Tài liệu nhập môn thường vẽ robot thành ba hộp nối bằng mũi tên: cơ khí, cảm biến, điều khiển. Hình đó đúng nhưng gây hiểu lầm, vì nó gợi ý ba phần có thể chọn độc lập. Thực tế chúng ràng buộc nhau chặt đến mức một quyết định ở khối này lập tức đội chi phí ở khối kia.
Khối cơ khí quyết định trần của cả hệ
Khối cơ khí gồm kết cấu, khớp, bộ truyền và đầu công tác. Nó đặt ra những giới hạn mà không phần mềm nào vượt qua được: tầm với, tải trọng, độ cứng vững và độ rơ.
Độ rơ là ví dụ rõ nhất. Nếu bộ truyền có khe hở, đầu công tác sẽ lệch một khoảng mỗi khi đổi chiều chuyển động. Bộ điều khiển không nhìn thấy khoảng lệch đó nếu cảm biến vị trí gắn ở phía động cơ chứ không ở phía đầu ra. Bạn có thể bù trừ bằng phần mềm, nhưng chỉ bù được phần lặp lại đều; phần thay đổi theo tải và nhiệt độ thì không.
Độ cứng vững cũng vậy. Cánh tay dài và nhẹ thì vươn xa nhưng rung. Rung làm chậm thời gian ổn định sau mỗi lần dừng, và thời gian đó cộng dồn vào nhịp sản xuất. Muốn hết rung thì phải tăng khối lượng kết cấu, mà kết cấu nặng lại đòi động cơ lớn hơn và tiêu thụ nhiều điện hơn.
Cảm biến quyết định robot biết gì về thế giới
Chia cảm biến thành hai nhóm là cách dễ nhớ nhất.
Cảm biến nội đo trạng thái của chính robot: góc khớp, tốc độ, dòng điện động cơ, nhiệt độ. Mọi robot đều cần nhóm này, vì không có nó thì không đóng được vòng điều khiển.
Cảm biến ngoại đo thế giới bên ngoài: camera, cảm biến khoảng cách, cảm biến lực, cảm biến tiệm cận. Nhóm này quyết định robot có thích ứng được hay không.
Điều ít được nói: mỗi cảm biến thêm vào đều mang theo độ trễ và nhiễu. Một camera cho ảnh đẹp nhưng mất vài chục mili giây để chụp và xử lý. Trong vòng điều khiển nhanh, độ trễ đó có thể gây mất ổn định. Đó là lý do người ta thường tách thành hai lớp: lớp nhanh chạy bằng cảm biến nội, lớp chậm hiệu chỉnh mục tiêu bằng cảm biến ngoại.
Khối điều khiển là nơi mọi ràng buộc gặp nhau
Bộ điều khiển đọc cảm biến, so với mục tiêu, tính ra lệnh cho động cơ, và lặp lại vòng đó rất nhiều lần mỗi giây.
Tần số lặp phải đủ nhanh so với động lực học của cơ khí. Cơ cấu nhẹ và nhanh đòi vòng lặp dày; cơ cấu nặng và chậm thì thưa hơn cũng đủ. Chạy vòng lặp nhanh hơn mức cần thiết không làm robot tốt hơn, nhưng nó đòi phần cứng tính toán mạnh hơn và làm mọi thứ khó gỡ lỗi hơn.
Ngoài vòng điều khiển chuyển động còn có các lớp phía trên: lập kế hoạch quỹ đạo, phối hợp với thiết bị khác, xử lý lỗi và giao diện cho người vận hành. Phần lớn thời gian của một dự án robot thật sự nằm ở các lớp trên này, không phải ở vòng điều khiển lõi.
Ba kiểu đánh đổi thường gặp
Cơ khí chính xác đắt hơn hay cảm biến đắt hơn. Với robot lặp lại một việc trong môi trường được dựng chuẩn, đầu tư vào đồ gá thường rẻ hơn. Với robot phải xử lý phôi đến không đều, cảm biến rẻ hơn nhiều so với việc ép cả dây chuyền vào dung sai chặt.
Nhẹ và nhanh hay nặng và vững. Không có đáp án chung. Hãy bắt đầu từ nhịp sản xuất mục tiêu và độ chính xác cần đạt, rồi mới chọn kết cấu.
Thông minh trên máy hay thông minh ở hệ thống. Một robot đơn giản trong dây chuyền được thiết kế tốt thường ổn định hơn một robot thông minh phải bù đắp cho dây chuyền lộn xộn.
Trình tự đọc thông số khi khảo sát một robot
Khi cầm tờ thông số của một mẫu robot, đọc theo thứ tự sau sẽ tiết kiệm thời gian.
- Tải trọng và tầm với trước tiên. Hai con số này loại ngay phần lớn ứng viên.
- Độ lặp lại, không nhầm với độ chính xác tuyệt đối. Đa số ứng dụng lặp lại quan tâm con số đầu.
- Tốc độ khớp tối đa, nhưng nhớ rằng nhịp thật luôn thấp hơn vì còn thời gian tăng tốc và ổn định.
- Khối lượng và cách lắp đặt, vì nó quyết định nền móng và không gian.
- Cấp bảo vệ môi trường, nếu xưởng có bụi, dầu hoặc rửa nước.
Tải trọng ghi trên tờ thông số luôn tính cả đầu công tác. Một tay kẹp nặng vài kilôgam sẽ ăn hết phần tải hữu ích, và đây là lỗi ước lượng phổ biến nhất ở dự án đầu tiên.
Câu hỏi thường gặp
Độ lặp lại và độ chính xác khác nhau thế nào?
Độ lặp lại đo mức robot trở về đúng một điểm đã dạy sau nhiều lần. Độ chính xác tuyệt đối đo mức robot đến đúng một toạ độ được chỉ định bằng số. Robot công nghiệp thường có độ lặp lại rất tốt nhưng độ chính xác tuyệt đối kém hơn, nên các ứng dụng lập trình ngoại tuyến cần hiệu chỉnh thêm.
Có cần cảm biến lực cho ứng dụng gắp thả đơn giản không?
Thường là không, nếu vị trí phôi được cố định bằng đồ gá và vật không dễ vỡ. Cảm biến lực trở nên đáng tiền khi robot phải lắp khít, mài, đánh bóng, hoặc khi vật thể có dung sai lớn và cần dò tìm khi tiếp xúc.
Vì sao robot chạy chậm hơn tốc độ ghi trong thông số?
Tốc độ ghi trong thông số là tốc độ tối đa của từng khớp ở điều kiện thuận lợi. Trong chu trình thật, robot phải tăng tốc, giảm tốc, chờ ổn định và tránh vượt giới hạn gia tốc khi mang tải. Nhịp thực tế vì vậy luôn thấp hơn, đôi khi thấp hơn đáng kể.
Nên bắt đầu học từ khối nào trong ba khối?
Khối điều khiển là điểm vào dễ nhất vì bạn có thể thực hành trên mô phỏng mà không cần phần cứng. Tuy nhiên nên học đủ cơ khí để hiểu vì sao một lệnh điều khiển đẹp trên lý thuyết lại không chạy được trên máy thật.
Đọc thêm trong Ứng dụng theo ngành và Lộ trình học & nghề nghiệp.
