Tổng quan về cơ điện tử - Luận văn, đồ án, đề tài tốt nghiệp

Trong nền kinh tế toàn cầu hiện nay, quốc gia nào đưa ra được các sản phẩm có sức cạnh tranh cao sẽ có được thị phần và cơ hội phát triển. Cơ điện tử là một lĩnh vực chuyên môn kết nối đa ngành kỹ thuật cho phép tạo ra các sản phẩm trí tuệ với giá thành ngày càng rẻ như thế. Sự phát triển của máy tính và công nghệ phần mềm làm cho cơ điện tử trở thành một đòi hỏi cấp thiết của những thập niên cuối thế kỷ 20. Sang thế kỷ 21, với những tiến bộ trong các hệ thống cơ-điện-sinh học máy tính lượng tử, hệ thống pico và nano, tương lai của cơ điện tử sẽ đầy ắp triển vọng sáng sủa và tiềm năng.
Thuật ngữ cơ điện tử (mechatronic) ra đời ở Nhật Bản vào những năm cuối thập niên 1960. Khi đó người ta coi cơ điện tử là một lĩnh vực công nghệ liên ngành giữa cơ khí, điện/điện tử. Công nghệ này đã tạo ra nhiều sản phẩm mới cũng như cung cấp một giải pháp tăng hiệu quả và tính năng của các máy móc thông dụng trong đời sống con người. Từ đó đến nay cơ điện tử có sự phát triển không ngừng và đóng vai trò quan trọng trong khoa học công nghệ, nhất là khi kỹ thuật vi xử lý ra đời vào những năm 1970. Mặc dù vậy khái niệm cơ điện tử không được thể hiện một cách rõ ràng và nhất quán trong các tài liệu cũng như trong cách hiểu của mọi người. Nhiều người hiểu cơ điện tử là một hệ thống gồm các phần cơ khí, điện, điện tử, máy tính, sensor, actuator, . Một số lại hiểu sản phẩm cơ điện tử là một thiết bị có thêm phần điều khiển điện tử và phần mềm thay thế một phần chức năng của phần cơ khí trước đây. Cách hiểu này dẫn đến suy nghĩ rằng cơ điện tử không có gì mới mà chỉ đơn thuần là sự tập hợp các lĩnh vực khoa học công nghệ có sẵn. Trong khi đó, nhiều sách về cơ điện tử có cấu trúc nhiều chương, mỗi chương lại nói về một công nghệ riêng rẽ, càng làm người đọc hiểu cơ điện tử không phải là một công nghệ thống nhất.
Hiểu cơ điện tử như thế là chưa đủ và chưa thấy hết bản chất của nó. Trước hết phải hiểu cơ điện tử là một công nghệ thống nhất chứ không phải là sự tập hợp đơn thuần của nhiều công nghệ khác nhau. Là một thể thống nhất nên thiết kế các sản phẩm cơ điện tử phải là một thiết kế tối ưu, cộng năng của các công nghệ khác nhau tạo nên một thiết bị, một hệ thống có sự kết hợp hữu cơ như một cơ thể sống. Có nghĩa là phần cơ khí, phần điện tử, phần điều khiển, phần mềm, sensor, actuator, v.v. của một sản phẩm cơ điện tử là các phần xương thịt của nhau, ảnh hưởng lẫn nhau. Do vậy cấu trúc của các công nghệ khác nhau phải thay đổi để tạo nên một cấu trúc thống nhất trong một sản phẩm.

163 trang

Chia sẻ: ngtr9097

| Lượt xem: 7306

| Lượt tải: 7

download

Bạn đang xem trước

20 trang

tài liệu Tổng quan về cơ điện tử, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Chương 1:

TỔNG QUAN VỀ CƠ ĐIỆN TỬ

1.1 Cơ điện tử là gì ?

Thuật ngữ cơ điện tử (mechatronic) ra đời ở Nhật Bản vào những năm cuối thập niên 1960. Khi đó người ta coi cơ điện tử là một lĩnh vực công nghệ liên ngành giữa cơ khí, điện/điện tử. Công nghệ này đã tạo ra nhiều sản phẩm mới cũng như cung cấp một giải pháp tăng hiệu quả và tính năng của các máy móc thông dụng trong đời sống con người. Từ đó đến nay cơ điện tử có sự phát triển không ngừng và đóng vai trò quan trọng trong khoa học công nghệ, nhất là khi kỹ thuật vi xử lý ra đời vào những năm 1970. Mặc dù vậy khái niệm cơ điện tử không được thể hiện một cách rõ ràng và nhất quán trong các tài liệu cũng như trong cách hiểu của mọi người. Nhiều người hiểu cơ điện tử là một hệ thống gồm các phần cơ khí, điện, điện tử, máy tính, sensor, actuator, … Một số lại hiểu sản phẩm cơ điện tử là một thiết bị có thêm phần điều khiển điện tử và phần mềm thay thế một phần chức năng của phần cơ khí trước đây. Cách hiểu này dẫn đến suy nghĩ rằng cơ điện tử không có gì mới mà chỉ đơn thuần là sự tập hợp các lĩnh vực khoa học công nghệ có sẵn. Trong khi đó, nhiều sách về cơ điện tử có cấu trúc nhiều chương, mỗi chương lại nói về một công nghệ riêng rẽ, càng làm người đọc hiểu cơ điện tử không phải là một công nghệ thống nhất.

Hiểu cơ điện tử như thế là chưa đủ và chưa thấy hết bản chất của nó. Trước hết phải hiểu cơ điện tử là một công nghệ thống nhất chứ không phải là sự tập hợp đơn thuần của nhiều công nghệ khác nhau. Là một thể thống nhất nên thiết kế các sản phẩm cơ điện tử phải là một thiết kế tối ưu, cộng năng của các công nghệ khác nhau tạo nên một thiết bị, một hệ thống có sự kết hợp hữu cơ như một cơ thể sống. Có nghĩa là phần cơ khí, phần điện tử, phần điều khiển, phần mềm, sensor, actuator, v.v… của một sản phẩm cơ điện tử là các phần xương thịt của nhau, ảnh hưởng lẫn nhau. Do vậy cấu trúc của các công nghệ khác nhau phải thay đổi để tạo nên một cấu trúc thống nhất trong một sản phẩm.

Với quan niệm như thế, các chuyên gia trên thế giới đã đưa ra các định nghĩa khác nhau về cơ điện tử. Bắt đầu từ định nghĩa đầu tiên về cơ điện tử của Yasakawa Electric Company: “Từ mechatronics (cơ điện tử) được tạo thành bởi “mecha” trong mechanism (máy móc) và “tronics” trong electronics (điện tử). Nói cách khác, các công nghệ và sản phẩm phát triển sẽ hợp nhất điện tử một cách mật thiết và hữu cơ ngày càng nhiều vào trong máy móc, và làm nó không thể nói nơi một cái kết thúc và cái khác bắt đầu”. Sự tiến bộ của công nghệ theo thời gian, nhất là sự phát triển của máy tính, khiến cho định nghĩa cơ điện tử thay đổi. Năm 1996, Harashima, Tomizuka và Fukada quan niệm cơ điện tử là “sự tích hợp của kỹ thuật cơ khí, cùng với điện tử và điều khiển máy tính thông minh trong thiết kế và sản xuất các sản phẩm và quá trình công nghiệp”. Theo Auslander và Kempf (1996): “cơ điện tử là một ứng dụng của việc tạo quyết định liên hợp để điều hành các hệ thống vật lý”. Và gần đây, W.Bolton đề xuất định nghĩa: “Một hệ thống cơ điện tử không chỉ là sự kết hợp chặt chẽ các hệ thống cơ khí – điện và còn hơn cả một hệ thống điều khiển; nó là sự tích hợp hoàn toàn của tất cả những thứ đó”. Tất cả các định nghĩa và phát biểu trên đều chính xác và có giá trị nhưng chúng không định nghĩa được hoàn toàn cơ điện tử. Hiện nay, thế giới tiếp tục có những cố gắng để định nghĩa cơ điện tử, để phân loại các sản phẩm cơ điện tử và để phát triển một chương trình giảng dạy cơ điện tử chuẩn. Tuy nhiên khó có thể miêu tả hoàn thiện “cơ điện tử là gì”. Sự thiếu nhất trí đó là một tín hiệu lành mạnh. Nó cho thấy lĩnh vực này đang tồn tại, có nghĩa đấy là một vấn đề mới mẻ. Thậm chí khi không có định nghĩa thống nhất về cơ điện tử, các kỹ sư cũng hiểu được nó từ những định nghĩa trên và từ việc bản thân họ chiêm nghiệm được bản chất triết học của cơ điện tử qua thực tiễn. Các sản phẩm cơ điện tử vẫn liên tục được ra đời trong vòng 30 năm qua bằng những xử lý tự nhiên như thế. Mặc dù vậy cần thiết phải nghiên cứu cơ điện tử để cung cấp một kỹ năng giúp mọi người hiểu và giải thích được quá trình thiết kế kỹ thuật cũng như định nghĩa, phân loại, thiết lập và tích hợp nhiều khía cạnh kỹ thuật trong sản phẩm cơ điện tử thống nhất.

1.2 Lịch sử phát triển của cơ điện tử

Việc cố gắng để xây dựng một hệ thống cơ khí tự động đã có từ rất lâu. Các ứng dụng của điều khiển tự động xuất hiện ở Hy Lạp từ những năm 300 đến năm thứ nhất trước CN, với sự phát triển của cơ cấu điều chỉnh bằng phao. Ví dụ như đồng hồ nước của Ktesibios và đèn dầu của Philon. Đến giữa thế kỷ 17 và 19, ở Châu Âu, nhiều máy móc quan trọng được tạo ra mà sau này tham gia vào cơ điện tử. Cornelis Drebbel (Hà Lan, 1572-1633) nghĩ ra máy điều chỉnh nhiệt độ được xem là hệ thống có phản hồi đầu tiên. Sau đó, Dennis Papin (1647-1712) sáng chế ra cơ cấu điều chỉnh an toàn áp suất nồi hơi vào năm 1681. Máy tính cơ khí đầu tiên được tạo ra bởi Pascal vào năm 1642.

Sự phát triển xa hơn trong tự động hóa được thúc đẩy bởi lý thuyết điều khiển tự động với khởi nguồn là máy điều tốc ly tâm của Watt vào năm 1769 (hình 1.1). Máy điều tốc ly tâm dùng để điều chỉnh tốc độ của động cơ hơi nước. Nó dùng phép đo tốc độ của trục đầu ra và sử dụng sự chuyển động của quả văng để điều chỉnh van, do đó lượng hơi nước vào động cơ được điều chỉnh. Đây là một thí dụ về hệ thống điều khiển có phản hồi mà tín hiệu phản hồi và cơ cấu chấp hành điều khiển được ghép hoàn toàn trong phần cứng cơ khí.

Đến thế kỷ 19, hàng loạt các phát minh ra đời. Tiền thân của máy điều khiển số (NC) xuất hiện đầu thế kỷ 19 với điều khiển feed-forward khung dệt của Joseph Jacquard (Pháp). Vào thập niên 1830, Michael Faraday miêu tả định luật cảm ứng là nền tảng của động cơ điện và máy phát điện. Sau đó, vào những năm cuối thập niên 1880, Nikola Tesla phát minh ra động cơ điện xoay chiều. Ý tưởng cơ bản của việc điều khiển hệ thống cơ khí một cách tự động được thiết lập vững chắc vào cuối thế kỷ 19. Sự phát triển của tự động tăng lên nhanh chóng trong thế kỷ 20.

Sự tiến triển của phần tử điều khiển khí nén vào những năm 1930 đã tìm được ứng dụng trong công nghiệp. Suốt thập niên 1940, sự tiến bộ trong phương pháp giải tích và toán học củng cố khái niệm kỹ thuật điều khiển như là môn học kỹ thuật độc lập. Thế chiến thứ 2 đem đến những bước tiến trong lý thuyết và thực tiễn của điều khiển tự động nhằm thiết kế và xây dựng hệ thống dẫn đường máy bay tự động, hệ thống súng – vị trí, hệ thống điều khiển anten rađa, và các hệ thống quân sự khác. Sự phức tạp của các hệ thống quân sự này mở ra các công nghệ điều khiển và cổ vũ sự quan tâm điều khiển hệ thống. Thập niên 1950, sự phát minh ra cam, các liên kết, và xích xe trở thành những công nghệ chính cho việc tìm ra các sản phẩm mới cũng như sản xuất, lắp ráp với độ chính xác tốc độ cao. Sự phát minh ra bộ vi xử lý trong những năm cuối thập niên 1960 mang lại hình thái của điều khiển bằng máy tính trong xử lý và thiết kế sản phẩm.

Những thành tựu trong sản xuất bán dẫn và mạch tích hợp (IC) đem đến sự tiến bộ của một lớp các sản phẩm mới kết hợp chặt chẽ cơ khí và điện tử trong hệ thống đồng thời yêu cầu cả hai gắn chặt chức năng của chúng. Thuật ngữ cơ điện tử được đưa ra bởi Yasakawa Electric Company vào năm 1969 để giới thiệu các hệ thống như thế . Yasakawa đăng ký độc quyền thuật ngữ này vào năm 1972, nhưng sau đó để dùng rộng rãi trên thế giới, thuật ngữ đó được phổ biến vào năm 1982. Ban đầu, cơ điện tử dùng để chỉ các hệ thống chỉ có các thành phần cơ khí và điện tử – không yêu cầu sự tính toán. Ví dụ như của trượt tự động, máy bán hàng tự động, hệ thống mở của nhà để ô tô.

Vào cuối thập niên 1970, Hội xúc tiến công nghiệp máy của Nhật (the Japan Society for the Promotion of Machine Industry – JSPMI) phân chia sản phẩm cơ điện tử thành 4 loại:

Loại I: Các sản phẩm cơ khí là chính với sự kết hợp của điện tử để nâng cao chức năng. Ví dụ như các công cụ máy được điều khiển số hoá và điều chỉnh tốc độ biến thiên trong máy sản xuất.

Loại II: Các hệ thống cơ khí truyền thống với sự hiện đại hoá đặc biệt các thiết bị bên trong bằng việc kết hợp điện tử. Giao diện người dùng bên ngoài không đổi. Ví dụ như máy khâu hiện đại và các hệ thống sản xuất được tự động.

Loại III: Các hệ thống giữ lại chức năng của hệ thống cơ khí truyền thống nhưng máy móc bên trong được thay thế bằng điện tử. Ví dụ như đồng hồ số hóa.

Loại IV: Các sản phẩm được thiết kế với các công nghệ cơ khí và điện tử tích hợp hỗ trợ nhau. Ví dụ như máy photocopy, máy làm khô và rửa thông minh, nồi cơm điện, và lò tự động.

Các công nghệ cho mỗi loại sản phẩm cơ điện tử minh họa sự tiến bộ của các sản phẩm cơ – điện với bước dài của những sự phát triển lý thuyết điều khiển, các công nghệ tính toán, và các bộ vi xử lý. Các sản phẩm loại I dùng công nghệ servo, điện tử công suất, lý thuyết điều khiển. Các sản phẩm loại II dùng khả năng của các thiết bị nhớ vào tính toán, khả năng thiết kế mạch theo đơn đặt hàng. Các sản phẩm loại III dựa vào bộ vi xử lý và các mạch tích hợp thay thế các hệ thống cơ khí. Cuối cùng, các sản phẩm loại IV đánh dấu sự bắt đầu của hệ thống cơ điện tử thực sự, thông qua sự tích hợp các hệ thống cơ khí và điện tử. Đến tận những năm 1970 với sự phát triển bộ vi xử lý của Intel thì việc kết hợp hệ thống máy tính với hệ thống cơ khí mới trở nên thực tế.

Sang thập niên 1980, công nghệ thông tin được hình thành thì các bộ vi xử lý được nhúng vào trong các hệ thống cơ khí để nâng cao tính năng của hệ thống. Máy công cụ điều khiển số và robot trở nên hoàn hảo hơn, trong khi đó các ứng dụng trong ôtô như hệ thống điều khiển động cơ điện tử và hệ thống phanh chống bó cứng được dùng rộng rãi.

Trong thập niên 1990, công nghệ truyền thông được đưa vào các sản phẩm cơ điện tử làm chúng có khả năng kết nối trong mạng rộng. Sự phát triển này mang đến những chức năng mới như điều khiển cánh tay robot từ xa. Trong thời gian này, các công nghệ sensor và actuator mới, nhỏ hơn – thậm chí cấp độ micro –được dùng ngày càng nhiều trong các sản phẩm mới. Hệ thống vi cơ-điện như vi gia tốc kế silicon dùng để khởi động túi khí ôtô là một ví dụ mới nhất.

Sự phát triển của cơ điện tử đến giai đoạn này tạo nên một hệ nhất quán và là một giai đoạn phát triển về chất chứ không đơn thuần chỉ là sự phát triển rầm rộ về số lượng. Máy tính và các chíp vi xử lý đó mạnh và rẻ để có thể nhúng vào các sản phẩm cùng với các công nghệ cao khác như sensor, actuator, công nghệ phần mềm, công nghệ điều khiển số hiện đại … cho ra những sản phẩm thông minh. Các chức năng của máy móc và hệ thống kỹ thuật hiện nay phụ thuộc chủ yếu vào phần mềm có thể là một thuật toán, mạng nơron, hệ mờ trong máy tính của sản phẩm. Như vậy cơ điện tử là một công nghệ tổng hợp ngày càng nhiều các công nghệ khác trong nó để có thể có được các sản phẩm ngày càng hoàn hảo hơn.

1.3 Xu hướng phát triển của cơ điện tử

Xu thế phát triển của cơ điện tử là tích hợp trong đó ngày càng nhiều công nghệ cao, trí tuệ của sản phẩm ngày càng thông minh hơn và kích thước ngày càng nhỏ hơn.

Một số công nghệ mới đóng vai trò quan trọng trong các sản phẩm và hệ thống cơ điện tử trong thời gian tới là công nghệ mạng máy tính nhúng và công nghệ vật liệu mới. Với công nghệ mạng máy tính nhúng, các sản phẩm cơ điện tử sẽ có chức năng hội thoại và hợp tác phối hợp thực hiện được nhiều nhiệm vụ có độ phức tạp cao hoặc đồng thời ở nhiều địa điểm trên diện rộng. Công nghệ vật liệu mới cho ta nhiều vật liệu có đặc tính như điều khiển được hoặc có khả năng biến dạng để chế tạo các cơ cấu chấp hành hoặc cấu trúc cơ khí không gian 3 chiều phong phú cho các sản phẩm cơ điện tử.

Công nghệ micro/nano nhằm thu nhỏ các thiết bị máy móc xuống kích thước của phân tử cho các sản phẩm công nghệ trong tương lai. Với việc điều khiển chính xác các nguyên tử và phân tử, con người có thể chế tạo ra các cảm biến mới, các vật liệu nhân tạo thông minh, bộ nhớ có dung lượng terabyte (1012 byte), các robot/máy kích thước micro, các hệ thống thông minh cực nhỏ v.v… Tuy nhiên công nghệ nano còn nhiều thách thức mà hiện nay con người chưa giải quyết được. Sự hiểu biết cơ chế hoạt động, điều khiển ở kích thước nano còn chưa hoàn hảo, công nghệ điều khiển nano còn chưa phát triển. Các nghiên cứu về micro/nano mechatronics mới đang ở giai đoạn đầu.

Xu thế nhỏ hóa các thiết bị máy móc đang là xu hướng tiến hóa các sản phẩm ở hầu hết các sản phẩm công nghiệp như các thiết bị điện tử gia dụng (máy điều hoà, lò vi sóng, máy giặt, …), các thiết bị truyền thông, các thiết bị y tế, các phương tiện giao thông, các hệ thống điều khiển, các dây chuyền công nghệ… Sự phát triển của công nghệ vi điện tử ngày càng nhỏ với chức năng ngày càng mạnh và giá thành ngày càng rẻ cho thấy khả năng phát triển của các sản phẩm nhỏ gọn và có nhiều tính năng phong phú, vượt trội.

Xu thế thông minh hóa các sản phẩm cơ điện tử được thể hiện ở việc phát triển trí thông minh cho các sản phẩm. Các nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo, mạng nơron, hệ chuyên gia, giải thuật gen, các phương pháp xử lý song song… đang là hướng nghiên cứu thời sự cho các hệ điều khiển thông minh áp dụng cho các sản phẩm cơ điện tử tương lai. Và với việc xử lý trong thời gian thực các tín hiệu của cảm biến âm thanh, hình ảnh, tiếng nói, các cảm biến tiếp xúc như lực, mômen v.v… sẽ tạo ra các sản phẩm cơ điện tử có khả năng đối thoại và tự suy diễn, ra quyết định, tự thích nghi với môi trường như những sinh vật sống.

1.4 Bản chất kỹ thuật hệ thống cơ điện tử

Mặc dù không thống nhất trong việc tìm ra định nghĩa chính thức về cơ điện tử nhưng tất cả các định nghĩa trên đều đồng ý rằng cơ điện tử là một lĩnh vực liên ngành, với các chuyên ngành như sau (Hình 1.3):

Các hệ thống cơ khí (các phần tử cơ khí, máy móc, cơ học chính xác);

Các hệ thống điện tử (vi điện tử ,điện tử công suất, công nghệ cảm biến và điều khiển).

Công nghệ thông tin (lý thuyết hệ thống, kỹ thuật tự động, công nghệ phần mềm, trí tuệ nhân tạo).

Nếu nhìn trên mô hình 1.3, người ta dễ lầm tưởng hệ thống cơ điện tử chỉ là sự tích hợp của 3 chuyên ngành là cơ khí, điện tử và công nghệ thông tin. Đó cũng là quan niệm thủa ban đầu về cơ điện tử. Giờ đây các ngành công nghệ đó xích lại gần nhau, giao nhau và tạo ra các liên ngành mới. Cơ khí và điện tử đó gắn kết với nhau tạo nên các chuyên ngành đo lường, điều khiển, điều chỉnh, cảm biến. Điện tử và công nghệ thông tin liên kết tạo thành chuyên ngành kỹ thuật tính toán quá trình. Công nghệ thông tin và cơ khí giao nhau tạo nên chuyên ngành mô hình hóa. Khi đó cần phải hiểu lĩnh vực cơ điện tử như trên Hình 1.4.

Có thể thấy nếu hiểu cơ điện tử chỉ là sự kết hợp đơn thuần của 3 ngành cơ khí, điện – điện tử, công nghệ thông tin thì biên dạng của lĩnh vực cơ điện tử chỉ là 3 điểm rời rạc. Và như thế lĩnh vực cơ điện tử không thể tách riêng ra thành một chuyên ngành độc lập. Người ta cũng không thể thấy sự thống nhất trong cơ điện tử mà trong sự thống nhất đó các yếu tố cơ khí, điện – điện tử và công nghệ thông tin phải gắn kết với nhau, tác động qua lại hữu cơ với nhau tạo thành “cơ thể sống” cơ điện tử. Như vậy cơ điện tử đầy đủ phải như trên mô hình 1.4. Ở đó, với sự tham gia của đo lường, điều khiển, điều chỉnh, cảm biến, kỹ thuật tính toán quá trình, mô hình hóa; cơ điện tử mới có một biên dạng khép kín. Và khi đó cơ điện tử mới tách ra khỏi các chuyên ngành, công nghệ trên trở thành một chuyên ngành, công nghệ độc lập. Việc các chuyên ngành cơ khí, điện – điện tử, công nghệ thông tin biến đổi và kết hợp với nhau tạo nên phần xương thịt hưu cơ trong cơ điện tử. Ở trong “cơ thể sống” đó tồn tại 3 dòng “máu” lưu thông: dòng lưu thông vật chất, dòng lưu thông năng lượng, dòng lưu thông thông tin.

1.4 Kết luận

Tóm lại, trong chương đầu tiên này, chúng ta đã có được cái nhìn đầu tiên về cơ điện tử. Quan niệm, lịch sử phát triển cũng như xu hướng tương lai của nó.

Cơ điện tử là một lĩnh vực tự nhiên trong quá trình tiến hóa của kỹ thuật hiện đại. Mặc dù chưa có một định nghĩa hoàn thiện về cơ điện tử nhưng trong thực tế nó không cần thiết. Có thể hiểu cơ điện tử là sự tích hợp đa ngành kỹ thuật trong đó có 3 ngành chính là cơ khí, điện – điện tử và công nghệ thông tin.

Như đã thấy cơ điện tử đã đi vào cuộc sống và sản xuất với ngày càng nhiều công nghệ được tích hợp trong nó. Có thể nói tương lai của cơ điện tử đang mở rộng và nó đang và sẽ chiếm vị trí quan trọng trong công nghệ mai sau.

Chương 2:

GIỚI THIỆU VỀ ROBOT

2.1 Robốt là gì? Lịch sử phát triển của robot.

Định nghĩa: Robot là cơ cấu chấp hành đa chức năng tái lập trình, được thiết kế để chuyển tải vật tư, công cụ hoặc các thiết bị chuyên biệt, thông qua các chuyển động được lập trình để thực hiện các tác vụ khác nhau. Định nghĩa này bao gồm các cơ cấu chấp hành, các tay máy điều khiển số, các máy di chuyển, và người máy của khoa học viễn tưởng.

Lịch sử phát triển: Thuật ngữ robot xuất hiện vào năm 1923, nhưng sự phát triển của robot công nghiệp chỉ bắt đầu vào cuối những năm 1940. Robot công nghiệp ban đầu được dùng để chuyển tải các vật liệu nguy hiểm, được dùng trong thám hiểm không gian, và sau đó được dùng trong tự động hoá linh hoạt. Cuối năm 1940, cơ cấu chấp hành chính phụ xuất hiện được dùng để chuyển tải các vật liệu phóng xạ. Cơ cấu chính được người hướng dẫn thao tác cơ cấu phụ sao chép chuyển động của cơ cấu chính tại vị trí xa. Sự hồi tiếp lực có thể phối hợp để công nhân có thể nhận biết các tín hiệu tải của cơ cấu phụ.

Vào cuối năm 1950, cơ cấu lập trình bắt đầu xuất hiện và được cải tiến liên tục. Đặc tính quan trọng của robot công nghiệp là phối hợp bộ điều khiển dựa trên máy tính hoặc bộ vi xử lý với các cảm biến hồi tiếp để đạt được khả năng lập trình đa chức năng. Vào cuối năm 1960, cơ cấu chấp hành robot được trang bị hệ thống thị giác và các bộ cảm biến đặc biệt có tính năng mô phỏng thị giác của con người, chúng có khả năng thực hiện các công đoạn lắp ráp của con người.

Trong những năm 80 robot công nghiệp đã có bước phát triển mạnh mẽ, do các yêu cầu cao về tự động linh hoạt và kinh tế trong thám hiểm không gian và công nghiệp ôtô. Vào đầu những năm 90, nhiều công ty ở Bắc Mỹ, Châu Âu Nhật đã sử dụng rộng rãi robot trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.

Trong những năm gần đây robot công nghiệp chủ yếu được dùng cho các thao tác lặp lại nhiều lần và trong các môi trường nguy hiểm. Các thao tác lặp lại nhiều lần bao gồm chuyển tải vật tư, xếp dỡ các chi tiêt máy lắp ráp các bộ phận thành cụm máy. Các ứng dụng trong môi trương nguy hiểm bao gồm chuyển tải vật liêu phóng xạ, thám hiểm không gian và đáy biển, hàn điểm phun sơn… Ngoài ra robot còn đựơc dùng trong xây dựng các thiết bị bay và di chuyển không người lái tại những địa hình phức tạp các máy khai thác mỏ, các cụm gia công thông minh. Trong những năm gần đây xu hướng là chế tạo các robot thông minh và thân thiện với con người, kể cả robot giải phẫu y khoa, giúp việc nhà…Mặc dù có nhiều nỗ lực để phát triển robot thông minh, nhưng các loại robot có thể mô phỏng nhiều chức năng của con người vẫn còn những hạn chế nhất định, do đòi hỏi sự phát triển của công nghiệp về trí tuệ nhân tạo.

2.1.1 Robot chuỗi

Các Robot chuỗi hiện là các Robot công nghiệp phổ biến nhất. Thông th−ờng chúng có cấu trúc t−ơng tựng cánh tay ng−ời tức là một chuỗi liên tục các liên kết đ−ợc nối với nhau bằng các khớp (chủ yếu là các khớp xoay và th−ờng đ−ợc gọi là các khớp bả vai, khớp khuỷu tay và khớp cổ tay). Ưu điểm chính của loại Robot này là khoảng kh