Giáo trình Kỹ thuật robot: Phần 1 - PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh & ThS. Tưởng Phước Thọ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:242

Thêm vào BST

Báo xấu

12
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Kỹ thuật robot giới thiệu những kiến thức cơ bản, nền tảng của kỹ thuật robot, các chương viết về cấu trúc nâng cao của kỹ thuật robot, phương pháp thiết kế robot công nghiệp, robot di động, robot song song, robot cáp, robot bầy đàn. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 1 dưới đây!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Kỹ thuật robot: Phần 1 - PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh & ThS. Tưởng Phước Thọ

PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH ThS TƯỞNG PHƯỚC THỌ GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ROBOT NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
2
LỜI NÓI ĐẦU Trong “Chiến lược phát triển khoa học và công nghệ Việt Nam” luôn khẳng định Cơ điện tử là một trong những hướng công nghệ trọng điểm phục vụ phát triển kinh tế xã hội. Trên thế giới, Cơ điện tử là một trong những lĩnh vực chiến lược đóng vai trò quan trọng của các nền kinh tế phát triển. Kỹ thuật Cơ điện tử là một lĩnh vực khoa học công nghệ được hình thành từ sự cộng năng của ba ngành Khoa học Công nghệ chủ yếu là Cơ khí, Điện tử và Công nghệ thông tin nhằm hoàn thiện, linh hoạt hóa, thông minh hóa các thiết bị máy móc phục vụ con người. Khi nhắc đến Cơ điện tử, chúng ta không thể quên rằng robot chính là sản phẩm đặc trưng của ngành này. Trong những năm vừa qua, cùng với sự lớn mạnh của khoa học công nghệ, kỹ thuật robot cũng không ngừng phát triển. Cuốn giáo trình này hy vọng giúp cho người yêu thích và quan tâm đến robot có thể hiểu về robot, biết về kỹ thuật robot được sử dụng hiện nay trên thế giới. Cuốn giáo trình này cũng không có tham vọng đưa ra tất cả các kiến thức về robot, mà chỉ giúp cho người đọc có cái nhìn toàn diện và cụ thể cho từng phần cấu trúc hình thành nên robot. Giáo trình Kỹ thuật Robot được biên soạn cho các đối tượng học viên cao học, sinh viên đại học của các trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Đại học Kỹ thuật, các trường Cao đẳng Kỹ thuật, các kỹ sư và giáo viên dạy nghề… Giáo trình giới thiệu những kiến thức cơ bản, nền tảng của kỹ thuật robot, các chương viết về cấu trúc nâng cao của kỹ thuật robot, phương pháp thiết kế robot công nghiệp, robot di động, robot song song, robot cáp, robot bầy đàn. Giáo trình này gồm có 12 chương, trình bày một cách hệ thống các kiến thức về kỹ thuật robot từ các phần cơ bản về cấu trúc chung và các thành phần cấu tạo của robot, phân tích động học robot cho đến phần phân tích động học vận tốc, động lực học, phương pháp lập quỹ đạo chuyển động và các công nghệ tiên tiến tích hợp lên robot như các cảm biến, thị giác máy và các cơ cấu truyền động và cơ cấu chấp hành cuối. Để hoàn thành Giáo trình Kỹ thuật Robot, các tác giả đã làm việc với một tinh thần trách nhiệm cao, song quá trình biên soạn không tránh khỏi những thiếu sót, mong nhận được ý kiến phản hồi từ các độc giả để hoàn chỉnh giáo trình này trong lần xuất bản tiếp theo. Thư góp ý xin gửi về Bộ môn Cơ điện tử - Khoa Cơ khí Chế tạo Máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh hoặc thông qua địa chỉ email: thotp@hcmute.edu.vn TP Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 9 năm 2022 Tác giả PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh ThS Tưởng Phước Thọ 3
4
MỤC LỤC MỤC LỤC................................................................................................. 3 Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT ROBOT........................... 13 1.1. GIỚI THIỆU..................................................................................... 13 1.2. PHÂN LOẠI ROBOT...................................................................... 25 . 1.2.1. Robot công nghiệp.................................................................. 25 1.2.2. Robot dịch vụ......................................................................... 26 . 1.3. ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA ROBOT........................................... 30 1.3.1. Ưu điểm.................................................................................. 30 1.3.2. Nhược điểm............................................................................ 30 1.4. CẤU TRÚC CỦA MỘT HỆ THỐNG ROBOT. .............................. 31 . 1.4.1. Phần cứng............................................................................... 31 1.4.2. Phần mềm............................................................................... 32 1.5. TƯƠNG LAI CỦA ROBOT............................................................. 37 1.6. KẾT LUẬN. ..................................................................................... 38 . Chương 2: NỀN TẢNG ROBOT.......................................................... 41 2.1. CẤU TRÚC TAY MÁY ROBOT..................................................... 41 2.1.1. Khâu....................................................................................... 41 . 2.1.2. Khớp....................................................................................... 42 2.1.3. Các cơ cấu trong robot. .......................................................... 43 . 2.1.4. Cấu trúc không gian hoạt động............................................... 49 2.2. CÁC THÀNH PHẦN ROBOT......................................................... 55 2.2.1. Khớp cổ tay............................................................................ 56 . 2.2.2. Tay gắp (Cơ cấu chấp hành cuối)........................................... 56 2.2.3. Cơ cấu chấp hành................................................................... 56 . 2.2.4. Cảm biến................................................................................. 56 2.3. MỘT SỐ BIẾN THỂ CỦA CÁNH TAY ROBOT............................ 57 2.3.1. Robot bậc tự do thừa (siêu tĩnh)............................................. 57 2.3.2. Robot với các phần tử linh hoạt. ............................................ 58 . 2.3.3. Bàn tay robot.......................................................................... 59 2.4. ROBOT DI ĐỘNG........................................................................... 60 2.4.1. Robot có bánh xe.................................................................... 60 2.4.2. Robot bánh xích...................................................................... 62 2.4.3. Robot có chân......................................................................... 63 5
2.4.4. Robot nhảy............................................................................. 64 . 2.4.5. Robot rắn................................................................................ 66 2.4.6. Robot di chuyển dưới nước.................................................... 69 2.4.7. Robot bay............................................................................... 71 . 2.4.8. Robot trèo............................................................................... 72 2.4.9. Robot tự cấu hình................................................................... 73 2.5. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ROBOT..................................................... 74 2.5.1. Quá trình thiết kế.................................................................... 74 2.5.2. Đặc điểm ảnh hưởng đến quá trình thiết kế. .......................... 78 . 2.6. KẾT LUẬN. ..................................................................................... 82 . Chương 3: BIỂU DIỄN HƯỚNG VÀ VỊ TRÍ..................................... 84 3.1. BIỂU DIỄN MA TRẬN................................................................... 84 . 3.1.1. Biểu diễn 1 điểm trong không gian bằng ma trận.................. 84 . 3.1.2. Biểu diễn một vector trong không gian.................................. 85 3.1.3. Biểu diễn một hệ trục tọa độ tại gốc hệ trục tham chiếu cố định.............................................................................................. 86 3.1.4. Biểu diễn một hệ trục trong hệ trục tham chiếu cố định.......... 86 3.1.5. Biểu diễn một vật rắn............................................................. 87 . 3.2. MA TRẬN CHUYỂN VỊ THUẦN NHẤT. ..................................... 88 . 3.3. BIỂU DIỄN SỰ CHUYỂN VỊ......................................................... 88 3.3.1. Biểu diễn sự chuyển động tịnh tiến........................................ 89 3.3.2. Ma trận biểu diễn sự quay quanh một trục............................. 90 3.3.3. Biểu diễn sự chuyển vị kết hợp.............................................. 92 3.4. NGHỊCH ĐẢO CỦA MA TRẬN CHUYỂN VỊ.............................. 93 3.5. PHÉP QUAY THEO BA GÓC EULER........................................... 96 . 3.6. PHÉP QUAY ROLL – PITCH – YAW (RPY).................................. 98 Chương 4: ĐỘNG HỌC ROBOT. ..................................................... 102 . 4.1. BIỂU DIỄN DENAVIT – HARTENBERG CỦA BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT............................................................................ 102 4.2. ĐỘNG HỌC THUẬN.................................................................... 108 . 4.3. ĐỘNG HỌC NGHỊCH................................................................... 123 4.4. ĐỘNG HỌC CỦA ROBOT 3R TỔNG QUÁT.............................. 138 4.5. ĐỘNG HỌC CƠ CẤU CHẤP HÀNH CUỐI. ............................... 152 . 4.5.1. Khớp cổ tay.......................................................................... 152 . 4.5.2. Kết nối động học.................................................................. 155 . 4.6. KHÔNG GIAN KHỚP, KHÔNG GIAN DESCARTES, KHÔNG GIAN NHIỆM VỤ................................................................. 159 6
4.6.1. Không gian khớp.................................................................. 159 4.6.2. Không gian Descartes........................................................... 159 4.6.3. Không gian nhiệm vụ........................................................... 160 4.6.4. Sự suy biến, kỳ dị và tính linh hoạt (Degeneracy & Dexterity)........................................................................................ 160 4.7. KẾT LUẬN. ................................................................................... 161 . Chương 5: JACOBI VÀ ĐỘNG HỌC VẬN TỐC............................ 168 5.1. VẬN TỐC TRONG HỆ TRỤC DESCARTES VÀ VẬN TỐC GÓC....................................................................................... 168 5.2. MA TRẬN JACOBI CỦA ROBOT................................................ 169 5.3. VẬN TỐC DÀI CỦA CƠ CẤU CHẤP HÀNH CUỐI................... 171 5.3.1. Vận tốc tạo ra do khớp quay................................................. 172 5.3.2. Tịnh tiến vận tốc trong các khớp.......................................... 174 5.4. VẬN TỐC GÓC CỦA CƠ CẤU CUỐI......................................... 175 . 5.5. TÍNH TOÁN JACOBI.................................................................... 177 5.5.1. Jacobi của robot sáu khớp.................................................... 181 . 5.5.2. Jacobi trong những đoạn cổ tay robot.................................. 183 5.5.3. Jacobi của robot sáu khớp trong hệ tọa độ Descartes........... 183 5.5.4. Ma trận Jacobi trong robot Puma 560.................................. 186 5.5.5. Biểu diễn ma trận Jacobi...................................................... 189 5.6. PHÉP TÍNH VI PHÂN TRONG BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGHỊCH................................................................................................ 191 5.7. HƯỚNG VÀ VẬN TỐC GÓC....................................................... 192 5.8. VẬN TỐC KHÂU.......................................................................... 196 5.9. ĐỘNG HỌC VẬN TỐC NGHỊCH................................................ 203 5.10. KẾT LUẬN. ................................................................................. 206 . Chương 6: ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT..............................................211 6.1. GIỚI THIỆU....................................................................................211 6.2. ĐỘNG LỰC HỌC LAGRANGE – EULER.................................. 212 6.2.1. Lực, quán tính và năng lượng............................................... 212 6.2.2. Phương trình chuyển động Lagrange................................... 214 6.3. MOMENT QUÁN TÍNH................................................................ 222 6.4. PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC DÀNH CHO ROBOT NHIỀU BẬC TỰ DO............................................................................ 229 . 6.4.1. Động năng............................................................................ 229 . 6.4.2. Cấu trúc và tính chất của phương trình động lực học robot........ 239 . 6.5. KẾT LUẬN. ................................................................................... 240 . 7
Chương 7: BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT. ............................................ 243 . 7.1. MỘT SỐ KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRONG ROBOT.................................................................................................. 243 7.2. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ROBOT................. 247 . 7.2.1. Thiết kế hệ thống điều khiển vị trí vòng kín dành cho robot. 47 2 7.2.2. Bộ điều khiển PID................................................................ 249 7.3. ĐIỀU KHIỂN CẤU TRÚC NHIỀU KHÂU.................................. 254 7.4. KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI...................................................... 256 7.4.1. Mô hình không gian trạng thái............................................. 256 7.4.2. Mô hình hóa.......................................................................... 260 7.4.3. Thiết kế bộ điều khiển PID................................................... 261 7.4.4. Áp dụng cho điều khiển vị trí............................................... 262 7.4.5. Áp dụng cho điều khiển vận tốc........................................... 263 7.5. ĐIỀU KHIỂN ROBOT PHI TUYẾN............................................. 265 7.5.1. Tuyến tính hóa...................................................................... 265 7.5.2. Điều khiển thích nghi và các hướng khác............................ 267 7.6. ĐIỀU KHIỂN KHÔNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH............................. 269 7.6.1. Điều khiển logic mờ............................................................. 270 7.6.2. Mạng thần kinh nhân tạo...................................................... 292 7.7. HỌC VỚI MẠNG NHIỀU LỚP..................................................... 295 7.8. BIỂU DIỄN NEURON RIÊNG LẺ................................................ 297 7.9. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MỜ KẾT HỢP MẠNG THẦN KINH NHÂN TẠO........................................................................................... 301 7.10. ĐIỀU KHIỂN PID/ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN THẲNG................ 308 7.10.1. Vòng điều khiển của khớp robot........................................ 309 7.10.2. Vòng điều khiển dòng........................................................ 310 . 7.10.3. Vòng điều khiển vận tốc vị trí.............................................311 7.11. ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG..........................................................311 7.11.1. Thuận lợi của việc điều khiển qua mạng và ứng dụng....... 312 7.11.2. Các thành phần của NCS.................................................... 316 7.12. KẾT LUẬN. ................................................................................. 318 . Chương 8: TẠO QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG ROBOT................. 319 8.1. LẬP ĐƯỜNG ĐI VÀ QUỸ ĐẠO DI CHUYỂN CỦA ROBOT... 319 . 8.2. KHÔNG GIAN KHỚP VÀ KHÔNG GIAN DESCARTES.......... 320 . 8.3. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ LẬP QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT......................................................................................... 321 8.3.1. Di chuyển khớp.................................................................... 325 . 8
8.3.2. Di chuyển thẳng.................................................................... 326 8.3.3. Di chuyển theo đường cong. ................................................ 326 . 8.3.4. Tăng tốc và giảm tốc............................................................ 327 8.3.5. Di chuyển liên tục................................................................. 328 8.3.6. Điều khiển servo................................................................... 328 8.4. LẬP QUỸ ĐẠO KHÔNG GIAN KHỚP....................................... 329 . 8.4.1. Lập quỹ đạo là đa thức bậc 3................................................ 329 8.4.2. Lập quỹ đạo đa thức bậc 5.................................................... 337 8.4.3. Các đoạn thẳng với các đoạn cong dạng parabol................. 342 8.4.4. Đoạn di chuyển tuyến tính với chuyển tiếp parabol............. 344 8.4.5. Quỹ đạo thời gian nhỏ nhất.................................................. 347 8.4.6. Quỹ đạo đi qua các điểm...................................................... 348 8.4.7. Các quỹ đạo bậc cao............................................................. 350 8.5. TẠO QUỸ ĐẠO TRONG KHÔNG GIAN DESCARTES............ 353 8.6. BÁM THEO ĐƯỜNG.................................................................... 363 8.7. KẾT LUẬN. ................................................................................... 390 . Chương 9: CẢM BIẾN TRANG BỊ TRÊN ROBOT........................ 393 9.1. GIỚI THIỆU................................................................................... 393 9.2. QUÁ TRÌNH CẢM NHẬN............................................................ 395 9.3. GIAO TIẾP MÁY TÍNH................................................................ 396 . 9.4. PHÂN LOẠI................................................................................... 397 9.5. PHƯƠNG PHÁP ĐO CHUYỂN ĐỘNG THẲNG VÀ QUAY...... 398 9.5.1. Chiết áp................................................................................. 399 9.5.2. Biến áp vi sai (Linear Variable Differential Transformer).... 401 9.5.3. Đĩa mã hóa quang................................................................. 403 9.5.4. Cảm biến đo góc tuyệt đối (Resolver).................................. 408 9.6. CẢM BIẾN ĐO TIỆM CẬN.......................................................... 410 9.6.1. Cảm biến quang.....................................................................411 9.6.2. Cảm biến siêu âm................................................................. 415 9.6.3. Cảm biến điện dung.............................................................. 416 9.6.4. Cảm biến từ cảm................................................................... 417 9.7. CẢM BIẾN XÚC GIÁC................................................................. 417 9.7.1. Giới thiệu.............................................................................. 417 9.7.2. Tính chất của cảm biến xúc giác.......................................... 418 9.7.3. Cảm biến xúc giác nhị phân................................................. 419 9.7.4. Cảm biến xúc giác tương tự................................................. 424 . 9.7.5. Cảm biến trượt...................................................................... 431 9
9.8. CẢM BIẾN ĐO LỰC VÀ MOMENT. .......................................... 433 . 9.8.1. Cảm biến lực khớp............................................................... 433 . 9.8.2. Module cảm biến đo lực gắp................................................ 438 9.8.3. Hệ thống cảm biến lực cổ tay............................................... 439 9.9. CẢM BIẾN ĐỊNH VỊ..................................................................... 440 9.9.1. La bàn................................................................................... 440 9.9.2. GPS....................................................................................... 442 9.10. HỆ THỐNG XÁC ĐỊNH KHOẢNG CÁCH VÀ HƯỚNG CỦA ĐỐI TƯỢNG................................................................................ 443 9.10.1. Phép đo hình tam giác........................................................ 444 9.10.2. Khoảng thời gian phát và nhận: (time of flight ranging).......... 451 9.10.3. Điện từ................................................................................ 453 9.10.4. Ánh sáng............................................................................. 453 9.10.5. Âm thanh, siêu âm.............................................................. 454 9.10.6. Hình ảnh trắc viễn.............................................................. 458 . 9.11. KẾT LUẬN................................................................................... 458 Chương 10: ROBOT SONG SONG................................................... 459 10.1. GIỚI THIỆU................................................................................. 459 10.2. PHÂN TÍCH VỊ TRÍ..................................................................... 460 10.2.1. Robot song song phẳng...................................................... 460 10.2.2. Robot song song cầu........................................................... 461 10.3. PHÂN TÍCH VỊ TRÍ CỦA ROBOT SONG SONG 3RRR.......... 462 10.4. PHÂN TÍCH VỊ TRÍ CỦA CƠ CẤU ĐỊNH HƯỚNG KHÔNG GIAN...................................................................................... 466 10.5. PHÂN TÍCH VỊ TRÍ CỦA ROBOT SONG SONG MARYLAND........................................................................................ 470 . 10.6. ROBOT SONG SONG KHÔNG GIAN 3RPS. ........................... 475 . 10.7. BỆ STEWARD GOUGH TỔNG QUÁT...................................... 482 10.8. KẾT LUẬN. ................................................................................. 485 . Chương 11: ROBOT CÁP................................................................... 488 11.1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG CÁP........................................................................................... 488 . 11.1.1. Các nghiên cứu ứng dụng về CDPR................................... 488 11.1.2. Các vấn đề cơ bản về CDPR. ............................................. 492 . 11.1.3. Robot cáp nối tiếp............................................................... 493 11.1.4. Robot cáp cấu hình song song – CDPR.............................. 493 10
11.2. ĐỘNG HỌC – ĐỘNG LỰC HỌC CDPR VÀ MA TRẬN CẤU TRÚC........................................................................................... 496 11.2.1. Động học nghịch CDPR..................................................... 496 11.2.2. Động học vận tốc CDPR.................................................... 499 . 11.2.3. Hệ phương trình cân bằng.................................................. 500 11.2.4. Động lực học CDPR........................................................... 501 11.2.5. Không gian hoạt động của CDPR. ..................................... 503 . 11.2.6. Bài toán phân phối lực căng cáp......................................... 503 11.2.7. Bài toán động học nghịch với độ võng cáp........................ 504 11.3. CDPR 6 BẬC TỰ DO – 8 CÁP.................................................... 506 11.4. KẾT LUẬN................................................................................... 512 Chương 12: ROBOT BẦY ĐÀN (SWARM ROBOTS).................... 515 12.1. GIỚI THIỆU................................................................................. 515 12.2. PHƯƠNG THỨC DI CHUYỂN. ................................................. 522 . 12.2.1. Robot di chuyển trên bánh xe............................................. 522 12.2.2. Mô hình hệ thống cảm biến tiệm cận................................. 525 12.2.3. Mô hình động học............................................................... 526 12.2.4. Mô hình hóa robot bầy đàn................................................. 528 12.3. PHẦN CỨNG CỦA CÁ THỂ ROBOT........................................ 530 12.3.1. Xử lý tín hiệu...................................................................... 531 12.3.2. Giao tiếp ảo........................................................................ 535 . 12.4. PHƯƠNG THỨC TRUYỀN THÔNG CỦA CÁC CÁ THỂ........ 539 12.4.1. Phương thức truyền thông.................................................. 539 12.4.2. Ước tính khoảng cách vật cản bằng cảm biến hồng ngoại............................................................................................... 540 12.4.3. Chế độ truyền trong giao tiếp bằng sóng ánh sáng............. 543 12.5. MÔ HÌNH VI MÔ HÀNH VI TỰ TỔ CHỨC TẬP HỢP (MICROSCOPIC MODEL FOR SELF-ORGANIZED AGGREGATION)................................................................................. 544 . 12.6. HỆ THỐNG TƯƠNG TÁC NGƯỜI – BẦY ROBOT (HUMAN- SWARM INTERACTION)................................................................... 551 . TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................... 553 11
12
Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT ROBOT Chương này cung cấp các kiến thức cơ bản về kỹ thuật robot, lịch sử hình thành và phát triển, các sản phẩm robot ứng dụng, cấu hình các loại robot công nghiệp, robot phỏng sinh, robot di động. Các phương pháp phân loại robot. Các thành phần cấu thành nên robot. Các hướng nghiên cứu và ứng dụng robot trong tương lai cũng được trình bày và phân tích. 1.1. GIỚI THIỆU Hầu hết mọi người đều đã được nghe về tay máy, người máy hay robot nhưng không phải ai trong chúng ta đều biết chắc chắn robot là gì. Robot xuất phát ban đầu từ những câu chuyện tưởng như là viễn tưởng được hiện thực hóa vào đời sống con người. Khi nói về robot, chúng ta thường nghĩ đến đó là những cỗ máy với hình dạng con người với đặc tính phỏng sinh. Tuy nhiên, robot không chỉ là những cỗ máy giống người hoặc sinh vật mà nó còn là những cánh tay máy phục vụ công nghiệp hoặc những dây chuyền tự động hóa. Trong Tiêu chuẩn ISO 8373 của Tổ chức Tiêu chuẩn Quốc tế (International Organization for Standardization) định nghĩa robot công nghiệp như sau: “Robot là một tay máy phục vụ đa mục đích, có thể lập trình, điều khiển tự động với ít nhất là 3 bậc tự do”. Còn Viện Robot Hoa Kỳ (Robot Institute of America) lại định nghĩa robot như sau: “Robot là một tay máy hay cỗ máy đa chức năng có thể lập trình, được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ, các thiết bị đặc biệt với những di chuyển được lập trình trước để thực hiện các nhiệm vụ khác nhau”. Trên trang web Merriam Webster định nghĩa robot như sau: “Robot là một cỗ máy giống con người và thực hiện nhiều hành động phức tạp khác nhau (như đi lại hoặc nói chuyện) của con người”. Thông thường, chúng ta thường đề cập đến tự động hóa công nghiệp và robot công nghiệp như là hai lĩnh vực khác nhau, nhưng trong thực tế robot công nghiệp và các máy tự động hóa thường kết hợp với nhau. Từ robot hay robot học được sử dụng hiện nay có xuất xứ từ những năm đầu thế kỷ trước. Nó được sử dụng đầu tiên bởi nhà viết kịch người Czechoslovakian – Karel Capek trong vở kịch “Rossum's Universal Robots”. Robot của Capek được viết mô tả để phục vụ cho con người. Còn Isaac Asimov trong các câu chuyện khoa học viễn tưởng của mình đã đưa ra các khái niệm robot học (Robotics) như là khoa học nghiên cứu về robot. Kỹ thuật robot là kết quả của cuộc cách mạng công nghiệp cũng 13
như cuộc cách mạng về công nghệ thông tin. Một cách đơn giản nhất để có thể định nghĩa robot là máy được điều khiển bởi máy tính có thể lập trình được để thực hiện các tác vụ khác nhau một cách tự động. Những máy điều khiển bằng máy tính được thiết kế để thực hiện một công việc chuyên biệt nào đó và yêu cầu thiết kế lại khi thực hiện nhiệm vụ khác thì không được gọi là robot, ngay cả những máy được điều khiển từ xa cũng không phải là robot. Lịch sử của kỹ thuật robot Trong suốt nhiều thế kỷ, con người đã chế tạo các cơ cấu thay thế các bộ phận trong cơ thể con người. Hầu hết trong giai đoạn đầu trước Công nguyên, các thiết bị tự động đều mang tính chất tâm linh nhiều hơn tính chất phục vụ cho cuộc sống con người. Người Ai Cập cổ đại gắn các cơ cấu cơ khí như các cánh tay vào các bức tượng các vị thánh, thần. Các cánh tay này được điều khiển bởi người giáo sỹ. Người Hy Lạp chế tạo các tượng hoạt động bằng các hệ thống truyền động với lưu chất là nước và đây là nguồn gốc của khoa học thủy lực ngày nay. Từ những năm trước Công nguyên đã xuất hiện các máy móc tự động, Hình 1.1 cho thấy sơ đồ nguyên lý máy tự động truyền động bằng nước từ xa xưa được gọi là máy Hercules giết rồng, con rồng sẽ phun nước vào Hercules và Hercules sẽ giết rồng bằng cách bắn mũi tên vào nó. Hệ thống truyền động bằng nước này được chế tạo bởi Alexandria khoảng vào 300 năm trước Công nguyên. Hình 1.1: Máy Hercules giết rồng (Giovanni Battista Aleoti 1589) Cách đây vài trăm năm đã xuất hiện các máy tự động cơ khí đầu tiên phục vụ cho việc giải trí. Các bản nhạc sẽ được phát ra tự động hoàn toàn và lặp đi lặp lại thông qua việc lên giây cót, thiết bị này gọi là hộp âm nhạc đó cũng là đĩa mang chương trình đầu tiên trên thế giới. Các máy móc và hệ thống tự động bắt đầu phát triển cùng với cuộc cách 14
mạng công nghiệp. Ví dụ máy tự động hoàn toàn sử dụng trong công nghiệp dệt ở Pháp và Ý. Trước đó, quá trình dệt vải hoàn toàn thủ công và tạo hoa văn đều do con người điều khiển khung dệt vải như Hình 1.2. Vào năm 1801, Jacquard phát minh ra máy dệt sử dụng bìa đục lỗ để xác định hình ảnh cần được dệt. Đây là một trong những máy tự động đầu tiên được chỉ ra ở Hình 1.3.a. Để dệt nên chân dung của chính mình, Jaquard đã sử dụng 10.000 bìa đục lỗ trên lụa đen và trắng. Hình 1.3.b là chân dung Jaquard được dệt bởi khung dệt điều khiển bằng bìa đục lỗ. Các bìa đục lỗ này có thể được đục các lỗ khác nhau để tạo nên những hoa văn mà người ta mong muốn. Tuy nhiên, các máy dệt này là máy tương đối đơn giản, không mang tính thông minh, quá trình lập trình này vẫn phải thực hiện bằng tay và những hoa văn phức tạp đòi hỏi kỹ năng của người thợ đục lỗ khá nhiều. Hình 1.2: Dệt vải tại Trung Quốc ngày xưa, thay đổi hình dạng hoa văn (FLT online Journal) 15
a. Máy dệt tự động b. Chân dung Jacquard Hình 1.3: Máy dệt tự động bằng bìa đục lỗ và chân dung Jacquard được dệt (Joseph Marie Jacquard) Trong thế kỷ thứ XIX, các máy móc tự động cũng đã được chế tạo khá nhiều tại Châu Âu. Hầu hết, các máy này đều được điều khiển bởi các cơ cấu cam, các khâu truyền động hay các trống thùng… Đây là giai đoạn đầu của tự động hóa. Lúc ban đầu, các máy tự động này đều được thiết kế dưới hình dạng người nổi tiếng, các phụ nữ, người đánh trống thổi sáo. Vào năm 1738, Vaucanson chế tạo hai con vịt máy được điều khiển hoàn toàn bằng cơ khí. Sơ đồ được biểu diễn ở Hình 1.4, con vịt này có thể di chuyển, ăn, bơi, tiêu hóa,… Hình 1.4: Sơ đồ của vịt máy Vaucanson (Jacques de Vaucanson) 16
Ngoài ra, với mong muốn chế tạo ra một người máy thay thế và phục vụ con người, từ các thế kỷ trước, các nhà chế tạo đã cố gắng thiết kế các máy móc có hình dạng giống con người và có thể thực hiện được các hoạt động của con người. Ở Bảo tàng Lịch sử Nghệ thuật Thụy Sĩ có trưng bày một robot cơ khí được chế tạo từ năm 1774, robot này có thể chấm viết lông ngỗng vào mực và viết theo chương trình lập sẵn bằng các cơ cấu cam. Nó được lập trình bằng cách thay thế các cơ cấu cam. Máy này được gọi là thư ký máy hay “The young writer” (Hình 1.5). Cũng vào thế kỷ này, các máy móc tự động cơ khí được chế tạo khá nhiều để có thể thực hiện nhiều chức năng, ngay cả các chức năng phức tạp như vẽ, viết. Và lúc này, nghệ thuật và kỹ thuật đã được kết hợp nhuần nhuyễn vào trong các ứng dụng giải trí như Jacques De Vaucason cũng chế tạo ra máy thổi sáo dưới dạng người. Với máy này có thể đưa môi bằng cao su vào chính xác vị trí để đưa dòng khí vào và điều khiển dòng khí vào trong để tạo ra những nốt âm nhạc khác nhau như cách người nhạc công làm. Bằng cách làm các ngón tay di chuyển trên các lỗ của sáo, robot này có thể thực hiện được 12 bài khác nhau. Vào năm 1865, trên tạp chí American Magazine có đăng một câu chuyện khoa học viễn tưởng về một người máy có thể di chuyển trên hai chân hoạt động bằng hơi nước như hình gọi là Steam Man (Người hơi nước). Robot này sau này có đặc tính giống và phức tạp như những robot dạng người chế tạo trong thế kỷ XX và thế kỷ XXI. Hình 1.5: Phía trước và phía sau máy thư ký 17
Hình 1.6: Câu chuyện khoa học viễn tưởng về người hơi nước (Steam man) Vào năm 1890, Edison đã tung ra sản phẩm búp bê biết nói (Hình 1.7) đây là bước tiến lớn trong lịch sử máy hát đĩa - máy quay đĩa đầu tiên trên thị trường giải trí gia đình với một đĩa trụ được thu âm trước và không thay đổi được. Robot biết nói của Edison cao 22 inch và nặng 2 kg. Kích thước máy quay khá nhỏ và phát âm thanh từ ngực của búp bê. Và đây cũng được xem như là một máy có thể nói tự động đầu tiên trên thế giới. Tới đầu thế kỷ XX, tức là 100-150 năm sau khi bắt đầu cuộc cách mạng công nghiệp, có nhiều vấn đề kỹ thuật đã được giải quyết. Một cần cẩu với tay gắp điều khiển bằng động cơ để di chuyển vật liệu kim loại nóng chảy từ lò nấu được chế tạo bởi Babbit vào năm 1892. Vào năm 1921, từ robot được sử dụng đầu tiên bởi nhà viết kịch người Czechoslovakian – Karel Capek (trong vở kịch “Rossum's Universal Robots”. “Robot” là tiếng Slava chỉ người công nhân hay người phục vụ. Trong vở kịch của Capek, robot là một máy với hình dạng người, nổi loạn, giết cả ông chủ người của mình và thống trị thế giới. Như vậy Capek là cha đẻ của từ “robot” và từ “robot” ra đời đã hơn 90 năm. 18
Hình 1.7: Búp bê biết nói của Edison Vào năm 1926, bộ phim đầu tiên về robot là “Metropolis” được sản xuất tại Đức (Hình 1.8). Vào năm 1939, Electro, một robot đi được và một con chó máy Sparko được triển lãm trong hội chợ thế giới tại NewYork. Isaac Asimov trong các câu chuyện khoa học viễn tưởng của mình đã đưa ra các khái niệm robot học (Robotics) như là khoa học nghiên cứu về robot. Và sau này tùy theo từng lĩnh vực mà khái niệm robot có nhiều định nghĩa khác nhau. Hình 1.8: Bộ phim Metropolis của Đức vào năm 1927 19
Hình 1.9: Người máy Roboter Pollard phát minh ra tay máy cơ khí dành cho việc sơn vào năm 1938. Được phát triển bởi Goertz, robot này được điều khiển từ xa thông qua sóng vô tuyến. Nó được thiết kế để điều khiển tay máy bằng sóng vô tuyến phục vụ trong khu vực phóng xạ. Người vận hành ngăn cách với khu vực phóng xạ bởi một bức tường bêtông có các cửa trong suốt để có thể quan sát khu vực bên trong, con người sẽ điều khiển thông qua các cần điều khiển. Vào năm 1947, một robot vận hành bằng vô tuyến điều khiển servo đầu tiên ra đời, nó được đo lường bằng các cảm biến và sử dụng các động cơ điện. Cùng lúc với thời gian này, máy tính điện tử kích thước lớn (ENIAC) được chế tạo tại Đại học Pennsylvania và máy tính số đa mục đích đầu tiên được chế tạo và giải quyết các vấn đề tại MIT. Với sự phát triển của vô tuyến, vào năm 1948, Goertz đã chế tạo một tay máy điều khiển từ xa. Cũng trong năm này General Mills chế tạo ra tay máy sử dụng động cơ điện và các công tắc hành trình. Vào năm 1956, General Mills chế tạo ra tay máy hoạt động dưới biển. Bắt đầu từ thế kỷ XX, khi kỹ thuật điện tử phát triển đã xuất hiện khá nhiều sản phẩm cơ điện tử. Người máy Roboter đã được trưng bày tại triển lãm Radio London năm 1932 của công ty Bettman Archive, Inc (Hình 1.9). Vào năm 1968, R.S.Mosher ở Công ty General Electric chế tạo ra robot có thể di chuyển 20