Hai con số này nằm ngay dòng đầu mọi tờ thông số, và cũng là hai con số bị hiểu sai nhiều nhất. Nhiều người nghĩ càng nhiều bậc tự do càng tốt, và nghĩ không gian làm việc là một quả cầu đặc quanh robot. Cả hai đều không đúng.
Bậc tự do là gì và vì sao con số sáu hay xuất hiện
Bậc tự do là số chuyển động độc lập mà cơ cấu có thể thực hiện. Với robot dạng cánh tay, nó thường trùng với số khớp truyền động.
Con số sáu xuất hiện nhiều vì một vật rắn trong không gian ba chiều có đúng sáu bậc tự do: ba để đặt vị trí và ba để đặt hướng. Một robot sáu bậc vì thế có thể, về nguyên tắc, đưa đầu công tác tới bất kỳ vị trí nào trong tầm với ở bất kỳ hướng nào.
Nhưng nhiều ứng dụng không cần cả sáu. Xếp hộp lên pallet chỉ cần ba chuyển động vị trí cộng một chuyển động xoay quanh trục đứng, vì hộp luôn nằm ngang. Robot bốn bậc làm việc đó nhanh hơn, rẻ hơn và cứng vững hơn robot sáu bậc.
Thừa bậc tự do và khi nào nó đáng tiền
Robot bảy bậc trở lên được gọi là dư bậc tự do. Với cùng một tư thế đầu công tác, chúng có vô số cách sắp xếp khớp.
Cái lợi là tránh vật cản: robot có thể luồn khuỷu tay qua chỗ hẹp mà vẫn giữ đầu công tác đúng chỗ. Cái lợi thứ hai là tránh được nhiều tư thế xấu về mặt động học.
Cái giá là bài toán điều khiển phức tạp hơn, lập trình khó hơn và giá thành cao hơn. Trong nhà máy, dư bậc tự do thường chỉ đáng tiền khi không gian thao tác thật sự chật hoặc khi robot phải làm việc cạnh người và cần thay đổi dáng để nhường chỗ.
Không gian làm việc không phải khối cầu đặc
Vùng robot với tới được có hình dạng phức tạp và luôn rỗng ở giữa. Có ba lý do.
Giới hạn khớp. Mỗi khớp chỉ quay trong một khoảng, không quay vô hạn. Điều này cắt bớt nhiều mảng của vùng lý thuyết.
Va chạm tự thân. Ở một số tư thế, các đoạn cánh tay chạm vào nhau hoặc chạm vào thân robot.
Vùng gần trục. Ngay sát trụ robot có một vùng chết mà đầu công tác không vào được, vì cánh tay phải gập lại quá mức.
Quan trọng hơn: không gian với tới được không bằng không gian dùng được. Ở rìa vùng làm việc, robot vươn hết cỡ nên độ cứng vững giảm, sai số tăng và tốc độ phải hạ. Khi bố trí trạm, nên đặt vùng thao tác chính vào khoảng giữa tầm với chứ không ép ra mép.
Điểm dị thường: chỗ robot mất khả năng xoay xở
Điểm dị thường là tư thế mà hai hoặc nhiều trục thẳng hàng, khiến robot mất một hướng chuyển động. Ở gần các điểm này, muốn đầu công tác dịch một chút thì một khớp phải quay rất nhanh, và bộ điều khiển sẽ báo lỗi vượt tốc độ.
Ba vị trí hay gặp là khi cánh tay duỗi gần thẳng hết cỡ, khi cổ tay có hai trục trùng nhau, và khi đầu công tác đi qua ngay phía trên trục đứng của thân.
Cách tránh trong thực tế: kiểm tra quỹ đạo trong phần mềm mô phỏng trước khi chạy máy thật, xoay hoặc dịch trạm làm việc vài chục độ để đường đi không cắt qua vùng dị thường, và không lập trình quỹ đạo thẳng đi xuyên qua phía trên trụ robot.
Trình tự chọn nhanh khi khảo sát
Ba bước, làm theo đúng thứ tự.
- Liệt kê các tư thế đầu công tác cần đạt. Nếu vật luôn giữ một hướng cố định, bạn không cần sáu bậc.
- Vẽ vùng thao tác thật lên mặt bằng, kể cả vị trí cấp phôi và vị trí đặt thành phẩm. Vùng này phải nằm gọn trong khoảng giữa tầm với.
- Kiểm tra vật cản và người qua lại. Chính ràng buộc này, chứ không phải bài toán động học, thường quyết định có cần dư bậc tự do hay không.
Làm ba bước này trên giấy trước khi hỏi báo giá sẽ tiết kiệm được nhiều vòng trao đổi với nhà cung cấp.
Câu hỏi thường gặp
Robot bốn bậc tự do có kém hơn robot sáu bậc không?
Không kém, chỉ khác mục đích. Robot bốn bậc dạng SCARA nhanh hơn và cứng vững hơn robot sáu bậc cùng tầm với, nên nó là lựa chọn tốt hơn cho các việc gắp thả trên mặt phẳng. Robot sáu bậc chỉ cần thiết khi đầu công tác phải nghiêng theo nhiều hướng khác nhau.
Vì sao robot báo lỗi khi đi đường thẳng qua giữa vùng làm việc?
Nhiều khả năng quỹ đạo đó cắt qua một điểm dị thường, thường là ngay phía trên trục đứng của thân robot. Ở đó một khớp phải quay gần như tức thời để giữ đường thẳng, vượt giới hạn tốc độ. Cách xử lý là đổi sang chuyển động theo khớp cho đoạn đó, hoặc dịch điểm đầu và điểm cuối để đường đi tránh vùng này.
Tầm với ghi trong thông số đo từ đâu?
Thường đo từ tâm trục xoay của thân đến tâm mặt bích lắp đầu công tác, không tính chiều dài tay kẹp. Khi tính bố trí trạm, phải cộng thêm kích thước đầu công tác và trừ đi phần không dùng được ở rìa vùng làm việc.
Có nên chọn robot tầm với lớn hơn nhu cầu để dự phòng?
Dự phòng vừa phải thì hợp lý, nhưng robot tầm với lớn thường nặng hơn, chậm hơn và có độ lặp lại kém hơn ở cùng mức giá. Nếu vùng thao tác nằm gọn trong khoảng giữa tầm với của mẫu nhỏ hơn, chọn mẫu nhỏ thường cho kết quả tốt hơn.
Đọc thêm trong Lộ trình học & nghề nghiệp và Thuật ngữ robotics.