhất về ngành robot học,cũng như có thêm những kiến thức mới về ngành kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa. Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của TS Dương Minh Đức trong suốt thời gian thực hiện báo cáo này. Với sự giúp đỡ tận tình đó két hợp cùng sự nỗ lực cố gắng của cả nhóm, chúng em đã hoàn thành báo cáo này. Tuy nhiên, do hạn chế về chuyên môn, kiến thức chưa sâu nên bản báo cáo có thể sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em xin chân thành tiếp thu những ý kiến chỉ bảo đóng góp của thầy để bài báo cáo sẽ hoàn thiện tốt hơn. Xin chân thành cảm ơn! Nhóm sinh viên thực hiện báo cáo
5. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1.1. Sơ lược quá trình phát triển Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân xưởng sản xuất. Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở trên NewYork vào ngày 09/10/1922 trong vở “Rossum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek viết năm 1921, còn từ robot là cách gọi tắt của từ robota - theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch. Những robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào những ứng dụng trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy. Vào năm 1948, nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cử hành trình. Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối. Sử dụng những thành quả đó, vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc khảo sát đáy biển. Năm 1968 R.S. Mosher, thuộc hãng General Electric, đã chế tạo một thiết bị biết đi có bốn chân, có chiều dài hơn 3m, nặng 1.400kg, sử dụng động cơ đốt trong có công suất gắn 100 mã lực (hình 1.1) Hình 1.1. Robot 4 chân của hãng R.S Mosher và hãng General Electric Cũng trong lĩnh vực này, một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạt được vào năm 197G là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1 được điều khiển từ trái đất (hình 1.2).
6. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 6 Hình 1.2. Xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunokohod 1 Viện nghiên cứu thuộc Trường Đại học Stanford vào năm 1969 đã thiết kế robot Shakey di động tinh vi hơn để thực hiện những thí nghiệm về điều khiển sử dụng hệ thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tượng (hình 1.3). Robot này được lập trình trước để nhận dạng đối tượng bằng camera, xác định đường đi đến đối tượng và thực hiện một số tác động trên đối tượng. Hình 1.3. Robot Shakey - robot đầu tiên nhận dạng đối tượng bằng camera Năm 1952 máy điều khiển chương trình số đầu tiên ra đời tại Học Viện Công nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ). Trên cơ sở đó năm 1954, George Devol đã thiết kế robot lập trình với điều khiển chương trình số đầu tiên nhờ một thiết bị do ông phát minh được gọi là thiết bị chuyển khớp được lập trình. Joseph Engelberger, người mà ngày nay thường được gọi là cha đẻ của robot công nghiệp, đã thành lập hãng Unimation sau khi mua bản quyền thiết bị của Devol và sau đó đã phát triển những
7. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 7 thế hệ robot điều khiển theo chương trình. Năm 1962, robot Unmation đầu tiên được đưa vào sử dụng tại hãng General Motors; và năm 1976 cánh tay robot đầu tiên trong không gian đã được sử dụng trên tàu thám hiểm Viking của cơ quan Không Gian NASA của Hoa Kỳ để lấy mẫu đất trên sao Hoả (hình 1.4) Hình 1.4. Robot Unmation 1.2. Những ứng dụng điển hình của robot Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Những ứng dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn. Một trong những công việc kém năng suất nhất của con người là rèn kim loại ở nhiệt độ cao. Các công việc này đòi hỏi công nhân di chuyển phôi có khối lượng lớn với nhiệt độ cao khắp nơi trong xưởng. Việc tuyển dụng công nhân làm việc trong môi trường nhiệt độ cao như vậy là một vấn đề khó khăn đối với ngành công nghiệp này, và robot ban đầu đã được sử dụng để thay thế công nhân làm việc trong điều kiện môi trường ngặt nghèo như trong lò đúc, xưởng rèn, và xưởng hàn. Đối với robot thì nhiệt độ cao lại không đáng sợ. Hình 1.5. Robot hàn ARC1 1 ABB Robotics
8. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 8 Hình 1.6 - Robot gắp hàng - đóng gói bia2 Hình 1.7 - Robot sơn ô tô tự động3 2 ABB Robotics 3 ABB Robotics
9. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 9 Hình 1.8 - Robot hàn điểm trong sản xuất xe hơi4 Hình 1.9 - Robot xếp chồng sản phẩm5 4 New China Factory Auto Tech 5 ABB Robotics
10. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 10 Hình 1.10 - Robot rà phá bom mìn warrior 7106 Hình 1.11 – Robot tự hành thám hiểm sao hỏa và mặt trăng7 Robot còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nữa như phục vụ cho máy công cụ, làm khuôn trong công nghiệp đồ nhựa, gắn kính xe hơi, dò phá bom mìn, làm bánh,… 1.3. Phân loại robot 1.3.1. Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động 1. Robot toạ độ vuông góc (cartesian robot) 2. Robot toạ độ trụ (cylindrical robot) 3. Robot toạ độ cầu (spherical robot) 4. Robot khớp bản lề (articular robot) 6 www.irobot.com 7 Internet
11. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 11 1.3.2. Phân loại theo thiết kế Theo quá trình phát triển của robot, ta có thể chia ra theo các mức độ sau đây: 1. Robot thế hệ thứ nhất: Bao gồm các dạng robot hoạt động lặp lại theo một chu trình không thay đổi (playback robots), theo chương trình định trước. Chương trình ở đây cũng có hai dạng; chương trình “cứng” không thay đổi được như điều khiển bằng hệ thống cam và điều khiển với chương trình có thể thay đổi theo yêu cầu công nghệ của môi trường sử dụng nhờ các panel điều khiển hoặc máy tính. 2. Robot thể hiện thứ hai Trong trường hợp này robot được trang bị các bộ cảm biến (sensors) cho phép cung cấp tín hiệu phản hồi hỗ trợ lại hệ thống điều khiển về vị trí, trạng thái không gian của robot cũng như những thông tin về môi trường bên ngoài như trạng thái, vị trí của đối tượng thao tác, của các máy công nghệ mà robot phối hợp, nhiệt độ của môi trường, v.v... giúp cho bộ điều khiển có thể lựa chọn những thuật toán thích hợp để điều khiển robot thực hiện những thao tác xử lý phù hợp. 3. Robot thế hệ thứ ba Đây là dạng phát triển cao nhất của robot tự cảm nhận. Các robot ở đây được trang bị những thuật toán xử lý các phản xạ logic thích nghi theo những thông tin và tác động của môi trường lên chúng; nhờ đó robot tự biết phải làm gì để hoàn thành được công việc đã được đặt ra cho chúng. Hiện nay cũng đã có nhiều công bố về những thành tựu trong lĩnh vực điều khiển này trong các phòng thí nghiệm và được đưa ra thị trường dưới dạng những robot giải trí có hình dạng của các động vật máy. 4. Robot thế hệ thứ tư Bao gồm các robot sử dụng các thuật toán và cơ chế điều khiển thích nghi (adaptively controlled robot) được trang bị bước đầu khả năng lựa chọn các đáp ứng tuân theo một mô hình tính toán xác định trước nhằm tạo ra những ứng xử phù hợp với điều kiện của môi trường thao tác. 5. Robot thế hệ thứ năm Là tập hợp những robot được trang bị trí tuệ nhân tạo (artificially intelligent robot). 1.3.3. Phân loại theo bộ điều khiển 1. Robot gắp - đặt: Robot này thường nhỏ và sử dụng nguồn dẫn động khí nén. Bộ điều khiển phổ biến là bộ điều khiển lập trình (PLC) để thực hiện điều khiển vòng hở. Robot hoạt động căn cứ vào các tín hiệu phản hồi từ các tiếp điểm giới hạn hành trình cơ khí đặt trên các trục của tay máy.
12. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 12 2. Robot đường dẫn liên tục Robot loại này sử dụng bộ điều khiển servo thực hiện điều khiển vòng kín. Hệ thống điều khiển liên tục là hệ thống trong đó robot được lập trình theo một đường chính xác. Trong hệ thống điều khiển này, đường dẫn được biểu điễn bằng một loạt các điểm rời rạc gần nhau và được lưu vào bộ nhớ robot, sau đó robot sẽ thực hiện lại chính xác đường dẫn đó. 1.3.4. Phân loại theo nguồn dẫn động 1. Robot dùng nguồn cấp điện Nguồn điện cấp cho robot thường là DC để điều khiển động cơ DC. Hệ thống dùng nguồn AC cũng được chuyển đổi sang DC. Các động cơ sử dụng thường là động cơ bước, động cơ DC servo, động cơ AC servo. Robot loại này có thiết kế gọn, chạy êm, định vị rất chính xác. Các ứng dụng phổ biến là robot sơn, hàn. 2. Robot dùng nguồn khí nén Hệ thống cán được trang bị máy nén, bình chứa khí và động cơ kéo máy nén. Robot loại này thường được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng nhỏ có tay máy là các xy - lanh khí nén thực hiện chuyển động thẳng và chuyển động quay. Do khí nén là lưu chất nén được nén, robot loại này thường được sử dụng trong các thao tác gắp đặt không cần độ chính xác cao. 3. Robot dùng nguồn thuỷ lực Nguồn thuỷ lực sử dụng lưu chất không nén được là dầu ép. Hệ thống cần trang bị bơm để tạo áp lực dầu. Tay máy là các xy - lanh thuỷ lực chuyển động thẳng và quay động cơ dầu. robot loại này được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng lớn 1.3.5. Phân loại theo ứng dụng của robot 1. Human robot Robot hình người được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như giải trí, y tế, dịch vụ…Đặc điểm của loại robot này là chúng sở hữu khuôn mặt và tay giống như con người, có khả năng thực hiện những chuyển động tương tự như còn người, đặc biệt một số loại robot còn có khả năng nhảy, giao tiếp thông minh với con người. Sau đây là một vài ví dụ: Hình 1.12. Robot phục vụ quán ăn Hình 1.13. Robot nhảy
13. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 13 2. Finger robot Chứa một ngân hàng tích hợp của 40 chuyển động cơ bắp mà làm cho nó di chuyển. Các cơ được tuân thủ, cho phép cầm tay được sử dụng trên các đối tượng mềm hoặc dễ vỡ, và quan trọng hơn là làm cho các tay an toàn trong việc sử dụng với con người. cung cấp 24 động tác, cho phép ánh xạ trực tiếp từ một con người với robot. là khả năng nắm giữ trọng lượng của nó khoảng 3.9kg. 3. Under water robot Robot dưới nước là một trong số những loại robot có nhiều ứng dụng nhất trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học, tìm kiếm, cứu hộ. Với khả năng lặn sâu dưới nưới đến hàng nghìn mét, gửi những hình ảnh chi tiết về trung tâm điều khiển, rõ ràng đây là loại robot hữu dụng khi thay thế con người thực hiện những công việc nguy hiểm dưới nước. Ví dụ như robot AUQUA2 có thể di chuyển trên đất liền cũng như bơi lội và lặn dưới nước phục vụ cho công việc khám khoa học. 1.4. Xu hướng phát triển của robot Trên thế giời hiện nay, công nghệ robot đang thay thế con người ở nhiều ngành nghề hơn, ở nhiều quốc gia hơn. Những chú robot lớn nhỏ, không chỉ là các nhân vật trong phim khoa học viễn tưởng nữa mà đang trở thành một phần không thể thiếu của các nền kinh tế: từ làm nông cho đến bác sĩ phẫu thuật…hay kể cả nhân viên đánh trống trong ban nhạc. Các công nghệ cơ bản đằng sau các sản phẩm này đã được đề xuất từ nhiều năm trước, nhưng trong một thời gian chúng chỉ phục vụ cho những thị trường chuyên biệt. Tuy nhiên, có vẻ như đột nhiên các công nghệ này trở thành chủ đạo và các công ty khác nhau đang xây dựng các sản phẩm mới dựa trên cùng một dải ý tưởng. Sau đây là một vài xu hướng đáng chú ý trong những năm gần đây.
14. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 14 1.4.1. Robot điều dưỡng trợ giúp con người EU hiện đang phát triển dự án robot có khả năng theo dõi và chăm sóc sức khỏe người già nhằm cắt giảm chi phí điều dưỡng của một lục địa vốn đang già hóa. Dự án hiện đang được thí điểm tại thành phố Rome. 1.4.2. Robot cánh tay kép (competitive control robot) Con người (và nhiều loài linh trưởng khác) sử dụng hai cánh tay để thực hiện các thao tác phức tạp, nhưng robot công nghiệp trong một thời gian rất dài chỉ đặc trưng với một cánh tay. Lập luận đưa ra nếu bạn cần dùng hai cánh tay, chỉ cần mua và gắn chúng cạnh nhau. Việc sử dụng hai cánh tay, chỉ được đưa ra dưới dạng một gói mở rộng. Tuy nhiên, có vẻ như cộng đồng robot công nghiệp đã thay đổi suy nghĩ của mình trong vài năm qua. Việc sử dụng hai cánh tay sẽ cho phép tiến hành các thao tác phức tạp hơn khi thực hiện nhiệm vụ, giống xu hướng tự nhiên của con người. Ví dụ về robot từ Nachi và từ ABB.
15. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 15 1.4.3. Robot đeo được Các sản phẩm thông minh đeo được (wearable) đang trở nên phổ biến và nó cũng thành một xu hướng phát triển của robot. Có rất nhiều loại khác nhau, từ màn hình đến thiết bị bổ trợ, hay cao hơn là bộ xương ngoài. Một số robot nhắm mục tiêu vật lý trị liệu phục hồi chức năng, hồi phục chấn thương vận động. Một số robot được nhắm vào thị trường công nghệ hỗ trợ. Có vẻ như ngành công nghiệp robot đã kết hợp cơ cấu truyền động hiệu quả cao, vật liệu cấu trúc nhẹ, và các công nghệ pin mới để tạo ra một sản phẩm hữu ích. Có ít nhất bốn bộ xương ngoài khác nhau và các thiết bị trợ giúp tại IREX. Dưới đây là hai ví dụ: Thiết bị hỗ trợ di chuyển Honda và bộ giáp robot HAL từ Cyberdyne. 1.4.4. Robot gắp và chuyển động tốc độ cao cơ cấu song song
16. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 16 Robot gắp và chuyển tốc độ cao dựa trên chuyển động song song có vẻ đang được các công ty lớn đón nhận. Robot này hết sức phù hợp với không gian làm việc nhỏ, công việc có tính lặp lại cao, và khả năng tải mở rộng. Các robot đang mang lại tốc độ tương đương với các phần cứng dựa trên hệ thống cố định, nhưng linh hoạt hơn rất nhiều và có thể lập trình tự động hóa. Có ít nhất nửa tá robot dạng này, ví dụ ABB FlexPicker và robot gắp - chuyển của FANUC. 1.4.5. Robot có khả năng học hỏi tương tự như não người Tại hội nghị Uplinq vừa mới diễn ra ở Mỹ, Qualcomm đã trình diễn hai chú robot mang tên Snapdragon Rover vàSnapdragon Micro Rover. Chiếc Snapdragon Rover có thể nhận biết được những vật thể mà nó "nhìn thấy" thông qua camera tích hợp cảm biến chiều sâu, kết hợp với đó là bộ xử lí Qualcomm Zeroth có khả năng học hỏi như não người. 1.4.6. Robot cứu hộ Trong tương lai, các đội cứu hộ có sự phối hợp giữa con người và robot sẽ là lực lượng phản ứng nhanh nhất khi xảy ra thiên tai như động đất, sóng thần... Với vai trò hỗ trợ hoạt động cứu hộ, các robot sẽ đảm nhiệm các phần việc khó khăn như "xông pha" vào những nơi nguy hiểm trong khi các nhân viên cứu hộ sẽ phụ trách phần việc ở những chỗ an toàn hơn. Cũng theo ông Pratt, khi "đồng hành" cùng các chuyên gia, các robot sẽ hoạt động hiệu quả hơn là khi hoạt động riêng lẻ.
17. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 17 CHƯƠNG 2. CẤU TẠO CỦA ROBOT Về mặt truyền động và điều khiển, robot được cấu tạo từ các khối cấu trúc cơ khí hoạt động nhờ các cơ cấu tác động. Các cơ cấu tác động này có thể hoạt động phối hợp với nhau để thực hiện những công việc phức tạp dưới sự điều khiển của một bộ phận có cấu tạo như máy tính, còn gọi là những bộ điều khiển PC - based. Với những đặc điểm về cấu tạo và hoạt động thì robot thường được sử dụng trong các hệ thống sản xuất linh hoạt dạng workcell (FMS - Flexoble Manufacturing Systems) và các hệ thống sản xuất tích hợp máy tính (CIM - Computer Integrated Manufacturing). Càng ngày các dây chuyền sản xuất tự động có sử dụng robot thay thế dần các dây chuyền sản xuất tự động với chương trình hoạt động “cứng” trước đây. Về mặt kết cấu, robot được chế tạo rất khác biệt nhau, nhưng chúng được xây dựng từ các thành phần cơ bản như nhau. (hình 2.1): Hình 2.1 Các thành phân chính của một robot 2.1. Tay máy (manipulator) Tay máy có thể gọi là cánh tay cơ khí của robot công nghiệp thông thường là một chuỗi động hở được tạo thành từ nhiều khâu được liên kết với nhau nhờ các khớp động. Khâu cuối (hay khâu tác động cuối) của tay máy thường có dạng một tay gắp hoặc được gắn dụng cụ công tác. Mỗi khâu động trên tay máy có nguồn dẫn động riêng, năng lượng và chuyển động truyền đến cho chúng được điều khiển trên cơ sở tín hiệu nhận được từ bộ phận phản hồi là các cảm biến nhằm thông báo trạng thái hoạt động của các khâu chấp hành, trong đó vấn đề được đặc biệt quan tâm là vị trí và Người dùng Interface Điều khiển Điều khiển công suất Cơ cấu chấp hành Khung cơ khí Cảm biến
18. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 18 vận tốc dịch chuyển của khâu cuối - khâu thể hiện kết quả tổng hợp các chuyển động của các khâu thành phần. Robot công nghiệp thường có hai chế độ hoạt động: 2.1.1. Chế độ huấn luyện (teaching mode) Chế độ này còn gọi là chế độ lập trình. Ở chế độ hoạt động này chương trình thao tác của robot sẽ được người sử dụng “ước định” bằng những bước chương trình; có nghĩa là, mỗi bước chương trình sẽ được nhập vào bộ điều khiển robot bằng những công cụ khác nhau được trang bị kèm theo như pa-nen lập trình và điều khiển (teach pendant), bộ mô phỏng (simulator hoặc makette) hoặc bàn phím trong trường hợp điều khiển trực tiếp bằng máy tính. 2.1.2. Chế độ tự động (auto mode) Chế độ này còn gọi là chế độ tự động thực hiện thao tác công nghệ. Ở chế độ này, khi có tín hiệu khởi động, dựa theo dữ liệu của chương trình gồm các bước tuần tự lưu trong bộ nhớ đã được thiết lập trong chế độ huấn luyện, tay máy sẽ ‘tự động’ thực hiện chương trình quỹ đạo. 2.2. Bộ điều khiển robot Bộ điều khiển robot thường cấu thành từ các bộ phận cơ bản tương tự như máy tính (bộ điều khiển PC based) bao gồm bộ xử lý trung tâm, bộ nhớ và bộ xuất/nhập kết hợp với màn hình để hiển thị các lệnh khi lập trình và đồng thời theo dõi sự thay đổi toạ độ trong dịch chuyển của các khâu. Thiết bị xuất/nhập để máy tính nhận thông tin từ các bộ phận hỗ trợ lập trình, từ các cảm biến và chuyển tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu tác động vận hành các trục và đến các phần tử chấp hành bên ngoài có liên quan trong quá trình hoạt động của robot cũng như trao đổi thông tin, dữ liệu với các máy tính và bộ điều khiển khác. Hình 2.2. Bộ điều khiển robot theo cấu trúc PC – based
19. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 19 Khoa học về robot được phát triển nhanh chóng với các đặc điểm kỹ thuật tiên tiến của robot được thực hiện nhờ những bộ điều khiển mạnh. Mặc dù vậy, các robot thế hệ cũ chuyên thực hiện các công việc đơn giản vẫn còn được sử dụng khi vẫn còn có ích cho công việc sản xuất. 2.2.1. Điều khiển lực Điều khiển lực là trường hợp tổng quát của điều khiển quỹ đạo, vì đại đa số robot trong quá trình làm việc sẽ tiếp xúc vởi môt trường khi di chuyển theo một quỹ đạo đạt trước. Khi đó cần thiết xíiều khiển cả vị trí robot và lực robot sinh ra. Ví dụ các robot lắp ráp, đánh bóng, đóng và mở cửa. Hai phương pháp điều khiển lực đã được phát triển là: Điều khiển trở kháng (điều khiển độ nhún) và điều khiển hỗn hợp. Nguyên lý cơ bản của điều khiển trở kháng là điều khiển vị trí và lực bằng điều chỉnh trở kháng (độ nhún) của cơ cấu cơ khí tay robot phù hợp với ngoại lực tác dụng lên tay robot khi tiếp xúc với môi trường. Trở kháng cơ khí là một khái niệm biểu thị độ cứng của cơ cấu chống lại lực tác dụng lên nó. Điều khiển trở kháng gồm hai phương pháp: Phương pháp diều khiển trở kháng thụ động và chủ đông. Ở hệ thống điều khiển trở kháng thụ động, trở kháng cơ khí của bộ phận kẹp chi tiết của tay robot được điều chỉnh bằng các phần tử cơ khí như lò xo, bộ giảm chấn. Phương pháp điều khiển trở kháng tích cực thực hiện điều khiển trở kháng cơ khí theo hệ thống kín của cơ cấu chấp hành khớp với các tín hiệu phản hồi vị trí, tốc độ và lực... Điều khiển hỗn hợp gồm hai kênh điều khiển độc lập vị trí và lực. Các tín hiệu đầu ra của bộ diều chỉnh sẽ điều khiển cơ cấu chấp hành khớp bám theo quỹ đạo vị trí và sinh ra lực đạt trước. Hướng vị trí và lực được điều khiển tuỳ thuộc vào nhiệm vụ robot thực hiên trong đây chuyền sản xuất. 2.2.2. Bộ xử lý trung tâm Trung tâm của bộ điều khiển là CPU chịu trách nhiệm quản lý thông tin về bộ nhớ, quản lý xuất nhập, xử lý thông tin, tính toán và điều khiển và đưa ra các tín hiệu điều khiển cho bộ phận chuyển đổi tín hiệu. Ứng dụng CPU vào trong bộ điều khiển rất khác nhau đối với từng nhà sản xuất. Robot trở nên phổ biến từ khi các máy tính 8-bít như loại APPLE 2E trở nên thông dụng. Cho đến hiện nay người ta vẫn còn sử dụng các robot với bộ vi xử lý 8 bit như 6800 của MOTOROLA hay Z80 của ZILOG. Nhược điểm cơ bản của những bộ điều khiển đầu tiên này là bên cạnh vấn đề tốc độ xử lý chậm hơn những bộ vi xử lý hiện nay, chúng còn bị giới hạn ở dung lượng bộ nhơ mà chúng có thể gửi thông tin đến. Điều này làm giới hạn khả năng lập trình cũng như hạn chế một số vị trí trong vùng không gian làm việc mà robot phải nhớ trong chế độ huấn luyện.
20. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 20 2.2.3. Bộ nhớ Bộ nhớ dùng để lưu giữ chương trình và những thông tin phản hồi từ môi trường thao tác. Các máy tính 8-bit có thể gửi thông tin đến 64 KB bộ nhớ. Các máy tính 16- bit thường bị giới hạn ở 1 MB, trong khi đó các máy tính 42-bit có thể thực hiện việc gửi thông tin đến bộ nhớ 4 GB. Bộ nhớ này không chỉ dành cho người lập trình để lưu giữ chương trình. Các bộ nhớ ROM được cung cấp cho các robot chiếm giữ một phần bộ nhớ. Các chương trình xuất/nhập cơ bản nằm trong bộ nhớ ROM. Các chương trình này cho phép máy tính nhận và chuyển thông tin với các mạch giao tiếp của cảm biến, mạch giao tiếp của các cơ cấu tác động, mạch truyền thông nối tiếp, bàn phím, màn hình và các bộ điều khiển lập trình trong chế độ huấn luyện (teach pendants). 2.2.4. Bộ xuất/nhập Bộ xuất nhập dùng để đưa chương trình vào bộ xử lý và kiểm tra, theo dõi hoạt động trong quá trình thao tác. Cấu hình của bộ xuất/nhập thường bao gồm bàn phím, màn hình, các bo mạch được bố trí các cổng giao tiếp xuất/nhập dạng nối tiếp và song song và pa-nen điều hiển cũng được xem là một bộ phận xuất/nhập. 2.3. Nguồn dẫn động 2.3.1. Nguồn dẫn dầu ép Nguồn dẫn động thường được lắp bên cạnh tủ điều khiển. Trên các robot công nghiệp có thể sử dụng đồng thời nhiều nguồn dẫn động như điện, dầu ép, khí nén. Tuỳ theo dạng nguồn dẫn điện động được sử dụng trên robot mà cấu tạo của phần nguồn cung cấp có thể thay đổi rất đa dạng. Nguồn dẫn động cũng là một đặc điểm quan trọng khác của robot, nguồn dẫn động trong chừng mực nào đó ảnh hưởng đến không gian làm việc của robot. Ngoài ra việc thay đổi nguồn dẫn động (mà hiện nay được chế tạo theo từng cụm đặc trưng) sẽ giúp nhanh chóng thay đổi kiểu, dạng của robot để phục vụ cho những yêu cầu công việc khác nhau. Ta sẽ khảo sát những mẫu robot sử dụng các nguồn dẫn động đặc trưng này. 2.3.2. Nguồn dẫn truyền động khí nén Đây là loại có giá thành thấp nhất, thường dùng cho các thao tác lắp đặt chi tiết trên dây chuyền lắp ráp. Đặc điểm nổi bật của loại này là trang bị đơn giản (máy nén khí có áp lực thường dùng vào khoảng 620 Kpa) và dễ điều khiển. Việc thiết kế và lắp đặt loại robot này khá đơn giản do các chuyển động độc lập được thực hiện bởi các xy lanh riêng rẻ hay bởi các mô-đun khí nén chuyên dùng. Điểm cần lưu ý ở loại này là độ chính xác vị trí lặp lại thấp, nên trong hệ thống điều khiển người ta thường phải điều khiển gián tiếp qua bộ xử lý dao động vi sai nhằm dập tắt những dao động gây ra bởi các xung dao động bé tích luỹ ở cuối hành trình của các xy lanh khí nén.
21. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 21 2.3.3. Nguồn dẫn truyền động điện cơ Với những công việc đòi hỏi chính xác, loại robot với truyền động điện tỏ ra đắc dụng nhất vì chúng cho phép bảo đảm được độ chính xác dịch chuyển cao và khả năng thực hiện những thao tác phức tạp. Nguồn dẫn truyền động điện cơ được chia ra làm 2 nhóm đó là: - Nguồn dẫn truyền động điện cơ sử dụng động cơ điện - Nguồn dẫn truyền động điện cơ sử dụng động cơ bước Phần lớn các robot được sử dụng trên thị trường sử dụng nguồn dẫn là các động cơ điện. Nguồn dẫn điện có các đặc điểm là tác động khá nhanh, chính xác, sạch và êm. Động cơ điện cung cấp mômen quay tốt hơn các loại khác. Điểm khó khăn là khả năng tải hay mang tải của hệ thống này thấp hơn so với hệ thống thuỷ lực. 2.3.4. Nguồn dẫn truyền động hỗn hợp Trên thực tế người ta thường sử dụng những ưu điểm của từng loại truyền động một cách hợp lý vào từng bậc chuyển động của robot được thiết kế theo yêu cầu của khách hàng. Vì vậy, trên một robot thường gặp đồng thời nhiều dạng truyền động. Đặc biệt là ở tay gắp của robot các truyền dẫn rất đa dạng như khí nén hút chân không hay điện tử.
22. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 22 CHƯƠNG 3. CÁC BÀI TOÁN VỀ ROBOT 3.1. Bài toán động học Động học nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động mà không quan tâm đến nguyên nhân gây ra chúng như lực và mô men. Khoa học động học nghiên cứu về vị trí, vận tốc, gia tốc. Do đó, động học chỉ liên quan đến hình học và thời gian thay đổi của chuyển động. Sự thay đổi của các khâu của robot liên quan đến hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối cùng bởi sự ràng buộc của các khớp. Những quan hệ động học đó là trọng tâm của việc nghiên cứu động học robot. Việc nghiên cứu động học có hai vấn đề: Phân tích động học và Tổng hợp động học. Tuy nhiên vấn đề phân tích động học và tổng hợp động học luôn liên quan đến nhau. Tổng hợp động học chính là quá trình ngược lại của việc phân tích động học. Trong trường hợp này, nhà thiết kế cần đặt ra được những robot hay máy mới, điều đó đòi hỏi những thay đổi nhất định về mặt động học. Cụ thể, khi có các thông số vị trí, hướng(cùng vận tốc và gia tốc) của khâu chấp hành cuối cuối, chúng ta cần xác định các thay đổi tương ứng ở các khâu hoạt động và cấu trúc hình học của robot. 3.1.1 Động học thuận Bài toán thuận cho trước cơ cấu và quy luật của các yếu tố chuyển động thể hiện bằng các toạ độ động ta phải xác định quy luật chuyển động của điểm trên khâu tác động cuối nói riêng hoặc của điểm bất kỳ trên một khâu nào đó của robot nói chung trong hệ trục toạ độ vuông góc cố định (hệ trục toạ độ Descartes). Bài toán động học thuận ở robot có nội dung gần giống như bài toán Phân tích động học cơ cấu. 3.1.2 Động học ngược Bài toán động học ngược được đặc biệt quan tâm vì lời giải của nó là cơ sở chủ yếu để xây dựng chương trình điều khiển chuyển động của robot bám theo quĩ đạo cho trước. Các lời giải tìm được cho lớp bài toán này hầu như chỉ cho trường hợp riêng, các đặc điểm động học riêng biệt được tận dụng để thiết lập các quan hệ cần thiết khi thiết lập lời giải. Bài toán ngược cho trước cơ cấu và quy luật chuyển động của điểm trên khâu tác động cuối (hoặc quy luật chuyển động của khâu cuối bao gồm vị trí và hướng của nó) được biểu diễn trong hệ trục toạ độ vuông góc cố định, ta phải xác định quy luật chuyển động của các khâu thành viên thể hiện thông qua các toạ độ động. Thông thường bài toán thuận có lời giải duy nhất, trong khi đó bài toán ngược có vô số lời giải (bài toán vô định) khi cho trước quy luật chuyển động của điểm trên khâu tác động cuối bên trong vùng không gian hoạt động của robot. Riêng đối với các vị trí trên biên của vùng không gian hoạt động, trong một số trường hợp ta mới có lời giải duy nhất.
23. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 23 3.2. Bài toán tĩnh học Tĩnh học nghiên cứu quan hệ về lực ở trạng thái cân bằng của các phần thay đổi của robot. Mét robot có thể hoạt động nhờ tác động lực sinh ra từ các nguồn kích động khác nhau, như trọng lực, tải trọng, lực ma sát, lực quán tính... những lực này cần phải được xem xét cẩn thận khi thiết kế các robot bởi vì các thành phần của chúng có thể có trị số đáng kể và có thể làm cho robot không đảm bảo được các chức năng đã định. Lực cân bằng phụ thuộc vào cấu tạo và đặc điểm của robot mà không phụ thuộc vào thời gian. 3.3. Bài toán động lực học Động lực học nghiên cứu về giữa các lực tác dung vào cơ cấu và chuyển động của cơ cấu. Động lực học robot là vấn đề rất phức tạp. Một cách cụ thể, khâu chấp hành cuối cùng được truyền dẫn thông qua một đường dẫn với các thông số hoạt động chính xác. 3.4. Bài toán điều khiển 3.1.1. Điều khiển thích nghi Điều khiển thích nghi là bài toán tổng hợp bộ điều khiển nhằm luôn giữ chất lượng hệ thống được ổn định,cho dù có nhiễu không mong muốn tác động,có sự thay đổi cấu trúc hoặc tham số không biết trước của đối tượng điều khiển.Nguyên tắc hoạt động của hệ thống điều khiển thích nghi là mỗi khi có sự thay đổi của đối tượng,bộ điều khiển sẽ tự chỉnh định cấu trúc và tham số nhằm đảm bảo chất lượng hệ thống là không đổi. 3.1.2. Điều khiển tối ưu Điều khiển tối ưu là bài toán xác định và tạo lập những luật điều khiển cho hệ thống để hệ thống đạt được chỉ tiêu về tính hiệu quả đã được định trước(giá trị cực trị).Trạng thái tối ưu có đạt được hay không tùy thuộc vào yêu cầu chất lượng đặt ra,vào sự hiểu biết về đối tượng và các tác động lên đối tượng,vào điều kiện làm việc của hệ điều khiển…Trong thực tế có các bài toán tối ưu sau:bài toán tối ưu cực tiểu(sai lệch nhỏ nhất,tổn hao năng lượng nhỏ nhất,chi phí rẻ nhất,quãng đường đi ngắn nhất…), bài toán tối ưu cực đại(chất lượng cao nhất,hiệu quả lớn nhất….), bài toán tối ưu tác động nhanh(thời gian xảy ra quá trình ngắn nhất). 3.1.3. Điều khiển thông minh Thuật ngữ “ Điều khiển thông minh” đã được giới thiệu trong khoảng ba thập niên với các phương pháp điều khiển có mục tiêu tham vọng hơn so với các hệ thống truyền thống. Trong khi hệ thống truyền thống thường cần các chi tiết dù nhiều dù ít về quá trình điều khiển thì hệ thống điều khiển thông minh có thể điều khiển một cách tự chủ các hệ thống phức tạp, các quá trình chưa được hiểu biết nhiều thí dụ như về mục tiêu điều khiển.
24. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 24 Điều khiển mờ là 1 phương pháp điều khiển thông minh phỏng theo quá trình xử lí thông tin không rõ ràng và ra quyết định điều khiển của con người. Phương pháp này rất thích hợp để điều khiển các đối tượng phức tạp, không xác định được mô hình toán và các đối tượng phi tuyến. 3.5. Bài toán dò đường tránh vật cản Dò đường(navigation) là một khoa học(hay nghệ thuật) dẫn hướng cho robot tự hành di chuyển trong khong gian làm việc của nó (đất,nước,không khí…). Trong vấn đề dò đường, bài toán được quan tâm nhiều nhất có lẽ là tìm đường về đích mà không chạm vật cản trên đường đi. Có 2 loại bài toán tìm đường cho robot: bài toán cục bộ (local) và bài toán toàn cục (global). Trong bài toán toàn cục, bản đồ môi trường làm việc của robot hoàn toàn được biết trước, vấn đề chính phải giải quyết là tìm đường đi cho robot trước khi nó xuất phát. Ở bài toán cục bộ,môi trường làm việc của robot hoàn toàn không được biết trước hoặc chỉ biết được một phần, robot hoàn toàn phải nhờ vào sự cảm nhận môi trường thong qua cảm biến gắn trên nó để dò đường.
25. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 25 KẾT LUẬN Trải qua 3 tháng tìm hiểu dưới sự giúp đỡ của TS Dương Minh Đức, nhóm chúng em đã có những trải nghiệm mới lạ cũng như có những cái nhìn tổng quan về ngành học kỹ thuật Điều khiển -Tự động hóa nói chung và ngành robot nói riêng. Nhờ vậy chúng em đã có thêm những kinh nghiệm, kĩ năng làm việc nhóm cùng với những kiến thức nhất định về robot, đồng thời khơi gợi đam mê đối với ngành học,môn học, từ đó thúc đẩy chúng em có thêm động lực học tập, nghiên cứu trong trường học để tiếp thu kiến thức của các môn học sau này. Tuy nhiên, do sự hiểu biết và kiến thức còn hạn chế nên bản báo cáo không tránh khỏi tồn tại những thiếu sót, khuyết điểm. Chúng em xin chân thành cảm ơn TS Dương Minh Đức đã tận tình giúp đỡ chỉ bảo nhóm chúng em trong suốt thời gian thực hiện báo cáo này. Chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy để có thể bổ sung, hoàn thiện kiến thức của mình. Hà Nội, ngày 19 tháng 12 năm 2014
26. Đại học Bách Khoa Hà Nội GV Hướng dẫn: TS. Dương Minh Đức Báo cáo nhận thức, đề tài “Robot” Trang 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Springer Handbook of Robotics 2. https://www.youtube.com/channel/UCM_CsBtYQd5zVuYdwmNpT6g 3. https://www.qualcomm.com/robots 4. https://www.irobot.com

Đồ án nhập môn kỹ thuật hóa học năm 2024

Bài Viết Liên Quan

Quảng Cáo

Có thể bạn quan tâm

Toplist được quan tâm

Quảng cáo

Xem Nhiều

Quảng cáo

Chúng tôi

Điều khoản

Trợ giúp

Mạng xã hội