Nguyên tắc chung của thiết kế chi: khối lượng ở xa khớp gốc gây quán tính lớn, làm chi khó vung nhanh. Cách khắc phục hiệu quả nhất là đặt động cơ gần thân và truyền lực xuống — nhưng truyền bằng gì là một quyết định có hậu quả lâu dài.
Vì sao đáng chấp nhận độ phức tạp
Quán tính của một chi phụ thuộc vào khối lượng và vào bình phương khoảng cách tới trục quay. Chữ bình phương làm mọi thứ khác đi.
Dời một khối lượng từ cổ chân lên hông giảm đóng góp của nó vào quán tính chân đi rất nhiều lần, dù tổng khối lượng robot không đổi.
Hệ quả trực tiếp: chân vung nhanh hơn với cùng mô men, robot bước nhanh hơn và phản ứng kịp hơn khi cần bước phục hồi thăng bằng.
Ngoài ra, khối lượng dồn về thân làm trọng tâm robot cao và tập trung hơn, thường có lợi cho việc điều khiển thăng bằng.
Đai răng
Đai có răng chạy trên hai puly, truyền chuyển động quay từ trục này sang trục kia.
Ưu điểm: hiệu suất cao, chạy êm, không cần bôi trơn, chịu được tốc độ cao, và răng đảm bảo không trượt nên vị trí truyền chính xác.
Nhược điểm: đai có độ đàn hồi, nên dưới tải lớn xuất hiện độ trễ góc giữa đầu vào và đầu ra. Điều này gây khó cho điều khiển chính xác và có thể tạo dao động.
Ngoài ra đai cần được căng đúng: quá lỏng thì răng có thể nhảy, quá căng thì tăng ma sát và mòn ổ trục.
Đai cũng mòn theo thời gian và cần thay theo lịch. Đây là chi tiết nên coi là vật tư tiêu hao.
Dây kéo
Dây thép hoặc dây sợi tổng hợp chạy qua các ròng rọc, kéo khớp theo một chiều.
Ưu điểm: rất nhẹ, đi được qua các đường cong phức tạp, cho phép bố trí gọn trong không gian chật. Đây là lý do bàn tay robot gần như luôn dùng dây.
Nhược điểm: chỉ kéo được một chiều, nên mỗi bậc tự do cần hai dây đối kháng hoặc một dây cộng lò xo hồi vị. Dây giãn theo thời gian, cần căng lại. Ma sát tại các ròng rọc và tại chỗ dây đổi hướng làm giảm hiệu suất và làm việc ước lượng lực kém chính xác.
Dạng hỏng đặc trưng là đứt đột ngột, thường ở chỗ dây uốn nhiều nhất, và thường không có dấu hiệu báo trước rõ ràng.
Biện pháp giảm thiểu: bán kính uốn đủ lớn, tránh cạnh sắc, dùng ống dẫn hướng, và thay theo lịch thay vì chờ đứt.
Thanh nối
Cơ cấu bốn khâu hoặc thanh đẩy nối động cơ ở vị trí này với khớp ở vị trí kia bằng liên kết cứng.
Ưu điểm: rất cứng vững, gần như không có độ đàn hồi trong đường truyền, hiệu suất cao, bền và ít cần bảo trì.
Nhược điểm: tỉ số truyền thay đổi theo góc — cùng một chuyển động của động cơ cho chuyển động khác nhau ở khớp tuỳ tư thế. Bộ điều khiển phải tính tới điều này.
Ngoài ra, cơ cấu chiếm không gian và chỉ hoạt động trong một dải góc nhất định, ngoài dải đó có thể gặp vị trí chết.
Phương án này hay được dùng cho khớp cổ chân, nơi cần mô men lớn, độ cứng cao và có thể đặt động cơ ở cẳng chân.
Ảnh hưởng tới điều khiển và bảo trì
Mọi cơ cấu truyền từ xa đều thêm ba thứ vào hệ thống, và cả ba đều ảnh hưởng tới điều khiển.
Độ đàn hồi: đường truyền biến dạng dưới tải, nên vị trí động cơ không phản ánh chính xác vị trí khớp. Cách xử lý là đặt cảm biến vị trí ở đầu ra khớp chứ không chỉ ở động cơ.
Ma sát: làm giảm khả năng ước lượng lực từ dòng điện động cơ, và gây trễ khi đổi chiều.
Độ rơ: xuất hiện ở các liên kết và tăng dần theo thời gian.
Về bảo trì, điểm quan trọng nhất là đưa các chi tiết truyền vào danh mục vật tư tiêu hao với chu kỳ thay tính theo số chu kỳ vận hành. Chờ tới khi đứt hoặc nhảy răng thì hậu quả thường lan sang các bộ phận khác.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao bàn tay robot gần như luôn dùng dây?
Vì không gian trong ngón tay quá nhỏ để đặt động cơ, và dây đi được qua các đường cong phức tạp trong khi vẫn rất nhẹ. Đây là phương án duy nhất khả thi cho các cơ cấu nhiều bậc tự do trong thể tích nhỏ.
Đai răng có bị trượt không?
Với đai có răng thì không trượt trong điều kiện căng đúng, đó là ưu điểm chính so với đai trơn. Nhưng nếu quá lỏng hoặc quá tải, răng có thể nhảy, và khi đó vị trí khớp lệch mà hệ thống không biết.
Thanh nối có tỉ số truyền thay đổi thì xử lý thế nào?
Bộ điều khiển phải có mô hình hình học của cơ cấu để quy đổi giữa góc động cơ và góc khớp tại mọi tư thế. Đây là tính toán không phức tạp nhưng bắt buộc, và nếu bỏ qua thì chuyển động sẽ sai lệch tuỳ theo tư thế.
Nên đặt cảm biến vị trí ở động cơ hay ở khớp?
Lý tưởng là cả hai. Cảm biến ở động cơ cho tín hiệu nhanh và sạch để điều khiển vòng trong, còn cảm biến ở khớp cho vị trí thật, không bị ảnh hưởng bởi độ đàn hồi và độ rơ của đường truyền.
Đọc thêm trong Tay & bàn tay khéo và Nguồn điện & toả nhiệt.
