TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ CỦA CÁNH TAY MÁY BẰNG CÁCH THIẾT KẾ BỔ SUNG CƠ CẤU CÂN BẰNG ĐỐI TRỌNG
TÓM TẮT
Theo đà phát triển nhanh chóng của khoa học, Robot ngày càng được sử dụng phổ biến hơn trong sản xuất cũng như trong đời sống của con người. Robot đã chiếm một vị trí quan trọng khó có thể thay thế được, nó giúp con người làm việc với năng suất cao và đặc biệt trong các điều kiện khó khăn, nguy hiểm… Lĩnh vực Robot đang ngày càng chiếm được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và xã hội. Từ thực tế đó, việc tính toán năng lượng tiêu thụ cho Robot đã trở nên một yêu cầu thiết yếu. Những thách thức lớn đó là cần phải giảm mức năng lượng của robot xuống đến mức thấp nhất. Luận văn này tập trung vào việc tối ưu hoá năng lượng tiêu thụ của cánh tay robot bằng phương pháp thiết kế bổ sung cơ cấu cân bằng đối trọng. Khi đó năng lượng cung cấp cho robot hoạt động là ít nhất, góp phần làm giảm cả chi phí sản xuất và kinh doanh. Sau khi tính toán xong, tiến hành viết chương trình mô phỏng dùng phần mềm Matlab, tiến hành chạy mô phỏng kết hợp với thí nghiệm thực tế để kiểm chứng quá trình tiêu hao năng lượng và tính ổn định của phương pháp. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm được trình bày cho thấy hiệu quả của cơ cấu bổ sung
ABSTRACT
Nowadays, Robot is widely used in industry and human life. It has taken an important part and hardly to be replaced, it helps human to increase the yield and to work in dangerous or difficult conditions. For reaching a sustainable future, the reduction of consumed energy is very important. However, almost robotics working in industrial has not optimized energy. In this study, the consumed energy of robots was optimized to solve about disadvantages by adding a counterbalancing system that is a spring suspended between the rotating column and the link arm of the robot. The motion of the robot arm is a rotation of a rigid body about the fixed point described by the angle measured between the horizontal axis and the link arm. When the link arm is moved up and down this spring compensates a part of the weight of the robot arm and thus reduces the load on the motor actuating the second axis. The mathematical model and the consumed energy function of the robot arm with the counterbalancing system was used. The parameters of spring and the two connection points between spring and link arm and between spring and based arm are to be optimized using numerical optimization methods. The real model of the robot arm with the counterbalancing system was setup of testing. The results show that total consumed energy of robot strongly depends on the undeflected length l, the spring stiffness k and two connected point between spring and link arm and between spring and based arm. The optimal consumed energy by adding counterbalancing system is easily and efficiently and can be solved for all kind of robot. At the optimal solution, the consumed energy of robot can be reduced about 10% to 20% dependence on total mass of robot.
MỤC LỤC
Trang tựa Trang
Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học. i
Lời cam đoan. ii
Lời cảm ơn. iii
Tóm tắt luận văn. iv
Mục lục. vi
Danh sách các hình. ix
Danh sách cácbảng. xi
Chương 1. Tổng quan. 1
1.1. Đặt vấn đề. 1
1.2. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố.2
1.2.1 Vài nét lịch sử phát triển của robot và robot công nghiệp. 2
1.2.2 Robot và công nghệ cao. 2
1.2.3 Định nghĩa về robot công nghiệp. 5
1.2.4 Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước .......................................... 7
1.3 Mục đích của đề tàiError! Bookmark not defined.
1.4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu. 18
1.5 Kết quả dự kiến đạt được........................................................................................ 18
Chương 2. Cơ sở lý thuyết. 19
2.1 Bậc tự do của tay máy. 19
2.2 Tâm của hệ lực song song. 20
2.3 Trọng tâm của vật rắn. 22
2.4 Các định luật của Newton. 22
2.4.1 Các khái niệm cơ bản. 22
- 4.2. Các định luật của Newton............................................................................ 23
2.5 Phân tích vị trí trong chuyển động. 25
2.6 Phân tích vận tốc và gia tốc. 26
2.6.1 Giới thiệu. 26
- 6.2. Vận tốc của vật cứng..................................................................................... 28
2.6.3 Gia tốc của vật cứng. 29
- 7Mô men lực. 31
2.8 Mối quan hệ giữa moment, năng lượng và công suất………………………........32
Chương 3. Mô hình toán tay máy. 33
3.1 Đặt vấn đề. 33
3.2 Phân tích và giải quyết vấn đề:34
- 3Mô hình tay máy::36
Chương 4.Giải thuật tính toán và điều khiển. 39
4.1 Giải thuật tính toán:39
4.2 Bộ điều khiển động cơ:40
Chương 5. Kết quả. 41
Chương 6. Kết luận và hướng phát triển của đề tài45
6.1 Những kết quả đạt được. 45
6.2 Hạn chế của đề tài45
6.3 Hướng phát triển của đề tài45
Tài liệu tham khảo. 45
DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH TRANG
Hình 1.1 Robot hàn IRB 1410 ArcPack 3
Hình 1.2 Robot sơn tĩnh điện ABB IRB 2.400 4
Hình 1.3 Hình ảnh một số robot có cánh tay robot 17
Hình 2.1 Hệ lực song song 20
Hình 2.2 Khâu cứng phẳng với 2 nút 26
Hình 2.3 Tọa độ tham chiếu trực giao 27
Hình 3.1 Robot với hệ thống cân bằng đối trọng 33
Hình 3.2 Mô hình tay máy thực nghiệm 34
Hình 3.3Mô hình giản lược 35
Hình 3.4Trọng tâm C của robot 36
Hình 3.5Cơ cấu cân bằng đối trọng 37
Hình 4.1. Giải thuật tính toán 39
Hình 4.2. Điều khiển hồi tiếp 40
Hình 5.1. Kết quả tính toán 43
Hình 5.2. Góc quay yêu cầu 43
Hình 5.3. Chuyển động thực của tay robot so với yêu cầu 43
Hình 5.4. Năng lượng tiêu thụ của tay máy khi không có cơ cấu
cân bằng đối trọng 44
Hình 5.5. Năng lượng tiêu thụ của tay máy với cơ cấu cân bằng đối trọng 44
DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG TRANG
Bảng 1.1 Tóm tắt lịch sử phát triển của Robot 9
Bảng 5.1. Các thông số của tay máy 41
Bảng 5.2. Giá trị tính toán 41
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các thiết bị điện tử tự động hóa được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội. Nhờ vậy, nước ta đã có nhiều bước phát triển mạnh mẽ và cuộc sống nhân dân ngày càng được nâng cao về mọi mặt. Chúng ta dễ dàng nhận ra rằng, nhiều thành tựu to lớn đã đạt được đó là nhờ vào đường lối chính sách của Đảng và Nhà nước về đẩy mạnh công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước. Để thực hiện tốt nhiệm vụ này thì đòi hỏi sự tham gia đóng góp của toàn dân, nhưng bộ phận nòng cốt phải là giới trí thức, những người nghiên cứu khoa học. Hay nói một cách khác, xã hội đã giao một trọng trách khá lớn cho giới trí thức trong sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước.
Để thực hiện công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, chắc chắn cần phải nghiên cứu phát triển các thiết bị tự động để phục vụ cho các nhà máy, xí nghiệp hay sản xuất nông nghiệp… Trong đó Robot là một lĩnh vực mới mà ở nước ta đang nghiên cứu và từng bước chế tạo để ứng dụng vào quá trình sản xuất góp phần nâng cao năng suất lao động. Việc nghiên cứu và chế tạo robot nhằm đáp ứng vào nhu cầu thực tế của các dây chuyền sản xuất là hết sức cần thiết, vì Robot sử dụng được trong các môi trường có điều kiện khắc nghiệt như: áp suất, nhiệt độ cao; từ trường mạnh … giúp tăng năng suất và tiết kiệm sức lao động của con người.
1.2 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố.
1.2.1. Vài nét lịch sử phát triển của robot và robot công nghiệp
Nhìn ngược dòng thời gian chúng ta có thể nhận thấy rằng từ “Robot” đã xuất hiện từ khá lâu. Năm 1921 nhà viết kịch Karelcapek người Séc đã viết một vở kịch với tựa đề R.U.R (Rossums Universal Robot) mô tả về một cuộc nổi loạn của những cỗ máy phục dịch. Từ “Robot” ở đây có nghĩa là những máy móc biết làm việc như con người. Có lẽ đó cũng là một gợi ý cho những nhà sáng chế kỹ thuật thực hiện các mơ ước về những cỗ máy bắt chước được các thao tác lao động cơ bắp của con người.
Gần một thế kỷ tiếp theo, khái niệm robot đã liên tục được phát triển, đóng góp thêm bởi nhiều nhà nghiên cứu, nhiều công ty chuyên về lĩnh vực robot. Trước những năm 1970, người ta chỉ tập trung vào việc phát triển những robot tay máy hoạt động trong các nhà máy công nghiệp. Ngày nay, ngành công nghiệp Robot đã đạt được những thành tựu hết sức to lớn. Những tay máy được đặt trên một đế cố định, có thể di chuyển với tốc độ nhanh và chính xác để thực hiện các công việc có tính chất lặp đi lặp lại như hàn hoặc sơn .
Hình 1.1Giới thiệu robot hàn IRB 1410 ArcPack do Công ty ABB Việt Nam lắp đặt nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất quá trình hàn các kiện lắp ráp xe gắn máy tại Nhà máy sản xuất cơ khí Hải Hà. Một trong các tính năng nổi trội đó là khả năng tự khôi phục lỗi, theo đó robot có thể tự động tìm lại vị trí hàn bị lỗi để tiếp tục hàn. Điều này giúp tránh bị bỏ sót mối hàn khi hệ thống bị lỗi - điều mà chỉ có robot ABB có thể làm được. Một điểm khác đáng chú ý là tính năng AutoSave - robot tự động lưu lại các chương trình đang lập trình nếu xảy ra mất điện, do vậy giúp khách hàng tiết kiệm thời gian lập trình robot trong trường hợp bị mất điện.
(http://automation.net.vn/Robot-Robotics/ABB-lap-dat-robot-han-tai-nha-may-san-xuat-co-khi-Hai-Ha.html)
Hình 1.1 Robot hàn IRB 1410 ArcPack
Hình 1.2 giới thiệu Robot sơn tĩnh điện ABB IRB 2.400 là loại Robot sáu trục ABB điều khiển công suất hoạt động súng phun sơn, quy trình tráng men tự động của Công ty Electrolux tại Dudley Park, Nam Úc đã đảm bảo được tính nhất quán và độ bóng lớp mạ cao cấp cho hơn 2.000 sản phẩm/ngày. Robot sơn tĩnh điện ABB chính là giải pháp mang lại thành công cho Electrolux vì khi Robot sơn tĩnh điện ABB được trang bị vào dây chuyền sản xuất đã mang lại cho quy trình sản xuất của công ty nhiều lợi ích, tính linh hoạt, hiệu quả và chất lượng.
(http://automation.net.vn/Robot-Robotics/Electrolux-nang-cao-hieu-qua-san-xuat-bang-robot-son-tinh-dien-ABB.html)
Hình 1.2 Robot sơn tĩnh điện ABB IRB 2.400
Trong ngành công nghiệp điện tử, các cánh tay Robot có thể được sử dụng để lắp ráp linh kiện cho điện thoại di động và máy tính xách tay với độ chính xác của một siêu nhân.
Cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperator) ra đời và ngày một phát triển hoàn thiện. Teleoperator là những cơ cấu phỏng sinh học, nó bao gồm các khâu, các khớp cùng với các dây chằng gắn liền với hệ điều hành là cánh tay của người điều khiển thông qua các cơ cấu khuếch đại cơ khí. Teleoperator có thể cầm nắm, nâng hạ, dịch chuyển, xoay lật các đối tượng trong một không gian hoạt động nhất định. Tuy rằng các thao tác khá tinh vi, khéo léo nhưng tốc độ hoạt động chậm, lực tác dụng hạn chế và hệ điều khiển chỉ thuần tuý là cơ khí.
Từ thập kỷ 50, sự phát triển đầy hứa hẹn của kỹ thuật điều khiển theo chương trình số cứng và ngành vật liệu mới đã làm chỗ dựa vững chắc cho sự ra đời của các cơ cấu điều khiển vô cấp (servo mechanism) và các hệ điện toán (computation). Ngay lập tức ý tưởng kết hợp hệ điều khiển NC (Numerical control) với các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperator) được hình thành và triển khai nghiên cứu. Sự phối hợp tuyệt vời giữa khả năng linh hoạt khéo léo của Teleoperator với độ thông minh nhạy bén của hệ điều khiển NC đã đưa ra kết quả là một hệ máy móc tự động cao cấp với tên gọi “Robot”.
Năm 1961 người máy công nghiệp (IR- industrial Robot) đầu tiên được đưa ra thị trường. Tiếp theo đó các nước khác cũng bắt đầu sản xuất robot công nghiệp theo bản quyền của Mỹ, Anh (1967), Thụy Điển, Nhật (1968), Đức (1971) . . .
Ngày nay, trên thế giới có khoảng 200 công ty sản xuất IR, trong đó ở Nhật có 70, ở các nước Tây âu có 90, ở Mỹ có 30. Nhờ áp dụng rộng rãi các tiến bộ khoa học kỹ thuật về vi xử lý, tin học cũng như vật liệu mới nên số lượng robot công nghiệp đã tăng lên nhanh chóng, giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng có nhiều cải tiến. Robot công nghiệp phát huy thế mạnh ở những lĩnh vực như hàn hồ quang, đúc, lắp ráp, sơn phủ, và trong các hệ thống tự động điều khiển liên hợp.
1.2.2. Robot và công nghệ cao
Robot và công nghệ cao là những khái niệm của sản xuất tự động hoá hiện đại. Các nước công nghiệp phát triển đã đưa ra chiến lược dùng tự động hoá hiện đại (IR+High Tech) kéo các xí nghiệp công nghiệp đầu tư ở nước ngoài (trước đây vì lý do lương thợ rẻ mạt) trở về chính quốc (dùng lao động là robot công nghiệp). Chính phủ các nước này đã áp dụng những biện pháp hỗ trợ hữu hiệu như: coi robot công nghiệp là ngành công nghiệp quan trọng, xây dựng nhiều chương trình nhà nước về áp dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật vào sản xuất robot. Khuyến khích bằng cách ưu tiên thuế và đặt ra những quy chế có lợi cho cả người sản xuất và người sử dụng robot công nghiệp. Nhờ vậy chỉ sau một thời gian ngắn sử dụng robot công nghiệp trở nên rộng lớn đa dạng với cơ sở nguồn động lực phát triển là “lực đẩy” của công nghệ và “lực kéo” của thị trường.
Một đặc điểm quan trọng của robot công nghiệp là chúng cho phép dễ dàng kết hợp những việc phụ và chính của một quá trình sản xuất thành một dây chuyền tự động. So với các phương tiện tự động hoá khác, các dây chuyền tự động dùng robot có nhiều ưu điểm hơn như dễ dàng thay đổi chương trình làm việc, có khả năng tạo ra dây chuyền tự động từ các máy vạn năng, và có thể tự động hoá toàn phần.
Khi sử dụng robot vào các dây chuyền tự động, khâu chuẩn bị kỹ thuật được rút ngắn đi. Trong khi đó với thời gian từ lúc quyết định phương án đến lúc thiết kế xong một dây chuyền các máy tự động, một mặt hàng hoặc quy trình công nghệ đó đã có thể trở thành lạc hậu rồi. Theo số liệu của các chuyên gia Mỹ nghiên cứu về vấn đề này khi khảo sát trên 70 đề án thiết kế thì với quá nửa số đó là phương án dùng các máy tự động chuyên dụng phải tốn hơn một năm. Vì thế, phương án dùng robot Unimate với các máy tự động vạn năng được đưa vào sử dụng và phát huy hiệu quả to lớn.
Kỹ thuật robot có ưu điểm quan trọng nhất là tạo nên khả năng linh hoạt hoá sản xuất. Việc sử dụng máy tính điện tử, robot và máy điều khiển theo chương trình đã cho phép tìm được những phương thức mới mẻ để tạo nên các dây chuyền tự động cho sản xuất hàng loạt với nhiều mẫu, loại sản phẩm. Dây chuyền tự động “cứng” gồm nhiều thiết bị tự động chuyên dùng đòi hỏi vốn đầu tư lớn, tốn nhiều thời gian để thiết kế và chế tạo, trong lúc quy trình công nghệ luôn luôn cải tiến, nhu cầu đối với chất lượng và quy cách của sản phẩm luôn luôn thay đổi. Bởi vậy, nhu cầu “mềm” hoá hay linh hoạt hóa dây chuyền sản xuất ngày càng tăng. Kỹ thuật robot công nghiệp và máy tính đã đóng vai trò quan trọng trong công việc tạo ra các dây chuyền tự động linh hoạt.
Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hoá sản xuất, trong những năm gần đây không những chỉ các nhà khoa học mà các nhà sản xuất đã tập trung sự chú ý vào việc hình thành và áp dụng các hệ sản xuất tự động linh hoạt, gọi tắt là hệ sản xuất linh hoạt. Hệ sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System) ngày nay thường bao gồm các thiết bị gia công được điều khiển bằng chương trình số, các phương tiện vận chuyển và kho chứa trong phân xưởng đã được tự động hoá và nhóm robot công nghiệp ở các vị trí trực tiếp với các thiết bị gia công hoặc thực hiện các nguyên công phụ. Việc điều khiển và kiểm tra hoạt động của toàn bộ hệ sản xuất linh hoạt được thực hiện bằng máy tính. Ưu điểm nổi bật của hệ sản xuất linh hoạt là rất thích hợp với quy mô nhỏ và vừa, thích hợp với yêu cầu luôn luôn thay đổi chất lượng sản phẩm và quy trình công nghệ. Bởi vậy, ngày nay hệ sản xuất linh hoạt thu hút sự chú ý không những ở các nước phát triển mà ngay cả ở những nước đang phát triển. Trong một số tài liệu nước ngoài FMS như là hệ sản xuất của tương lai (Future Manufactring System).
1.2.3.Định nghĩa về robot công nghiệp
Robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc toàn bộ hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con người trong nhiều khả năng thích nghi khác nhau.
Về mặt cơ khí và điều khiển điện tử, robot công nghiệp là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều khiển từ xa với tốc độ phát triển ngày càng cao của hệ thống điều khiển theo chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các cảm biến, công nghệ lập trình và các phát triển của trí tuệ nhân tạo, hệ chuyên gia.
Robot công nghiệp có khả năng chương trình hoá linh hoạt trên nhiều trục chuyển động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng. Robot công nghiệp được trang bị những bàn tay máy hoặc các cơ cấu chấp hành giải quyết nhưng nhiệm vụ xác định trong các quá trình công nghệ: hoặc trực tiếp tham gia các nguyên công (sơn, hàn, lắp ráp các cụm thiết bị ...) hoặc phục vụ các quá trình tổ chức dòng lưu thông vật chất (chi tiết, dao cụ, gá lắp...) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổi các đối tượng vật chất với các trạm công nghệ trong một hệ thống máy tự động linh hoạt.
Ta có thể điểm qua một vài định nghĩa về robot công nghiệp như sau:
- Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR Fracais:
Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển đổi tự động có thể chương trình hoá, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất theo những chương trình thay đổi đã chương trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau.
- Định nghĩa theo tiêu chuẩn VDI 2806/BRD:
Robot công nghiệp là một thiết bị có nhiều trục, thực hiện các chuyển động tự động có thể chương trình hoá và nối ghép các chuyển động của chúng trong các khoảng cách tuyến tính hay phi tuyến của động trình. Chúng được điều khiển bởi các bộ hợp nhất ghép nối với nhau, có khả năng học và nhớ các chương trình, chúng được trang bị dụng cụ hoặc các phương tiện công nghệ khác nhau để thực hiện các nhiệm vụ sản xuất trực tiếp và gián tiếp.
- Định nghĩa theo IOTC - 1980:
Robot công nghiệp là một máy tự động liên kết giữa một tay máy và một cụm điều khiển chương trình hoá, thực hiện một chu trình công nghệ một cách chủ động với sự điều khiển có thể thay thế những chức năng tương tự của con người.
Bản chất của các định nghĩa trên cho ta thấy một ý nghĩa quan trọng: robot công nghiệp phải được liên hệ chặt chẽ với máy móc, công cụ và các thiết bị công nghệ tự động khác trong một hệ thống tự động tổng hợp. Trong quá trình phân tích và thiết kế không thể quan niệm robot như một đơn vị cấu trúc biệt lập, trái lại đó phải là những thiết kế tổng thể của “hệ thống tự động linh hoạt robot hoá” cho phép thích ứng nhanh và đơn giản khi nhiệm vụ sản xuất thay đổi. Theo đó, các mẫu hình robot phải đảm bảo có:
- Thủ pháp cầm nắm, chuyển đổi tối ưu.
- Trình độ hành nghề khôn khéo, linh hoạt.
- Kết cấu phải tuân theo nguyên tắc môdun hoá.
Cùng với sự phát triển của ngành cơ điện tử robotngày càng đượchoànthiện hơn, được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp, thương mại, y tế, khoa học, …và mang lại nhiều lợi ích cho đời sống xã hội, thay thế dần sức lao động của con người trong những điều kiện môi trường độc hại nguy hiểm, tăng nhanh năng suất lao động…đặc biệt là nó góp phần tích cực vào quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa nước ta nói riêng và thế giới nói chung.
Tóm tắt lịch sử phát triển của Robot
Bảng 1.1 trình bày tóm tắt quá trình lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ chế tạo Robot, và những tác động của khoa hoc cũng như xã hội đối với từng thời kỳ.
Bảng 1.1 Tóm tắt lịch sử phát triển của Robot
|
Mốc thời gian |
Nghiên cứu và phát triển |
Ứng dụng trong công nghiệp |
Kỹ thuật hỗ trợ |
Các yếu tố ảnh hưởng |
|
1920 |
Khái niệm Robot xuất hiện trong tiểu thuyết |
|
|
|
|
1940 |
Phát minh ra cánh tay máy |
|
|
|
|
1950 |
Phát sinh khái niệm Robot thông minh |
|
Giới thiệu về bộ nhớ vòng |
|
|
1960 |
Giới thiệu Robot điều khiển bằng máy tính. Hoạt động nghiên cứu được tăng cường. |
Phát triển Robot trong công nghiệp. Ứng dụng Robot ở NASA và NAVY. |
Máy tính dùng transitor. Giới thiệu vi xử lý. |
|
|
1970 |
Robot có trí thông minh nhân tạo. |
Sự bùng nổ lần đầu tiên của Robot |
Phát triển vi xử lý |
Sự hạn chế của nền kinh tế. |
|
1980 |
Chế tạo ra Robot để dùng trong những việc nguy hiểm (1983) |
Robot công nghiệp được ứng dụng rộng rãi |
Kỹ thuật số và kỹ thuật quang phát triển. |
Nhu cầu tăng cường lao động. |
|
1990 |
|
Giới thiệu về Robot thông minh trong sản xuất. |
Điều khiển logic. Nghiên cứu về Robot trí thông minh nhân tạo. |
Robot gây nên thất nghiệp
|
|
2000 |
|
Robot giống con người |
Các tiến bộ về cơ khí |
|
|
2001 |
Bắt đầu dự án Swarm-bots. Swram-bots gồm nhiều Robot nhỏ hợp lại để thực hiện một nhiệm vụ chung. |
|
|
|
|
2002 |
Xuất hiện Robot tự dò đường Roomba. |
Phục vụ cho việc lau chùi nhà cửa. |
|
|
|
2003 |
Robot quét dọn tại các bệnh viện, cao ốc và các trung tâm thương mại phát triển mạnh. |
|
Robot hoạt động hoàn toàn tự chủ, xử dụng một hệ thống cảm biến để tránh chướng ngại vật. |
Công ty Axxon Robotics mua lại Intellibot |
|
2004 |
Robot đồ chơi Robosapien được Mark Tilden thiết kế và bán ra thị trường. |
Trong “Dự án Centibots” 100 Robot độc lập làm việc với nhau để thực hiện một bản đồ của một môi trường không rõ và tìm kiếm các đối tượng trong môi trường đó. |
|
|
|
2005 |
Boston Dynamics tạo ra một Robot thú bốn chân. |
Robot di chuyển bằng chân được ứng dụng để mang vật nặng trên địa hình xe cộ di chuyển khó khăn. |
|
|
|
2006 |
Talon-Sword, các Robot thương mại đầu tiên với súng phóng lựu và các tùy chọn vũ khí tích hợp khác được phát hành. Robot Honda Asimo có khả năng học chạy và leo lên cầu thang. |
Ứng dụng Robot trong lĩnh vực quân sự được phát triển mạnh. |
|
|
|
2007 |
Hàng loạt Robot được chế tạo ra để ứng dụng trong sinh hoạt, bệnh viện và quân sự Ví dụ : Kiva, Speci-Minder , Tug |
|
|
|
|
2008 |
Boston Dynamics phát hành đoạn phim video của một thế hệ mới BigDog |
BigDog có thể đi trên địa hình băng giá và phục hồi sự cân bằng của nó trên mặt nước đá. |
|
|
|
2010 |
Nhật Bản chế tạoRobot cứu hộ QUINCE. |
QUINCE có thể tìm kiếm người sống sót trong đống đổ nát và cung cấp nước, thực phẩm hoặc điện thoại di động vào khu vực xảy ra thiên tai. |
|
Tình hình thiên tai, động đất xảy ra thường xuyên tại Nhật. |
1.2.4. Một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước
Robot đã có những bước tiến đáng kể hơn nửa thế kỷ qua. Robot đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp vào những năm 60 để thay thế con người làm các công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong môi trường độc hại. Do nhu cầu cần ăn nhập ngày càng nhiều với quá trình sản xuất phức tạp nên robot công nghiệp cần có những khả năng thích ứng linh hoạt và thông minh hơn. Ngày nay, ngoài ứng dụng trong chế tạo máy thì các ứng dụng robot trong y tế, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, đóng tàu, xây dựng, an ninh quốc phòng và gia đình đang có nhu cầu gia tăng là động lực cho các robot địa hình và robotdịch vụ phát triển.
Có thể kể đến một số loại robot được quan tâm nhiều thời gian qua là: Tay máy robot (Robot Manipulators), Robot di động (Mobile Robots), Robot phỏng sinh học (Bio Inspired Robots) và Robot cá nhân (Personal Robots). Robot di động được nghiên cứu nhiều như Xe tự hành trên mặt đất AGV (Autonomous Guided Vehicles), Robot tự hành dưới nước AUV (Autonomous Underwater Vehicles), Máy bay không người lái UAV (Unmanned Arial Vehicles). Với Robot phỏng sinh học, các nghiên cứu thời gian qua tập trung vào 2 loại chính là Robot đi (Walking robots) và Robot dáng người (Humanoid Robots). Bên cạnh đó, các loại robot phỏng sinh học dưới nước như robot cá, các cấu trúc chuyển động phỏng theo sinh vật biển cũng được nhiều nhóm nghiên cứu phát triển. Hiện nay các ứng dụng của robot đang có xu thế chuyển sang các ứng dụng thường nhật như Robot gia đình (home robots) và Robot cá nhân (Personal robots). Mặc dù về cấu trúc của các loại robot có khác nhau nhưng các nghiên cứu hiện nay đều hướng về các ứng dụng dịch vụ và hoạt động của robot trong các môi trường tự nhiên. Với sự phát triển của xã hội và quá trình hiện đại hóa ở các nước phát triển thì nhiều dịch vụ mới được hình thành làm thay đổi quan điểm về robot từ robot phục vụ công nghiệp sang robot phục vụ cho các nhu cầu xã hội và nhu cầu cá nhân của con người.
Tay máy robot: Tay máy là loại robot có nhiều khớp nối tiếp, mỗi khớp có thể chuyển động tịnh tiến hoặc quay thường do một động cơ servo điều khiển. Đầu tay máy có bàn kẹp hay tay nắm với nhiều bậc tự do phù hợp với ứng dụng như sơn, hàn, gắp phôi... Do sự phát triển của công nghệ và nhu cầu thực tế, các tay máy ngày nay có nhiều ứng dụng mới như hỗ trợ mổ, hỗ trợ người tàn tật... Ta hãy điểm qua 3 loại tay máy tiêu biểu là Tay máy công nghiệp, Robot y tế và Robot hỗ trợ người tàn tật.
Tay máy công nghiệp: Tay máy công nghiệp được chế tạo, sử dụng từ những năm 1960. Giai đoạn đầu, tay máy được sử dụng nhiều trong công nghiệp chế tạo ô tô. Nhu cầu thực tế của công nghiệp chế tạo ô tô đòi hỏi phải nghiên cứu các phương pháp chuẩn định để giảm sai số do tính bất định của mô hình động học robot gây nên. Tiếp đến là các phương pháp thiết kế quỹ đạo và điều khiển chuyển động của tay máy. Thiết kế quỹ đạo là tìm quy luật chuyển động của các khớp robot sao cho quỹ đạo của đầu tay nắm robot trong không gian 3D đi được từ điểm đầu đến điểm cuối tránh được các vật cản và không bị rơi vào các điểm kỳ dị. Điều khiển chuyển động robot là một hướng nghiên cứu phát triển mạnh và ngày càng phong phú. Robot có hệ động lực phi tuyến, nhiều đầu vào/ra, có nhiều tham số bất định như mô men quán tính, ma sát, độ dơ của các khớp đòi hỏi các phương pháp điều khiển phải có tính bền vững cao. Các thuật toán điều khiển robot liên tục được nghiên cứu và ứng dụng từ đơn giản như PD, PID đến phức tạp như các hệ tự thích nghi, hoặc các phương pháp điều khiển thông minh sử dụng mạng nơ ron nhân tạo, thuật gen và điều khiển mờ... Nghiên cứu điều khiển lực/mô men ở robot cũng rất được quan tâm do robot phải tham gia vào quá trình sản xuất, tiếp xúc với môi trường trong quá trình thực thi nhiệm vụ. Có nhiều phương pháp điều khiển lực như điều khiển nhúng, điều khiển lai hoặc dùng các cơ cấu tay nắm có độ nhún nhất định cho các ứng dụng lắp ráp. Từ năm 1990, ứng dụng của robot công nghiệp đã lan sang các lĩnh vực sản xuất ngoài ngành chế tạo máy như ứng dụng trong sản xuất thực phẩm và dược phẩm. Lúc này, độ linh hoạt và của robot được nâng cao để đáp ứng sự thay đổi của môi trường sản xuất có nhiều bất định. Các phương
.............................................................
Hình 5.5năng lượng tiêu thụ của tay máy với cơ cấu cân bằng đối trọng
Chương 6
KẾT LUẬNVÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂNĐỀ TÀI
6.1 Những kết quả đạt được
- Xây dựng được mô hình toán của tay máy với cơ cấu cân bằng lò xo
- Mô phỏng mô hình toán trên Matlab
- Tính toán tối ưu .
- Mô phỏng năng lượng tiêu thụ
- Thực nghiệm trên mô hình kiểm chứng kết quả tính toán
6.2 Hạn chế của đề tài
Đề tài mới chỉ dừng lại ở việc xem xét ở khớp tiêu hao nhiều năng lượng nhất, chưa thực hiện trên toàn bộ các khớp của tay máy.
Đồng thời đề tài chỉ dừng lại ở việc xem xét ba biến trong tổng số sáu biến có thể tính toán được.
6.3 Hướng phát triển của đề tài
Thực hiện mở rộng đề tài cho các loại robot có nhiều khớp, quỹ đạo di chuyển phức tạp.
Xem xét tất cả các biến còn lại để tìm được năng lượng tiêu thụ tối ưu nhất của hệ thống.
Bài báo:
TỐI ƯU HÓA NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ CỦA CÁNH TAY MÁY
BẰNG CÁCH THIẾT KẾ BỔ SUNG CƠ CẤU CÂN BẰNG ĐỐI TRỌNG
OPTIMIZATION OF ENERGY CONSUMPTION IN ROBOTIC ARM:
DESIGN OF A COUNTER-BALANCING SYSTEM
TS. Trần Ngọc Đảm*, KS. Nguyễn Thị Thu Hiền
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh
Tóm tắt — Trong tương lai, việc giảm năng lượng tiêu thụ của thiết bị công nghiệp là rất quan trọng. Hiện nay hầu hết các robot làm việc trong công nghiệp không được tối ưu năng lượng tiêu thụ. Trong bài báo này, năng lượng tiêu thụ của robot được tối ưu để giải quyết vấn đề năng lượng bằng cách thêm vào một hệ thống cân bằng đối trọng là một lò xo nối giữa trục quay và tay robot. Chuyển động của tay robot là chuyển động xoay của một vật rắn quanh một điểm cố định được mô tả bằng góc giữa trục hoành và tay robot. Khi tay robot di chuyển xuống, lò xo bù một phần khối lượng của robot và do đó giảm bớt tải đặt trên động cơ. Mô hình toán và hàm tiêu thụ năng lượng được sử dụng. Các tham số của lò xo và điểm kết nối giữa lò xo và tay robot được tối ưu hoá sử dụng phương pháp tối ưu hoá toán học. Mô hình thật tay robot với cơ cấu cân bằng đối trọng được xây dựng cho việc kiểm tra. Kết quả cho thấy tổng năng lượng tiêu thụ của tay robot phụ thuộc mạnh mẽ vào chiều dài và vị trí điểm đặt lò xo. Với giải pháp này, năng lượng tiêu thụ của robot có thể giảm xuống từ 10% đến 20% phụ thuộc vào khối lượng robot
Từ khóa: Robot, tối ưu năng lượng, điều khiển kín, mô hình robot
Abstract — For reaching a sustainable enrgy, the reduction of consumed energy is very important. However, almost robotics working in industry has not optimized energy. In this study, the consumed energy of robots was optimized to solve about disadvantages by adding a counterbalancing system that is a spring suspended between the rotating column and the link arm of the robot. The motion of the robot arm is a rotation of a rigid body about the fixed point described by the angle measured between the horizontal axis and the link arm. When the link arm is moved down this spring compensates a part of the weight of the robot arm and thus reduces the load on the motor actuating the second axis. The mathematical model and the consumed energy function of the robot arm with the counterbalancing system were used. The parameters of spring and the connection point between spring and link arm are to be optimized using numerical optimization methods. The real model of the robot arm with the counterbalancing system was setup of testing. The results show that total consumed energy of robot strongly depends on the undeflected length l, and connected point between spring and link arm and between spring and based arm. The optimal consumed energy by adding counterbalancing system is easily and efficiently and can be solved for all kind of robot. At the optimal solution, the consumed energy of robot can be reduced about 10% to 20% dependence on total mass of robot.
Keywords:Industrial robotic, optimal energy, feedback control, modeling robotic..
1.Giới thiệu:
Robot được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, và cũng tiêu thụ một lượng năng lượng điện rất lớn. Để giải quyết vấn đề năng lượng, rất nhiều loại robot cần có hệ thống cân bằng để giảm năng lượng tiêu thụ. Robot như trong hình 1 được trang bị một hệ thống cân bằng đối trọng. Hệ thống cân bằng đối trọng được nối giữa cột xoay và cánh tay của robot. Khi cánh tay di chuyển xuống (góc của trục robot thứ hai giảm xuống) đối trọng này bù một phần khối lượng của cánh tay robot và do đó giảm tải trọng đặt lên động cơ tác động lên trục thứ hai. Tuy nhiên cơ cấu cân bằng đối trọng được thiết kế và lắp ráp như thế nào để tối ưu năng lượng điện sử dụng của cánh tay là rất cần thiết. Trong nghiên cứu này trình bày cách thiết kế cơ cấu đối trọng nhằm giải quyết yêu cầu trên.
Hình 1. Robot với hệ thống cân bằng đối trọng
2.Phân tích và giải quyết vấn đề:
Qua khảo sát, góc quay thấp nhất của robot tốn nhiều năng lượng nhất do mang tổng khối lượng lớn nhất và cánh tay đòn dài nhất do đó ta chọn khớp trong cùng của robot để khảo sát năng lượng tiêu tốn cho hệ thống
Từ đây ta tiến hành thiết kế mô hình tay máy để thực nghiệm.
Ở đây có thể có nhiều phương án giảm năng lượng tiêu thụ ở khớp này, ví dụ như:
- Sử dụng động cơ phụ
- Ứng dụng các giải thuật điều khiển thông minh cho robot
- Sử dụng hệ thống cân bằng lò xo
Ta chọn phương án cuối cùng: hệ thống cân bằng bằng lò xo gắn vào như hình 2.
(a)
(b)
Hình 2: Mô hình tay máy thực nghiệm (a), mô hình thực (b)
Hình 3 mô hình động học cánh tay robot với cơ cấu cân bằng là lò xo. Hệ thống với sáu biến: vị trí điểm gốc lò xo (điểm A) trên hệ trục xoay là Xra, Yra; chiều dài và độ cứng lo xo l, k; và vị trí điểm đặt lò xo (điểm B) tọa độ r và góc β như trong hình 3.
Một vị trí tối ưu của điểm kết nối giữa lò xo và cánh tay được tính toán sử dụng các phương pháp tối ưu hóa số học.
Hình 3. Mô hình động hoc của robot
3. Mô hình toán của robot
Chuyển động của tay robot được xem là chuyển động xoay của một vật rắnquanh một điểm cố định O mô tả bởi góc đo được giữa trục x nằm ngang và tay robot như hình 3.
Vị trí của trọng tâm C được cho bởi khoảng cách và góc α.
Khối lượng của toàn bộ tay robot với tải trọng m = 5kg,
Moment quán tính theo trục xoay là θ = 0.27kg.
Vị trí của điểm B được mô tả bởi β và
Điểm A được cho theo khung tọa độ {O,x,y} bởi vector
m,
Lò xo có chiều dài là .
Độ cứng lò xo .
là hằng số: góc lệch giữa trọng tâm C và góc quay
Phương trình cân bằng động học của cánh tay robot được biểu diễn nhu hình 4, hệ thống cân bằng đối trọng.
Tọa độ điểm A và B:
: vị trí của điểm A
: vị trí của điểm B
Khoảng cách từ A tới B
Lực gây ra bởi hệ thống cân bằng đối trọng:
Hình 4. Hệ thống cân bằng đối trọng
k: độ cứng lò xo
: độ dài lò xo
: độ biến dạng lò xo
Moment gây ra bởi hệ thống cân bằng đối trọng
Moment gây ra bởi khối lượng m ( hay trọng tâm C) :
Momen gây ra bởi hệ số tắt dần khớp (ví dụ ma sát nhớt trong hộp số)
Momen gây ra bởi moment quán tính của tay robot
Với là hệ số khớp
Moment cân bằng trong robot
Với động cơ ta có:
M: moment ngõ ra của robot
dòng điện phần ứng động cơ
K hằng số động cơ
điện cảm cuộn dây kích thích
dòng kích thích
Giải thuật tính toán
Phương trính năng lượng tiêu thụ của cánh tay robot phụ thuộc vào các biến trạng thái được biểu diễn như lưu đồ giải thuật hình 5.
|
E |
|
M |
|
Khoảng cách, lực |
|
A |
|
C |
|
B |
|
Lò xo |
Hình 5. Lưu đồ giải thuật tính toán
Sơ đồ điều khiển
Robot được dẫn động bởi một động cơ. Động cơ được điều khiển bởi một bộ điều khiển liên tục theo thời gian (hình 6) với hai bộ điều khiển tỉ lệ đơn giản. Bộ điều khiển bên trong để điều khiển điện áp phần ứng của động cơ và bộ điều khiển bên ngoài tính toán tốc độ động cơ yêu cầu từ sai số bám vị trí.
Hình 6. Điều khiển hồi tiếp
4. Kết quả
Để đánh giá chất lượng của một điểm B được chọn, tay robot di chuyển lên xuống theo góc mong muốn trong hình 7
Hình 7. góc quay yêu cầu
Chuyển động thực của tay robot chậm hơn hoặc sớm hơn chuyển động yêu cầu phụ thuộc vào chiều chuyển động của robot (robot di chuyển lên hoặc xuống)
Tại thời điểm t1 = 2s: phi – phiDemanded = 0.5 rad
Tại thời điểm t2 = 5.2s: phi – phiDemanded = -0.5 rad
Hình 8: chuyển động robot theo quỹ đạo
Thực hiện mô phỏng theo một chu kỳ quay
Hình 9: năng lượng tiêu thụ của tay máy khi không có cơ cấu cân bằng đối trọng
Hình 10. năng lượng tiêu thụ của tay máy khi có cơ cấu cân bằng đối trọng
Hình 11. năng lượng tiêu thụ của tay máy với cơ cấu cân bằng đối trọng đã tính toán tối ưu
Hình 12. Công suất tiêu thụ của động cơ trên tính toán và thực tế
Mô phỏng tính toán tối ưu hóa vị trí điểm B theo chuyển động cho trước với các giá trị khởi tạo ban đầu lần lượt là ; và ;, ta được:
|
Giá trị ban đầu |
Giá trị tính toán |
Năng lượng tiêu thụ |
|
[0;0.1] |
[1.9, 0.008] |
2.4905e+005 |
|
[pi/2;0.2] |
[1.9, 0.008] |
2.4905e+005 |
Mô phỏng tính toán tối ưu hóa mở rộng với biến chiều dài lò xo :
|
Giá trị ban đầu [rad, m, m] |
Giá trị tính toán [rad, m, m] |
Năng lượng tiêu thụ [J] |
|
[0;0.1;0.1] |
[1.9, 0.01;0.265] |
9.1913e+004 |
|
[pi/2;0.2;0.5] |
[1.9, 0.01;0.265] |
9.1913e+004 |
|
[1.5;0.1;0.1] |
[1.9, 0.01;0.265] |
9.1913e+004 |
Kết quả thực nghiệm:
Tiến hành thực nghiệm kiểm chứng kết quả mô phỏng, ta thu được bảng giá trị sau:
|
Giá trị [rad, m, m] |
Dòng điện tiêu thụ [A] |
Công suất tiêu thụ [W] |
|
[2.0, 0.01, 0.21] |
0.18 |
39.6 |
|
[2.1, 0.01, 0.22] |
0.15 |
33 |
|
[1.9, 0.01, 0.265] |
0.12 |
25.4 |
|
[2.2, 0.01, 0.26] |
0.16 |
35.2 |
|
[2.3, 0.01 ,0.28] |
0.15 |
33 |
ta thấy với
;;
Thì tay máy tiêu thụ năng lượng ít nhất
5.Kết luận
Kết quả mô phỏng cho thấy đã xây dựng được mô hình toán của tay máy với cơ cấu cân bằng đối trọng dùng lò xo; đồng thời thấy được năng lượng tiêu thụ của robot phụ thuộc mạnh mẽ vào chiều dài lò xo và điểm nối giữa cơ cấu và thân robot. Với giải pháp tối ưu hóa này, năng lượng tiêu thụ của robot có thể được giảm xuống đáng kể từ 10% đến 20% tùy thuộc vào tải trọng.
Kết quả thực nghiệm cho thấy tính đúng đắn của giải pháp. Từ đó ta có thể tiến hành tối ưu nhiều biến hơn như vị trí điểm đặt A và độ cứng lò xo để giảm đến mức thấp nhất năng lượng tiêu thụ của robot.
6. Lời cảm ơn:
Xin chân thành cảm đến thầy TS Trần Ngọc Đảm, giảng viên khoa Cơ khí chế tạo máy, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM đã hỗ trợ trong suốt thời gian hoàn thành nghiên cứu này.
7.Tài liệu tham khảo:
[1]. PGS.TS. Đào Văn Hiệp, Kỹ Thuật Robot, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật.
[2]. TS. Phạm Đăng Phước, Robot công nghiệp, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật.
[3]. D.B. Marghitu, Kinematic Chains and Machine Component Design, Elsevier, Amsterdam
[4]. F. Reuleaux, The Kinematics of Machinery, Dover, New York
[5]. R.L. Mott, Machine Elements in Mechanical Design, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ
