Mục đích thực hiện đề tài
Đề tài nghiên cứu và thiết kế robot song song nhằm mục tiêu tối ưu hóa hoạt động của robot dựa trên lý thuyết đã được tìm hiểu.
Điều này sẽ tạo cơ sở cho việc phát triển sản phẩm ứng dụng trong các lĩnh vực gia công, tạo hình, lắp ghép và vận chuyển sản phẩm trong quy trình sản xuất.
Phương pháp nghiên cứu
Là sự kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm robot:
- Tham khảo các nghiên cứu về nghiên cứu robot song song liên quan, sau đó chọn lựa ra cấu hình phù hợp cho đề tài
Nghiên cứu về robot song song bao gồm việc tổng hợp tài liệu liên quan đến các mô hình toán học về động học của robot Dựa trên những tài liệu đã tổng hợp, chúng tôi sẽ thiết kế một phương pháp giải bài toán động học cho loại robot đang được nghiên cứu.
Bằng cách sử dụng bài toán động học kết hợp với phần mềm MATLAB, chúng tôi đã xác định kích thước tối ưu cho các thành phần của robot, nhằm tối ưu hóa không gian làm việc của nó.
- Sử dụng những thông số về kích thước đã tìm được để thiết kế cơ khí cho robot đảm bảo độ cứng vững và ổn định cho robot
Nghiên cứu các bài toán quy hoạch quỹ đạo cho robot từ các tác giả trước đây là rất quan trọng, giúp xây dựng bài toán điều khiển robot di chuyển theo một quỹ đạo xác định.
- Xây dựng giao diện điều khiển robot
Thi công robot theo thiết kế và kiểm chứng các tính toán từ nghiên cứu lý thuyết bằng cách điều khiển robot hoạt động theo quỹ đạo tùy ý.
Cấu trúc của bài báo cáo
Bài báo cáo gồm những phần sau:
Tổng quan nghiên cứu này sẽ trình bày các vấn đề thúc đẩy nhóm lựa chọn đề tài, mục đích thực hiện nghiên cứu, cũng như các đối tượng và phương pháp áp dụng trong quá trình nghiên cứu.
Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày các cơ sở lý thuyết liên quan đến robot, cùng với các nghiên cứu trước đây về cấu hình robot trong đề tài.
THIẾT KẾ ROBOT: lựa chọn bộ truyền động, các linh kiện cơ khí và điện và tiến hành thiết kế mô hình robot
CÁC BÀI TOÁN THIẾT KẾ ROBOT: tính toán những bài toán liên quan đến thiết kế robot như động học thuận, động học thuận, động học vận tốc,…
QUY HOẠCH QUỸ ĐẠO CHO ROBOT: quy hoạch một số quỹ đạo đường đi để theo giỏi không gian làm việc cho robot
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN: thiết kế phương án điều khiển cho robot và phương án xây dựng giao diện điều khiển robot
KẾT LUẬN: tổng kết những kết quả thu được sau khi thực hiện bài nghiên cứu
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ROBOT SONG SONG
Robot song song là gì?
Robot song song là một cấu trúc có hiệu suất vượt trội về độ ổn định, độ cứng và độ chính xác khi chịu tải trọng lớn Chúng bao gồm ba hoặc nhiều khớp quay hoặc lăng trụ hoạt động song song, và đã được ứng dụng trong các lĩnh vực như mô phỏng chuyến bay và thiên văn học Sự phổ biến của robot song song ngày càng tăng trong ngành công nghiệp tự động hoá, với các loại điển hình như robot delta, hexapod và tricept.
Bài hát robot nổi tiếng nhất sử dụng sáu bộ truyền động tuyến tính để điều khiển bệ di động, phục vụ cho các ứng dụng như mô phỏng chuyến bay Nó còn được biết đến với tên gọi Stewart platform hoặc Gough – Stewart platform, dựa theo tên của các kỹ sư đã thiết kế và sử dụng nó lần đầu tiên.
Hình 2.1 Ví dụ về Stewart platfrom
Hình 2.2 Kính thiên văn vô tuyến AMiBA (Nguồn: Internet)
Các công trình lý thuyết của các nhà hình học Anh và Pháp liên quan đến cơ cấu song song và nghiên cứu động vật sáu chân đã có từ nhiều thế kỷ trước Trong tác phẩm The Iliad, Homer đã mô tả robot nhện với sáu chân di chuyển, trong khi Aristotle đã hình dung các cơ chế tuân theo ý muốn của con người Robot song song đầu tiên xuất hiện chỉ 17 năm sau khi thuật ngữ "robot" được đặt ra vào năm 1921, được thiết kế để sơn phun tự động và thường được coi là robot song song công nghiệp đầu tiên.
Cơ cấu chấp hành cuối là thành phần quan trọng gắn ở cuối cánh tay robot, quyết định khả năng hoạt động của robot Mỗi liên kết của robot có số bậc tự do, thể hiện qua số lượng cánh tay kết nối với liên kết bởi khớp Trong các chuỗi động học của robot song song, số bậc tự do thường là ba, mặc dù có thể lớn hơn hoặc bằng ba Robot song song hoạt động qua cơ cấu chấp hành cuối, kết nối bệ di động với bệ cố định thông qua nhiều chuỗi động học, tạo thành một vòng khép kín.
Cấu trúc chấp hành cuối của robot song song được liên kết chặt chẽ, tạo nên một vòng động học khép kín, mang lại độ cứng cao cho robot Ý tưởng phát triển robot song song là rất ấn tượng, nhờ vào các tính năng đặc biệt của cấu trúc này, cho phép chúng di chuyển với tốc độ cao và độ chính xác cao Tuy nhiên, một trong những hạn chế lớn nhất của robot song song là không gian làm việc hạn chế do khả năng va chạm giữa các cánh tay.
Robot song song có nhiều ưu điểm vượt trội so với robot nối tiếp, như khả năng kiểm soát chính xác hơn nhờ giảm thiểu lỗi trong chuyển động của các khớp Trong khi đó, robot nối tiếp dễ gặp phải tình trạng lỗi khuếch đại giữa các khớp Bên cạnh đó, robot song song có khả năng xử lý khối lượng công việc lớn hơn và hiệu suất sức mạnh tốt hơn Mặc dù robot nối tiếp thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp nhờ thiết kế linh hoạt giống như khuỷu tay, cổ tay và vai, nhưng chúng lại chiếm ưu thế về không gian làm việc rộng lớn Do đó, robot nối tiếp vẫn là loại robot công nghiệp phổ biến nhất hiện nay.
Những tiến bộ trong nghiên cứu động học robot đã mở ra nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực như phẫu thuật, sản xuất, vận động và cơ sinh học Động học robot được chia thành các loại như động học robot di động, động học cánh tay người, động học robot song song và động học robot nối tiếp Các phân tích về vận tốc, gia tốc và vị trí của các liên kết được thực hiện mà không xem xét các lực gây ra chuyển động.
Robot song song được ứng dụng trong định vị với tốc độ và độ chính xác cao, như trong lắp ráp bảng mạch in Ngoài ra, robot song song còn có thể hoạt động như bộ điều khiển vi mô cho robot nối tiếp khi được gắn trên cơ cấu chấp hành cuối.
Các dạng robot song song
Stewart platform
Stewart platform là một robot song song với sáu bộ truyền động hình lăng trụ, được thiết kế để định vị và điều khiển chuyển động một cách chính xác Thiết bị này bao gồm hai tấm đế kết nối qua sáu kích thủy lực hoặc bộ truyền động tuyến tính điện, cho phép điều chỉnh linh hoạt Ban đầu được phát triển để kiểm tra lốp xe, Stewart platform nhanh chóng được ứng dụng trong các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, ô tô và gia công Nó nổi bật nhất trong việc cung cấp chuyển động chính xác cho các thiết bị mô phỏng chuyến bay.
Hình 2.3 Kính thiên văn vô tuyến AMiBA (Nguồn: Internet)
Hình 2.4 Ứng dụng Stewart platform mô phỏng chuyến bay (Nguồn: STEWART
Tấm đế của nền tảng Stewart là phần duy nhất không thể điều chỉnh, thường được cố định vào sàn hoặc bề mặt ổn định khác Nó được kết nối với tấm trên có thể điều chỉnh thông qua sáu kích thủy lực hoặc bộ truyền động tuyến tính điện Các chân của thiết bị được nối với nhau bằng các khớp nối phổ quát, cho phép chuyển động tự do theo nhiều hướng.
Bệ Stewart, hay còn gọi là hexapod, là một thiết kế với sáu chân, được phân loại là robot song song Điều này có nghĩa là các cánh tay của bệ chỉ được kết nối với đế và đĩa trên, không gắn vào nhau, khác với robot nối tiếp, nơi các cánh tay liên kết với nhau qua các khớp nối Trong hệ thống này, chuyển động của một cánh tay sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến vị trí của các cánh tay khác.
Stewart platform, lần đầu tiên được thiết kế bởi V Eric Gough vào năm 1954, là một thiết bị quan trọng trong ngành công nghiệp Gough, khi đó là kỹ sư tại nhà máy lốp xe Dunlop ở Birmingham, Anh, đã phát triển phiên bản ban đầu của Stewart platform để phục vụ cho việc thử nghiệm lốp xe.
Hình 2.5 Máy thử nghiệm lốp xe của V Eric Gough (Nguồn: Internet)
Chỉ sau hơn một thập kỷ, D Stewart đã giới thiệu một thiết bị điều chỉnh được cho các thiết bị mô phỏng bay trong bài báo của mình tại Viện Kỹ sư Cơ khí Vương quốc Anh Thiết bị này sau đó được biết đến với tên gọi Gough – Stewart platform, để tôn vinh nhà phát minh ban đầu.
Robot Delta
Robot delta, hay còn gọi là robot song song Delta, là thiết bị được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng gắp, đặt và đóng gói nhờ vào thiết kế cho phép thực hiện các thao tác nhanh chóng và chính xác Với ba cánh tay kết nối tại các khớp chung ở bệ cố định, robot delta có khả năng gắp và thả nhiều bộ phận khác nhau với độ chính xác cao nhờ vào cấu trúc nhẹ và quán tính thấp Lịch sử của robot delta bắt đầu từ đầu những năm 80 khi giáo sư Reymond Clavel tại EPFL phát triển ý tưởng về việc sử dụng hình bình hành để tạo ra một robot song song với ba bậc tự do tịnh tiến và một bậc quay, khác biệt với nguyên lý hoạt động đã được cấp bằng sáng chế trước đó Kể từ đó, robot delta đã trở thành một trong những thiết kế robot song song thành công nhất, được ứng dụng rộng rãi trên toàn cầu.
Robot Delta, được cấp bằng sáng chế Hoa Kỳ số 4,976,582, có một lịch sử thương mại hóa lâu dài và phức tạp Năm 1983, hai anh em người Thụy Sĩ, Marc – Olivier và Pascal Demaurex, thành lập công ty Demaurex tại Romanel – sur – Lausanne, Thụy Sĩ Sau khi mua giấy phép cho robot Delta vào năm 1987, họ đã đặt mục tiêu thương mại hóa robot cho ngành tự động hóa Demaurex đã thành công trong việc chiếm lĩnh thị trường đầy cạnh tranh, với các sản phẩm trải qua nhiều phiên bản cải tiến như Pack – Placer, Line – Placer, Top – Placer và Presto.
Hình 2.7 Lắp đặt Line – Placer của Demaurex để đóng gói bánh quy giòn trong một tiệm bánh công nghiệp (Nguồn: Internet) Nguyên lý hoạt động của Robot Delta:
Robot này hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi chuyển động quay ở cánh tay trên thông qua hình bình hành, giúp duy trì hướng di chuyển Cụ thể, robot chỉ chuyển động theo các trục X, Y và Z mà không thay đổi hướng ban đầu.
Bệ cố định phía trên được trang bị các động cơ, có thể là động cơ DC hoặc AC servo, nhằm tạo ra chuyển động quay cho cánh tay trên.
Cánh tay trên được gắn vào bệ cố định, trong khi đầu còn lại của nó kết nối với cánh tay dưới thông qua hai khớp bi cầu cho phép chuyển động đa hướng Cánh tay dưới có hình dạng bình hành và đầu còn lại của nó gắn với một hình tam giác nhỏ, hay còn gọi là bệ di động, di chuyển theo khi cánh tay hoạt động.
Robot Delta, do Reymond Clavel phát minh, sở hữu 4 bậc tự do, bao gồm 3 chuyển động tịnh tiến và 1 chuyển động quay Chuyển động quay này kéo dài từ bệ cố định đến giữa chi tiết tam giác nhỏ, tạo ra khớp quay thứ tư cho cánh tay, cho phép xoay quanh trục thẳng đứng.
Robot Delta là những cỗ máy tiên tiến với khung cố định trên trần cao, sử dụng động cơ servo để điều khiển các cánh tay liên kết bên dưới.
Robot được cấu tạo từ các chi tiết nhỏ nhẹ, giúp giảm trọng lượng bên trong cánh tay và tăng cường tính linh hoạt Phương pháp lắp ráp này mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng di chuyển linh hoạt hơn trong các tác vụ.
11 của robot được tăng cao và do đó chúng có tốc độ cao tăng tốc rất nhanh Tuy nhiên chúng có tải trọng khá thấp, thường dưới 8kg
- Ngày nay, có nhiều phiên bản khác của Robot Delta thay đổi theo thời gian như:
1 Reymond Clavel đã tạo ra một phiên bản 4 bậc tự do: 3 chuyển động tịnh tiến và 1 chuyển động quay kéo dài từ chân bệ cố định đến trung tâm của bệ hình tam giác, làm cho cơ cấu chấp hành cuối quay quanh trục thẳng đứng
2 Fanuc đã thiết kế một robot Delta có 6 bậc tự do cơ cấu chấp hành cuối có 3 chuyển động quay
3 Adept đã chế tạo một robot Delta với bốn bậc tự do
4 Asyril SA đã chế tạo robot Pocket Delta, được thiết kế cho các hệ thống nạp linh kiện đa năng và các ứng dụng tốc độ cao, độ chính xác cao khác
5 Delta Direct Drive có 3 bậc tự do trong đó động cơ được gắn trực tiếp vào các cánh tay Điều này tạo ra gia tốc rất cao
6 Delta Cube được tạo ra trong một cấu hình nguyên khối của các khớp bản lề uốn cong bởi Phòng thí nghiệm LSRO của Đại học EPFL Robot này được thiết kế cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao Ứng dụng cho Robot Delta:
Robot delta thường được triển khai trong một số ứng dụng tận dụng các thế mạnh độc đáo của nó Các ứng dụng này bao gồm:
- Lý do chính khiến bạn tìm thấy robot delta trong các ứng dụng trên là tốc độ vô song của chúng
Vị trí của các động cơ và cánh tay nhẹ giúp robot delta đạt được tốc độ vượt trội so với các loại robot khác Trong những ứng dụng yêu cầu tốc độ cao, việc sử dụng robot nhanh nhất là một lựa chọn hợp lý.
Một lợi ích thường bị bỏ qua của delta là khả năng sử dụng hiệu quả không gian sàn Hầu hết các robot cố định được lắp đặt trên trần, giúp tối ưu hóa không gian làm việc dưới chúng.
Cần thiết lập lồng an toàn và thiết bị xung quanh khu vực làm việc, điều này có thể chiếm không gian hình vuông Tuy nhiên, delta được gắn trên đầu không gian làm việc, cho phép tối ưu hóa vùng sàn và sử dụng hiệu quả không gian thẳng đứng thường bị bỏ quên trong các cơ sở sản xuất Việc khai thác tối ưu không gian thẳng đứng giúp giải phóng thêm diện tích sàn cho thiết bị và kho chứa.
Robot Delta có những hạn chế nhất định, đặc biệt là về khả năng mang tải nặng Mặc dù có tốc độ cao, nhưng thiết kế cơ học của robot không cho phép chúng di chuyển các tải trọng lớn, với hầu hết các robot Delta chỉ có thể xử lý khoảng vài kg Điều này đã hạn chế đáng kể phạm vi ứng dụng của robot trong nhiều lĩnh vực.
Linear Parallel Robot [4]
The article titled "Evolutionary Approach to Optimal Design of 3 DOF Translation Exoskeleton and Medical Parallel Robots," authored by Sergiu-Dan Stan, Milos Manic, Vistrian Maties, and R Balan, was published in IEEE Xplore in April 2008 It presents an innovative evolutionary methodology for optimizing the design of three degrees of freedom (DOF) translation exoskeletons and medical parallel robots, highlighting significant advancements in robotic technology for medical applications.
Robot song song ngày càng phổ biến trong các ứng dụng tương tác giữa con người và hệ thống, đặc biệt trong lĩnh vực robot y tế và phục hồi chức năng Những ứng dụng này yêu cầu thao tác phức tạp, độ chính xác cao và tốc độ nhanh Bài báo này giới thiệu một thiết kế tối ưu cho robot song song 3 bậc tự do (3DOF), tập trung vào ba tiêu chí chính: không gian làm việc, chỉ số chất lượng truyền động và độ cứng Động học tối ưu hóa đã được tính toán nhằm tối đa hóa không gian làm việc của robot song song Để thực hiện thiết kế tối ưu này, một phương pháp điều khiển cũng đã được phát triển.
Bài báo trình bày sự phát triển của các thuật toán di truyền nhằm tối ưu hóa phương pháp điều khiển cho robot song song 3DOF, cụ thể là Robot TRIGLIDE và Robot DELTA Kết quả thử nghiệm cho thấy những lợi ích rõ rệt từ quá trình tối ưu hóa, bao gồm khung thiết kế cứng vững, độ chính xác cao trong hoạt động và không gian làm việc được tính toán tối ưu Những cải tiến này mở ra tiềm năng lớn cho việc phát triển hệ thống tương tác thực tế giữa robot và con người trong tương lai.
Bài báo này trình bày các đóng góp quan trọng trong việc tối ưu hóa không gian làm việc của robot 3DOF song song Đầu tiên, nó giới thiệu các chỉ số không gian làm việc như là thước đo hiệu suất Tiếp theo, bài báo xác định kích thước tối ưu cho robot TRIGLIDE và robot DELTA nhằm đạt được không gian làm việc lớn nhất, độ cứng tốt nhất và độ chính xác cao Cuối cùng, mối quan hệ giữa độ dài của liên kết và hiệu suất robot cũng được phân tích, cho thấy cách tối ưu hóa không gian làm việc mong muốn Kết quả nghiên cứu này chứng minh một phương pháp mới để giải quyết vấn đề kỳ dị, cải thiện không gian làm việc và thiết kế tối ưu cho các robot.
Robot song song với 3 bậc tự do bao gồm một bệ cố định và một bệ di động, được liên kết bởi ba cánh tay hình bình hành với chuỗi động học mở Robot tịnh tiến theo kiểu TRIGLIDE có ba độ tịnh tiến tự do, điều khiển bởi ba bộ truyền động tuyến tính Các bệ được kết nối bằng hai liên kết với khớp nối bi cầu, cho phép chuyển động tịnh tiến theo ba phương của toạ độ Descartes (X, Y, Z) và giữ bệ di động song song với mặt phẳng chứa toạ độ gốc Một trục quay bổ sung có thể được gắn trên bệ di động để điều chỉnh gốc quay của cơ cấu chấp hành cuối Ba cơ cấu truyền động tịnh tiến được bố trí trong mặt phẳng toạ độ gốc với góc hợp giữa hai cơ cấu là 120 độ, do đó robot còn được gọi là robot hình ngôi sao.
Do đó, cấu trúc có một không gian làm việc gần tròn hoặc hình tam giác (Hình 2.12)
Hình 2.11 Robot Delta với cơ cấu truyền động tịnh tiến thẳng đứng
Robot TRIGLIDE với 3 DOF được trình bày trong Hình 2.12 Hình 2.11 mô tả robot DELTA song song với 3 DOF Các thông số hình học của robot được minh họa trong Hình 2.13, cho thấy bệ di động kết nối với bệ cố định qua ba cánh tay có cấu trúc hình bình hành giống hệt nhau Hình bình hành này có bốn khớp bi cầu ở các đỉnh, cho phép chuyển động quay tự do đa hướng.
17 Hình 2.13 Thông số hình học của Robot Triglide
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT
Lựa chọn bộ truyền động
Khái niệm truyền động cơ khí
Truyền động cơ khí là quá trình chuyển giao năng lượng cơ học giữa các thành phần trong hệ thống máy móc, điều này rất quan trọng cho hầu hết các thiết bị Các ví dụ tiêu biểu về truyền động cơ khí bao gồm máy cạo râu điện, máy bơm nước, tuabin và ô tô, cho thấy sự đa dạng và ứng dụng rộng rãi của nó trong đời sống.
Trong hầu hết các trường hợp, động cơ chính chuyển động quay thành chuyển động quay của máy móc được dẫn động, nhưng tốc độ, moment xoắn và hướng có thể thay đổi Đôi khi, chuyển động quay có thể được chuyển thành chuyển động tịnh tiến tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng Sự thay đổi này có thể thực hiện thông qua việc sử dụng các liên kết hoặc các phần tử máy móc khác.
Các loại truyền động cơ khí
Các phần tử máy khác nhau có khả năng truyền công suất giữa các trục trong máy móc Hiện nay, các phương pháp truyền động cơ khí phổ biến nhất trong ngành kỹ thuật bao gồm nhiều kỹ thuật và thiết bị khác nhau.
Khớp nối trục là thiết bị quan trọng dùng để kết nối hai trục và truyền moment xoắn giữa chúng Các trục có thể thẳng hàng, cắt nhau nhưng không song song hoặc không giao nhau Để đáp ứng nhu cầu đa dạng của các ứng dụng và môi trường khác nhau, nhiều loại khớp nối với kích thước và kiểu dáng phong phú đã được sản xuất.
Có hai loại khớp nối trục: cứng và mềm Khớp nối cứng không cho phép chuyển động tương đối giữa các trục, trong khi khớp nối mềm lại có khả năng linh hoạt để xử lý các trường hợp lệch trục.
Một số khớp nối, như khớp nối bộ giảm thanh phân chia, có thể được cố định vào trục mà không cần di chuyển, trong khi hầu hết các ứng dụng khác yêu cầu phải di chuyển trục để lắp hoặc tháo khớp nối.
Hình 3.1 Khớp nối trục (Nguồn: Internet) Ưu điểm
- Khớp nối trục là phần tử máy bảo trì thấp
- Có thể hấp thụ sốc và rung động
- Có thể xử lý lệch hướng và lệch trục
- Cung cấp khả năng cách ly nhiệt
- Có sẵn các thiết kế, không cần bảo dưỡng và bôi trơn vĩnh viễn
- Khớp nối trục không được sử dụng cho các trục song song không giao nhau
- Các khớp nối cứng có thể làm hỏng trục nếu lệch trục
- Một số khớp nối có thể bị lỏng theo thời gian, làm hỏng các thành phần ổ đĩa 3.1.2.2 Truyền động xích
Bộ truyền động xích là hệ thống truyền lực hiệu quả giữa các thành phần ở khoảng cách xa, bao gồm dây xích và nhiều đĩa xích Răng của đĩa xích dẫn động ăn khớp với dây xích, giúp truyền moment xoắn đến đĩa xích bị dẫn động Bộ truyền động xích không chỉ phổ biến trong xe đạp và xe máy mà còn được ứng dụng rộng rãi trong các máy móc công nghiệp.
Đĩa xích chạy không tải là giải pháp lý tưởng cho không gian chật hẹp, trong khi truyền động xích được ưa chuộng trong các ứng dụng yêu cầu thời gian chính xác, tránh sự chậm trễ do trượt Chúng thường được sử dụng trong động cơ diesel hàng hải, nơi thời gian truyền công suất từ trục khuỷu sang trục cam rất quan trọng Trục cam điều khiển van xả và thời điểm phun nhiên liệu, do đó, bất kỳ sự gián đoạn nào trong thời gian đều có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất của động cơ.
Hình 3.2 Bộ truyền động xích (Nguồn: Internet) Ưu điểm
- Bộ truyền động xích nhỏ gọn hơn bộ truyền động dây đai và có thể phù hợp với những không gian tương đối chật hẹp
- Nó có thể truyền moment xoắn trên một khoảng cách dài
- Trái ngược với bộ truyền động đai, bộ truyền động xích không trượt
- Một bộ truyền động xích có thể cung cấp năng lượng cho nhiều trục cùng một lúc
- Nó có hiệu suất cơ học cao nhờ ít ma sát
- Bộ truyền động xích có thể hoạt động trong tất cả các loại môi trường hoạt động (khô, ướt, mài mòn, ăn mòn, v.v.) và ở nhiệt độ cao
- Gây ra ồn ào và cũng có thể gây ra rung động
- Truyền động xích không thể hoạt động với trục không song song
- Một số thiết kế yêu cầu bôi trơn liên tục
- Sai lệch có thể làm cho xích bị tuột ra
- Một bộ truyền động xích thường cần một vỏ bọc bảo vệ
- Yêu cầu một sự sắp xếp để căng xích dưới dạng một đĩa xích không tải siết chặt
Truyền động đai là một phương pháp phổ biến trong công nghiệp, bao gồm hai ròng rọc và một dây đai Hệ thống này hoạt động thông qua ma sát, truyền lực từ trục dẫn động sang trục bị dẫn động Đặc biệt, bộ truyền động dây đai hoạt động hiệu quả ở cả tốc độ chậm và tốc độ cao, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng như máy nén khí.
Bộ truyền động đai có nhiều thiết kế phù hợp cho các ứng dụng cụ thể, với dây curoa có khả năng kết nối nhiều ròng rọc song song và điều chỉnh tốc độ khi cần thiết Chúng có khả năng hấp thụ tải trọng xung kích, bảo vệ các bộ phận truyền động khác, và cả hai ròng rọc thường quay theo cùng một hướng, trừ bộ truyền động dây đai chéo Có ba loại đai chính: đai dẹt, đai thang và đai răng Đai dẹt thích hợp cho các ứng dụng có nhu cầu moment xoắn thấp đến trung bình như máy mài và băng tải, với hiệu suất cơ học đạt trên 98% và tuổi thọ dài hơn do khả năng xử lý bụi bẩn tốt Trong khi đó, đai thang phù hợp hơn cho nhu cầu moment xoắn trung bình đến cao, nhưng hiệu suất hoạt động không bằng đai dẹt và không hoạt động tốt trong môi trường bụi bẩn.
Dây đai răng, hay còn gọi là đai cam, có bề mặt bên trong với các răng ăn khớp với puly có răng hoặc đĩa xích, thường được sử dụng trong các ứng dụng cam và truyền tải công suất lớn Loại dây curoa này rất phổ biến trong động cơ ô tô và xe máy để truyền lực hiệu quả Một trong những ưu điểm nổi bật của dây đai răng là khả năng truyền động chính xác và ổn định.
- Bộ truyền động dây đai có giá cả phải chăng hơn các bộ truyền động khác do chi phí linh kiện thấp và hiệu quả cao
- Chúng có thể truyền tải công suất trên một khoảng cách xa
- Hoạt động êm ái và êm ái hơn so với truyền động xích
- Có thể hấp thụ sốc và rung động
- Truyền động đai cung cấp một số mức độ bảo vệ quá tải thông qua sự trượt của dây đai
- Nhẹ và tương đối bền
- Chi phí bảo trì thấp
- Độ trượt của vành đai có thể thay đổi tỷ lệ vận tốc
- Tuổi thọ ngắn nếu không được bảo dưỡng tốt
- Phạm vi tốc độ hữu hạn
- Gây ra một tải nặng lên các ổ bi và trục
Để bù đắp cho sự hao mòn và kéo căng, cần thiết phải sử dụng một bánh chạy không tải để căng đai hoặc thực hiện một số điều chỉnh khoảng cách giữa hai trục.
Truyền động bánh răng sử dụng bánh răng để chuyển động và truyền moment giữa các trục Hệ thống này bao gồm một bánh răng dẫn động trên trục đầu vào và một bánh răng dẫn động trên trục đầu ra Công suất được truyền từ nguồn điện đến tải thông qua sự ăn khớp của các răng bánh răng Với nhiều thiết kế đa dạng, truyền động bánh răng có thể hoạt động theo nhiều định hướng và ứng dụng khác nhau.
Truyền động bánh răng có khả năng chịu tải cao hơn truyền động xích, nhưng chỉ phù hợp cho quãng đường ngắn do yêu cầu tiếp xúc trực tiếp giữa các bánh răng Việc sử dụng nhiều bánh răng trong hộp số cho phép thay đổi tỷ số truyền, tốc độ quay, moment xoắn và hướng khi cần thiết Tuy nhiên, quá nhiều bánh răng trong hệ thống có thể dẫn đến giảm hiệu suất cơ học.
Bộ truyền động bánh răng không trượt có thể gặp một số lỗi theo thời gian, và trong một số trường hợp, điều này có thể dẫn đến hỏng răng bánh răng.
Hình 3.4 Bộ truyền động bánh răng (Nguồn: Internet) Ưu điểm
- Thích hợp cho các ứng dụng truyền tải công suất cơ học cao
- Bánh răng chắc chắn và có tuổi thọ lâu dài
- Bánh răng có hiệu suất cao và không trượt
- Không phù hợp khi khoảng cách giữa các trục cao, cần kết nối trực tiếp
- Dễ bị rung và ồn
- Bánh răng kim loại nặng và làm tăng trọng lượng của máy
- Cơ cấu không tính sự linh hoạt cao
- Cơ cấu yêu cầu bôi trơn
- Lỗi theo thời gian có thể làm hỏng bánh răng
- Đắt hơn các bộ truyền động khác (xích, đai, v.v.)
- Bánh răng yêu cầu sự liên kết chính xác
Chọn phương án truyền động phù hợp
Việc chọn phương thức truyền tải điện thích hợp là một thách thức không nhỏ Mỗi loại phương thức đều mang đến những ưu điểm và nhược điểm riêng, và sự khác biệt này có thể rõ ràng trong một số lĩnh vực nhưng lại không áp dụng được cho những lĩnh vực khác.
Đôi khi, các đặc điểm trong một loại cụ thể có thể cải thiện hiệu suất ở một số khía cạnh Tuy nhiên, nếu hiệu quả làm việc thực tế không như mong đợi của các kỹ sư, điều này sẽ hạn chế các lựa chọn khả thi và có thể dẫn đến việc đưa ra lựa chọn cuối cùng.
Trong phần này, sẽ có năm yếu tố truyền tải công suất quan trọng sẽ giúp việc chọn đúng phương án cho ứng dụng:
Các trục trong hệ thống truyền động có thể có nhiều dạng như song song, cắt nhau, hoặc không song song và có thể cắt nhau hoặc không Một số bộ truyền động như bánh răng, xích và đai yêu cầu các trục không có chuyển động tương đối, trong khi đó, các bộ truyền động khác như khớp nối trục linh hoạt có khả năng xử lý những sai lệch nhỏ giữa các trục.
3.1.3.2 Khoảng cách giữa động cơ chính và tải
Khoảng cách giữa nguồn điện và tải ảnh hưởng đến lựa chọn phương pháp truyền động Ở những nơi có khoảng cách lớn giữa các trục, truyền động đai hoặc truyền động xích là lựa chọn thích hợp Trong khi đó, khớp nối trục và bộ truyền động bánh răng phù hợp hơn cho khoảng cách ngắn.
3.1.3.3 Moment xoắn Đối với các ứng dụng có moment xoắn cao, bộ truyền động xích có thể được sử dụng vì bộ truyền động đai có thể bị trượt Mặt khác, đối với nhu cầu moment xoắn thấp, bộ truyền động đai dẹt là tốt hơn
Cao su và các hợp chất tổng hợp không phù hợp với môi trường nhiệt độ cao, dẫn đến việc chúng nhanh chóng bị mòn khi được sử dụng trong sản xuất dây đai của bộ truyền động đai.
Các giải pháp thay thế như truyền động xích và bánh răng là lựa chọn tối ưu cho nhiệt độ cao, nhờ khả năng thích nghi nhanh chóng với môi trường và hoạt động hiệu quả Hệ thống này có thể kết hợp với các phương pháp làm mát bằng dầu, trong khi dầu làm mát động cơ cũng có thể được sử dụng để bôi trơn hộp số Tuy nhiên, việc làm mát bằng dầu không thể áp dụng cho cao su vì sẽ làm biến chất vật liệu.
3.1.3.5 Các mối quan tâm về bảo trì
Các vấn đề bảo trì như căng dây, tốc độ mòn, căn chỉnh và bôi trơn đóng vai trò quan trọng trong việc giúp kỹ sư xác định phương pháp truyền lực cơ học phù hợp cho từng ứng dụng.
Kết luận
Các phương pháp truyền động cơ khí đảm bảo rằng phụ tải nhận được công suất cần thiết một cách an toàn và hiệu quả Các ngành công nghiệp khác nhau sử dụng các phương pháp này để tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy trong quá trình vận hành.
Có 25 sản phẩm truyền động cơ khí khác nhau, thường được kết hợp để đáp ứng nhu cầu ứng dụng cụ thể Trong nhiều trường hợp, có thể có nhiều phương pháp phù hợp cho cùng một ứng dụng Việc so sánh ưu và nhược điểm của từng phương án sẽ giúp xác định giải pháp truyền lực cơ học tối ưu cho thiết kế của bạn.
Xem xét thêm những ưu và nhược điểm của các bộ truyền động và một số yêu cầu và đặc tính cần thiết của mô hình như:
Góc giữa các trục cần thiết để chuyển đổi chuyển động tịnh tiến sang chuyển động trượt của con trượt là 0 độ, tức là hai trục phải song song Do đó, phương án truyền động phù hợp cho yêu cầu này là truyền động xích và truyền động đai.
Khoảng cách giữa các trục là yếu tố quan trọng, với hành trình thanh trượt lớn nhất đạt 350 mm, điều này yêu cầu phương án truyền động phù hợp Do đó, truyền động xích và truyền động đai là những lựa chọn lý tưởng cho mô hình này.
Moment xoắn cần được giữ ở mức thấp trong phạm vi mô hình, vì vậy truyền động đai là phương án phù hợp nhất cho yêu cầu này.
Mô hình hoạt động với tần suất và tốc độ thấp, dẫn đến ma sát giữa các chi tiết giảm, do đó nhiệt độ không cao Vì vậy, bất kỳ phương án truyền động nào cũng đáp ứng được yêu cầu về nhiệt độ.
Mối quan tâm về bảo trì đối với mô hình nhỏ thường liên quan đến chi phí và sự đơn giản trong việc bảo dưỡng Các phương án truyền động đều đáp ứng yêu cầu này một cách hiệu quả.
Trong số các phương án truyền động, truyền động xích và truyền động đai đều có những ưu điểm riêng Tuy nhiên, với yêu cầu về tính nhỏ gọn, linh hoạt và khô ráo, truyền động đai được coi là lựa chọn tối ưu Đặc biệt, đai răng là phương án lý tưởng nhất nhờ vào sự tiện dụng và khả năng hoạt động hiệu quả, mặc dù việc sử dụng puly trơn có thể dẫn đến tình trạng trượt khi vận hành ở tốc độ cao.
Khung robot
Thành phần cơ khí cấu thành khung robot
3.2.1.1 Nhôm định hình Đặc điểm nổi bật của nhôm:
- Khả năng chống tĩnh điện tốt
- Khung nhôm định hình được làm bằng công nghệ anodized với bề mặt sáng bóng, chống trầy xước, chịu lực tốt
Nhôm định hình công nghiệp được sản xuất từ nguyên liệu nhôm A6063 T5 với độ tinh khiết cao, mang lại độ bền vượt trội nhờ vào phương pháp đùn hiện đại.
- Kết cấu nhôm với trọng lượng nhẹ có thể được tháo rời và di chuyển dễ dàng
Khung nhôm định hình mang lại tính linh hoạt cao trong lắp ráp nhờ sử dụng các phụ kiện như thanh trượt và ke gốc, cho phép dễ dàng tái sử dụng nhiều lần.
In 3D là quy trình sản xuất cộng, nơi các lớp vật liệu được xây dựng từng lớp để tạo ra sản phẩm 3D, khác với quy trình trừ đi, trong đó sản phẩm được cắt ra từ khối vật liệu lớn hơn Phương pháp này giúp giảm thiểu lãng phí vật liệu, mang lại nhiều lợi ích cho sản xuất.
- Giảm chi phí: Chi phí vật liệu, chi phí đi lại, chi phí nhân công, chi phí máy móc
In 3D, sản xuất bồi đắp giúp giảm thiểu chất thải nhờ vào quy trình tạo ra sản phẩm với nguyên liệu tối ưu, khác biệt so với quy trình sản xuất truyền thống thường gây lãng phí Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao hiệu quả sử dụng nguyên liệu.
In 3D, thời gian sản xuất được rút ngắn đáng kể, cho phép các bộ phận và sản phẩm được chế tạo nhanh hơn so với các phương pháp truyền thống.
27 truyền thống Các thiết kế phức tạp có thể được tạo ra dưới dạng mô hình CAD và sau đó được biến thành hiện thực chỉ trong vài giờ
Giảm thời gian trong giai đoạn tạo mẫu mang lại lợi thế cạnh tranh đáng kể cho doanh nghiệp, cho phép họ cung cấp sản phẩm tốt hơn và cải tiến nhanh chóng trong thời gian ngắn hơn.
In 3D, sản xuất theo yêu cầu mang lại khả năng tự do tối đa trong thiết kế, cho phép các nhà thiết kế tùy chỉnh sản phẩm một cách linh hoạt Với khả năng tạo ra các sản phẩm độc đáo và xây dựng các bộ phận riêng lẻ, in 3D luôn sẵn sàng đáp ứng nhu cầu tùy chỉnh của khách hàng.
Phương án gia công in 3D là lựa chọn tối ưu cho thiết kế, nhờ vào kích thước nhỏ gọn của robot và yêu cầu chịu tải không quá cao.
3.2.1.3 Thanh trượt ray tuyến tính
Bởi vì có rất nhiều kích cỡ, cấp độ chính xác và tải trước sẵn có, thanh trượt ray tuyến tính phù hợp trong hầu hết mọi trường hợp
Thanh trượt ray tuyến tính nổi bật với khả năng chịu tải, độ chính xác cao và độ cứng vượt trội, làm cho chúng trở thành lựa chọn hàng đầu trong nhiều ứng dụng công nghiệp Chúng cung cấp hệ thống dẫn hướng với ma sát thấp và độ cứng cao, phù hợp cho tải trọng từ vài gam đến vài tấn, đáp ứng tốt các yêu cầu hiệu suất của hệ thống.
Thanh trượt ray tuyến tính vượt trội hơn các giải pháp khác về khả năng chịu tải, độ chính xác và độ cứng Trong khi thanh dẫn hướng trục tròn chỉ chịu được tải trọng theo chiều dọc, thanh trượt ray tuyến tính có khả năng chịu tải từ nhiều hướng khác nhau và moment của hệ Hơn nữa, khác với các dẫn hướng ăn khớp tam giác có giới hạn di chuyển, thanh trượt ray tuyến tính cung cấp hành trình dài ấn tượng, độ cứng cao và tuổi thọ lâu dài, điều này giải thích cho sự phổ biến của chúng trong các ứng dụng công nghiệp.
Hình 3.5 Kích thước thanh trượt và con trượt (Nguồn: Internet)
Khớp cầu thép được lắp đặt ở đầu xi lanh, mối liên kết, thanh và trục nhằm xử lý sai lệch góc giữa các bộ phận kết nối Thiết kế của chúng bao gồm một vòng bi hình cầu và lỗ hình trụ để lắp trục, giúp tăng cường tính linh hoạt và độ bền cho hệ thống.
Khớp cầu thép là thiết bị quan trọng được áp dụng trong các lĩnh vực có độ lệch trục từ thấp đến trung bình, bao gồm cả ngành hàng không vũ trụ, quân sự và ô tô Trong ngành công nghiệp ô tô, khớp cầu thép chủ yếu được sử dụng trong các khớp tay lái và các liên kết truyền động, góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền của các phương tiện.
Khớp cầu thép kim loại, thường được chế tạo từ đồng thau, sắt hoặc thép, thường được mạ kẽm hoặc crom để tăng cường độ bền Bên cạnh đó, các sản phẩm phi kim loại được sản xuất từ nhựa, nylon hoặc Teflon, mang lại sự linh hoạt và ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực.
3.2.1.5 Puly GT2, dây đai GT2 và ròng rọc GT2
Đai và ròng rọc GT2 cung cấp độ chính xác cao trong việc điều khiển chuyển động với giá cả hợp lý Pully này chỉ tương thích với dây đai GT2 rộng 6 mm, trong khi dây đai MXL sẽ không hoạt động hiệu quả do sự khác biệt trong cấu hình răng.
Pully này sở hữu 20 răng với bước răng 2 mm và đường kính bên trong 5 mm, cho phép gắn chặt vào các trục có đường kính 5 mm bằng hai vít định vị Nó phù hợp với động cơ bước kích thước 42 mm Được làm hoàn toàn từ hợp kim nhôm, pully này không chỉ nhẹ mà còn rất bền.
Hình 3.7 Pully GT2 – 20 răng (Nguồn: Internet)
Hình 3.8 Thông số kích thước của pully GT2 (Nguồn: Internet)
Dây đai GT2 bước răng 2 mm
Các thành phần điện
Thông số kỹ thuật của MCB:
- Tên sản phẩm: MCB BH-D6 2P 3A type C N Mitsubishi
- Tiêu chuẩn: ICE/EN6089-1 / ICE/ EN60947-2 và các TCVN hiện hành
Hình 3.14 MCB BH-D6 2P 3A type C N Mitsubishi (Nguồn: Internet)
3.2.2.2 Vi điều khiển – STM32F407VGT6(STM32F4 – DISCOVERY)
STM32F4 – DISCOVERY là một board mạch phát triển tương tự như Arduino, với các tính năng nâng cao và khả năng truy cập tốt Board STM32F407 Discovery cho phép xây dựng các dự án ứng dụng đáng tin cậy nhờ vào bộ vi điều khiển Core 32-bit Arm Cortex-M4 tiên tiến Người phát triển cần nắm vững kiến trúc ARM để tận dụng tính linh hoạt và khả năng tùy chỉnh, từ đó có thể thử nghiệm với các thư viện, giao thức truyền thông và chân GPIO.
Hình 3.15 STM32F407 Discovery Board (Nguồn: Internet)
3.2.2.3 Đế ra chân STM32F407 Discovery Board
- Vật liệu PCB: vật liệu FR – 4 chất lượng cao
- Miếng đệm: mạ thiếc, mạ xuyên lỗ
- Loại DOMINO 2 hàng 3.81 mm dễ dàng đấu dây
- Board chất liệu FR – 4, đặt sản xuất pcb ở nước ngoài, chuẩn công nghiệp
- Đấu nối dây điện dễ dàng trong quá trình test code
- Không sợ bị lỏng dây
- Dễ dàng tháo lắp đế cắm
Hình 3.16 Mạch in của đế ra chân STM32F407 Discovery Board
(Nguồn: Linh kiện 1993) 3.2.2.4 Driver điều khiển động cơ bước TB6600
Driver TB6600 là thiết bị điều khiển động cơ bước giá rẻ và hiệu quả, hỗ trợ vi bước lên đến 1/32 Thiết bị này phù hợp cho động cơ bước 2 pha và 4 pha, đồng thời tương thích với mọi vi điều khiển cung cấp tín hiệu 5V.
Hình 3.17 Driver điều khiển động cơ bước TB6600 (Nguồn: Internet)
Thông số kỹ thuật của driver
- Điện áp hoạt động: 9 – 40 VDC
- Tần số đầu vào xung lên tới 20 kHz
- Tín hiệu đầu vào mức 5V
- 200 – 6400 xung trên mỗi vòng quay
- Dòng tín hiệu logic: 8 – 15mA
- Dòng điện đầu ra có thể lựa chọn trong 8 bước thông qua công tắc DIP
- Thích hợp cho động cơ 2 pha và 4 pha
- Bảo vệ quá dòng và quá nhiệt
- Đầu vào được cách ly quang học
Các tính năng của các chân
- VCC: Nối với nguồn điện từ 9 – 40VDC
- GND: Nối với điện áp (–) âm của nguồn và vi điều khiển
- A + và A –: Nối vào cặp cuộn dây A của động cơ bước
- B + và B –: Nối với cặp cuộn dây B lại của động cơ bước
- PUL +: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (+5V) từ vi điều khiển
- PUL –: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (–) từ vi điều khiển
- DIR +: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (+5V) từ vi điều khiển
- DIR –: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (–) từ vi điều khiển
- ENA + và ENA –: khi cấp tín hiệu cho cặp này động cơ sẽ được cho phép quay hoặc không
- Có thể đấu tín hiệu dương (+) chung hoặc tín hiệu âm (–) chung
Động cơ bước, hay còn gọi là stepper motor, là loại động cơ điện DC không chổi than, chia vòng quay thành các bước bằng nhau Động cơ này cho phép di chuyển và giữ vị trí mà không cần cảm biến phản hồi, miễn là đáp ứng yêu cầu về moment xoắn và tốc độ Trong thiết kế robot nhỏ gọn của bài nghiên cứu, động cơ bước là lựa chọn tối ưu do yêu cầu về vận tốc và moment giữ không cao Động cơ được sử dụng cho robot là Tamagawa - TS3617N463 với các thông số kỹ thuật phù hợp.
Hình 3.19 Động cơ bước Tamagawa – TS3617N463 (Nguồn: Internet)
Nhà sản xuất TAMAGAWA SEIKI
Kích thước mặt bích 42 mm
Số pha 2 pha Điện áp 12V
Full – step / Haft – step 200/400 (xung/vòng)
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của động cơ Tamagawa – TS3617N463
Thi công lắp đặt robot
Thi công lắp đặt robot
Sau khi tiến hành gia công và lắp ráp các chi tiết cơ khí theo bản vẽ đã đạt được mô hình hoàn chỉnh của robot
Hình 3.23 Mô hình thực tế của robot
Hình 3.24 Mô hình thực tế của robot
Thi công phần điện robot
Hình 3.25 Sơ đồ nối dây của robot
Hình 3.26 Sơ đồ nối dây của robot
Và sau khi tiến hành lắp ráp các chi tiết điện theo bản vẽ đã đạt được tủ điện điều khiển hoàn chỉnh của robot
Hình 3.27 Tủ điện điều khiển của robot
CÁC BÀI TOÁN THIẾT KẾ ROBOT
Động học của robot
Động học nghịch
Động học nghịch của robot nhằm xác định giá trị của các biến khớp tịnh tiến qi (i = 1, 2, 3) từ một vị trí đặc biệt trên bệ di động Hình 2.1 minh họa phương trình vòng kín của vector trong quá trình này.
Mà độ dài của vector A B i i là: AB i i AB BA L nên:
L OP PB OA OP PB OA
(4.7) Thay thế (4.2) và (4.3) vào (4.7) được:
(u u q i T i ) i (2u OP i T 2u PB q i T i ) i (2 PB OP PB PB OP OP L i T i T i T ) 0
Từ phương trình (4.8), giải nghiệm của qi bằng:
T T T i i i i c PB OP OP OP L PB PB (4.12)
Trong phương trình (4.8), mỗi bộ truyền động có hai giải pháp, nhưng chỉ có căn bậc hai dương phù hợp với thiết kế hiện tại cho cơ cấu với ba bộ truyền động nghiêng hướng vào trong từ trên xuống dưới Vì vậy, phương trình động học nghịch của robot được xác định là qi, nghiệm của phương trình (4.8).
2 3 3 c rx x y z r L c rx ry x y z r L c rx ry x y z r L
Thay (4.1), (4.2), (4.4), (4.14) và (4.12) vào (4.8) với i = 1, 2, 3 được:
3 2 3 0 q q r q x rx x y z r L q q x q y q r rx ry x y z r L q q x q y q r rx ry x y z r L
Thay (4.13), (4.14) và (4.15) vào (4.11) với i = 1, 2, 3 được:
Phương trình động học nghịch của ba biến khớp tịnh tiến là:
Động học thuận
Đối với một tập hợp các biến khớp đầu vào qi (i = 1, 2, 3), vị trí của bệ di động P = (x, y, z) được xác định thông qua động học thuận, cho phép tính toán chính xác vị trí của bệ trong không gian.
48 vị trí trọng tâm của bệ di động Trong phương trình (4.16), kết hợp phương trình thứ hai với phương trình đầu tiên được:
2 1 2 2 2 3 2 2 1 2 1 3 3 0 q q q x q r q y q r q x rx ry (4.32) Tiếp theo, kết hợp phương trình thứ ba với phương trình đầu tiên được:
3 1 3 2 3 3 3 2 1 2 1 3 3 0 q q q x q r q y q r q x rx ry (4.33) Nghiệm của phương trình (4.30), (4.31) là:
2( 2 2 2 3 ) q q r q rq q q rq rq x q q q q q q rq rq rq r
2 3( 2 2 2 3 ) q q q q q q q q rq rq rq q r y q q q q q q rq rq rq r
Từ phương trình (4.29) và lấy phương trình đầu tiên được:
2 2 2 q1 x r L z y (4.36) Thay phương trình (4.32) và (4.33) vào phương trình (4.34) sẽ giải được:
Phương trình (4.35) cung cấp hai giải pháp cho động học thuận của robot, nhưng trong thiết kế này, chỉ có giải pháp căn âm là phù hợp Khi hướng theo chiều dương của trục X từ gốc tọa độ O đến P, điều hướng sẽ đi lên, trong khi robot hoạt động theo chiều âm, do đó giải pháp được chọn là căn âm.
Từ phương trình (4.32), (4.33) và (4.36) suy ra được động học thuận của robot:
( ) q q r q rq q q rq rq x q q q q q q rq rq rq r q q q q q q q q rq rq rq q r y q q q q q q rq rq rq r z L y q x r
Động học vận tốc
Nếu vector v q [v v v q q 1 2 q 3 ] T là vector vận tốc của thanh trượt trên 3 trục và vector
T p x y z v v v v là vector vận tốc của bệ di động và ma trận Jacobian J giữa vq và vp p q v Jv (4.40)
Vi phân phương trình (4.16) theo thời gian được:
2 2 3 3 3 2 2 2 0 q q q x x x y z q q q x x q y y x y z q q q x x q y y x y z q v rv v x q v rv xv yv zv q v rv v x q v rv v y q v rv xv yv zv q v rv v x q v rv v y q v rv xv yv zv
3 3 2 2 2 2 2 3 x x x y z q q q x x y y x y z q q q q x x y y x y z q q q q q v rv xv yv zv q v rv v x q v rv q v rv xv yv zv q v rv v x v y q v rv q v rv xv yv zv q v rv v x v y
Từ phương trình (4.16) thu được:
Từ phương trình (4.38) và (4.40) thu được:
Từ (4.38), (4.41) và (4.47) suy ra được ma trận Jacobian
Và ma trận nghịch đảo của ma trận Jacobian,
Vậy động học vận tốc,
Và động học nghịch vận tốc,
Từ công thức (4.48) thu được,
Với det(J) = 0 là điều kiện để phát hiện ra những điểm kỳ dị của robot Vậy với công thức (4.48) thì sẽ có những điểm kỳ dị xuất hiện khi,
Theo công thức (4.76) và (4.77), robot có thể xuất hiện các điểm kỳ dị tại những vị trí nhất định Tuy nhiên, không có điểm kỳ dị nào xảy ra khi z = 0, vì điều này có nghĩa là bệ di động nằm trùng với gốc tọa độ Với chiều dài ban đầu r của bệ di động là 20 mm, điểm kỳ dị q1 = q2 = q3 = r có thể xảy ra khi ba biến khớp đồng thời đạt khoảng cách 20 mm Tuy nhiên, trong thiết kế này, độ dài cho mỗi hệ thống trượt tuyến tính là 300 mm, và chiều dài từ gốc tọa độ đến cuối hành trình là 391 mm Các điểm Ai (i = 1, 2, 3) cách mặt con trượt 5 mm, do đó khoảng cách tối thiểu cho mỗi biến qi (i = 1, 2, 3) là 101 mm Vì vậy, điểm kỳ dị q1 = q2 = q3 = r chắc chắn không xảy ra trong thiết kế robot này.
Bài toán chiều dài tối ưu cánh tay dưới
Phương pháp giải bài toán
Để xác định chiều dài tay dưới của robot, cần vẽ không gian hoạt động với hành trình lớn nhất của thanh trượt, bao gồm cả trường hợp không đổi và thay đổi.
53 biến L – chiều dài cánh tay dưới của robot để tìm ra không gian hoạt động tối ưu nhất cho robot
Trong thiết kế này, chiều dài thanh trượt qi max (i = 1, 2, 3) được sử dụng là 300 mm, với chiều dài giữa điểm trọng tâm của bệ di động là 20 mm Đồng thời, chiều dài thanh dưới được so sánh lần lượt là 300 mm, 371 mm, 450 mm và 500 mm.
Giải bài toán
Vẽ không gian hoạt động với sự hỗ trợ của phầm mềm MATLAB với các thông số đầu vào sau:
Biến Ghi chú Kích thước r Chiều dài giữa các điểm Bi (i = 1, 2, 3) đến gốc toạ độ P 20 mm
L Chiều dài tay dưới của robot
Chiều dài tối đa của tay robot là 500 mm với khoảng hoạt động của các biến khớp qi (i = 1, 2, 3) đạt 351 mm Bảng 4.2 liệt kê các thông số đầu vào cần thiết để xác định chiều dài tay dưới của robot Sau khi thu thập các thông số này, bước tiếp theo là vẽ không gian hoạt động lý thuyết của robot.
Theo công thức (4.37), không gian hoạt động của robot không phụ thuộc vào L trong phương trình thứ nhất và thứ hai, do đó khi thay đổi L, không gian làm việc theo phương X và Y của robot sẽ không thay đổi Tuy nhiên, theo phương trình thứ ba, không gian hoạt động theo phương Z sẽ phụ thuộc vào L, dẫn đến việc khi thay đổi L, không gian hoạt động theo phương Z sẽ tăng hoặc giảm.
54 Hình 4.3 Không gian hoạt động của robot với L = 300 mm
Hình 4.4 Không gian hoạt động của robot với L = 371 mm
55 Hình 4.5 Không gian hoạt động của robot với L = 450 mm
Hình 4.6 Không gian hoạt động của robot với L = 500 mm
Không gian hoạt động của robot không phụ thuộc vào chiều dài L, do đó khi thay đổi L, không gian làm việc theo phương X và Y của robot sẽ không bị thay đổi.
Khi chiều dài L của robot tăng từ 300 mm đến 500 mm, không gian hoạt động của robot không phụ thuộc vào L, dẫn đến việc không gian làm việc theo phương Z sẽ giảm Ngược lại, nếu giảm chiều dài L, hiện tượng "tràn" không gian hoạt động sẽ xảy ra Theo mô phỏng, chiều dài L tối ưu cho thiết kế là L = q max - r Nếu L nhỏ hơn 300 mm, sẽ xảy ra hiện tượng "tràn", do đó L = 300 mm không được xem xét trong so sánh.
Hình 4.7 Không gian hoạt động của robot chiếu lên mặt phẳng XY
Để có cái nhìn chính xác hơn về hoạt động của robot, cần chiếu không gian làm việc của nó lên một mặt phẳng cụ thể Không gian làm việc theo phương X và Y không phụ thuộc vào L, do đó chỉ còn hai lựa chọn là mặt phẳng YOZ và XOZ Theo Hình 2.7, mặt phẳng YOZ là lựa chọn tối ưu nhất để quan sát, vì khi chiếu lên mặt phẳng này, không gian làm việc sẽ đối xứng, tạo thuận lợi cho việc quan sát và so sánh.
Hình 4.8 Không gian hoạt động của robot chiếu lên mặt phẳng YOZ với L = 371 mm
Hình 4.9 Không gian hoạt động của robot chiếu lên mặt phẳng YOZ với L = 450 mm
Hình 4.10 Không gian hoạt động của robot chiếu lên mặt phẳng YOZ với L = 300 mm Qua việc mô phỏng rút ra những kết quả sau:
L ( mm) Zmax ( mm) Zmin ( mm) Z Z m ax Z min ( mm)
Theo bảng kết quả mô phỏng không gian hoạt động, vùng không gian hoạt động của robot đạt giá trị tối ưu nhất khi chiều dài cánh tay dưới là L = 371 mm = qmax – r Tuy nhiên, chiều dài này không hợp lý trong thực tế, vì khi ba thanh trượt đi hết hành trình, điểm P(xp, yp, zp) sẽ trùng với tọa độ gốc O của robot, dẫn đến z = 0 và gây ra điểm kỳ dị Do đó, cần chọn L > qmax – r, và chiều dài L = 400 mm là phù hợp cho thiết kế này.
4.2.2.2 Không gian hoạt động thực tế robot có thể hoạt động
Trong tính toán động học, qmax đại diện cho hành trình lớn nhất từ tâm bệ cố định của robot Tuy nhiên, trong thiết kế này, hành trình thực tế của con trượt chỉ dao động từ 101 mm đến 351 mm, dẫn đến khoảng không gian hoạt động thực tế của robot bị giới hạn.
59 có thể hoạt động sẽ nhỏ hơn khoảng không gian hoạt động lý thuyết của robot đã được vẽ ở trên
Hình 4.11 Không gian hoạt động thực tế của robot chiếu theo mặt phẳng YOZ
Hình 4.12 Không gian hoạt động thực tế của robot chiếu theo mặt phẳng XOY
60 Hình 4.13 Không gian hoạt động thực tế của robot chiếu theo mặt phẳng XOZ
Hình 4.14 Không gian hoạt động của robot theo góc nhìn tổng thể
Hình 4.15 Không gian hoạt động tuyến tính của robot
Không gian làm việc Khoảng cách ( mm)
Bảng 4.4 trình bày kết quả mô phỏng không gian làm việc của robot, cho thấy những hình ảnh mô phỏng giúp tổng hợp kết quả không gian làm việc thực tế của robot.
Dữ liệu cho thấy robot có xu hướng thu hẹp không gian làm việc khi bệ di động di chuyển xuống vị trí thấp hơn Robot hoạt động trong vùng hình trụ đứng với bán kính khoảng 80mm, giúp nó không bị giới hạn bởi các biên của không gian hoạt động.
