Nghiên cứu thiết kế rô bốt song song hai bậc tự do ứng dụng trong khắc chữ

Thế kỷ XXI thế kỷ của khoa học và công nghệ. Tất cả các ngành kỹ thuật đều có những bước tiến vượt bậc và đạt được nhiều thành tựu to lớn. Với xu thế các ngành công nghệ hướng tới kết hợp với nhau để tạo ra sản phẩm ngày càng hiện đại, tối ưu. Sự kết hợp những công nghệ hiện đại đó đã cho ra đời ngành công nghệ “Cơ điện tử”. Trước động lực là nhu cầu của tương lai và những khó khăn thử thách trước mắt ngành “Cơ điện tử” đang phát triển mạnh mẽ. Ngành đã chế tạo ra những Robot có nhiều tính năng ưu việt, khẳng định và kế thừa trong bước đầu tiên phong về công nghệ. Ngày càng chứng tỏ “Cơ điện tử” là sự kết hợp hoàn hảo. Để đáp ứng những yêu cầu đặt hiện nay của xã hội và sự cần thiết của sản phẩm chúng em đã thực hiện nghiên cứu đề tài: “nghiên cứu, thiết kế robot song song hai bậc tự do ứng dụng trong khắc chữ ”. Đây là đề tài có tính ứng dụng thực tế cao. Có thể áp dụng trong sản xuất và đề tài này giúp sinh viên vận dụng được những kiến thức đã học vào trong thực tế. Việc nghiên cứu đề tài đồng thời thúc đẩy sự hứng thú học tập, khả năng tuy duy sáng tạo kỹ thuật cho sinh viên sau. Đề tài thực sự hữu ích cho phát triển của ngành trong tương lai. Sau khi nhận đề tài chúng em đã nỗ lực tìm hiểu và thực hiện. Song do thời gian có hạn đề tài không tránh khỏi những thiếu sót nhất định rất mong các Thầy (Cô) giáo và các bạn góp ý thêm để đề tài hoàn thiện hơn.

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

Độc lập-Tự do-Hạnh phúc

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên :

Trần Duy Khánh Nguyễn Xuân Lự Nguyễn Văn Chữ Nguyễn Văn Tuyên Lớp : CĐTK4

Chuyên ngành : Cơ điện tử

Khóa học : 2006-2010

Tên đề tài :

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG HAI BẬC TỰ DO

ỨNG DỤNG TRONG KHẮC CHỮ

Số liệu cho trước:

- Các thông số, kích thước robot cần chế tạo

Nội dung hoàn thành:

1 Phần thuyết minh

- Thiết kế cơ khí (bao gồm các bản vẽ chi tiết của robot và mô hình 3D)

- Tính toán thông số của Robot, động học, động lực học , mô phỏng hoạt động và làm việc của Robot

2 Sản phẩm của đề tài

- 04 cuốn thuyết minh

- 01 đĩa CD với toàn bộ nội dung đề tài

Người hướng dẫn:

Thứ nhất: Phạm Tuấn Tài Ngày giao đề tài: 09 /2010Thứ hai : Trần Xuân Tiến Ngày hoàn thành: 11 /2010

Đề tài đã được hội đồng Khoa học và Đào tạo khoa thông qua!

Hưng Yên, ngày tháng 11 năm 2010.

TRƯỞNG BỘ MÔN TRƯỞNG KHOA

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hưng Yên , ngày tháng 11 năm

2010

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Hưng Yên , ngày tháng 11 năm 2010

Giáo viên phản biện

LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đề tài đồ án tốt nghiệp “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG HAI BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG TRONG KHẮC CHỮ ” chúng em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ quý báu.

Trước hết, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Phạm Tuấn

Tài và thầy Trần Xuân Tiến, những người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và

giúp đỡ để chúng em có thể hoàn thành đồ án một cách tốt nhất

Chúng em xin chân thành cảm ơn các Thầy (Cô) giáo giảng dạy của bộmôn trong suốt 4 năm qua đã cung cấp cho chúng em những kiến thức cần thiết,tạo điều kiện giúp chúng em hoàn thành được đồ án theo đúng yêu cầu và thờigian quy định

Cám ơn các bạn trong lớp CĐTK4 đã nhiệt tình tham gia đóng góp ý kiếntrong quá trình thực hiện đề tài

Chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ Thầy (Cô) giáo

và các bạn đồng nghiệp, để có thêm những hiểu biết và hoàn thiện hơn trong quátrình làm việc sau này

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

Hưng Yên, ngày tháng 11 năm 2010

Nhóm sinh viên thực hiện:

Trần Duy Khánh

Nguyễn Xuân Lự Nguyễn Văn Chữ Nguyễn Văn Tuyên

LỜI NÓI ĐẦU

Thế kỷ XXI thế kỷ của khoa học và công nghệ Tất cả các ngành kỹ thuậtđều có những bước tiến vượt bậc và đạt được nhiều thành tựu to lớn Với xu thếcác ngành công nghệ hướng tới kết hợp với nhau để tạo ra sản phẩm ngày cànghiện đại, tối ưu Sự kết hợp những công nghệ hiện đại đó đã cho ra đời ngànhcông nghệ “Cơ điện tử” Trước động lực là nhu cầu của tương lai và những khókhăn thử thách trước mắt ngành “Cơ điện tử” đang phát triển mạnh mẽ Ngành

đã chế tạo ra những Robot có nhiều tính năng ưu việt, khẳng định và kế thừatrong bước đầu tiên phong về công nghệ Ngày càng chứng tỏ “Cơ điện tử” là sựkết hợp hoàn hảo Để đáp ứng những yêu cầu đặt hiện nay của xã hội và sự cần

thiết của sản phẩm chúng em đã thực hiện nghiên cứu đề tài: “nghiên cứu, thiết

kế robot song song hai bậc tự do ứng dụng trong khắc chữ ”.

Đây là đề tài có tính ứng dụng thực tế cao Có thể áp dụng trong sản xuất

và đề tài này giúp sinh viên vận dụng được những kiến thức đã học vào trongthực tế Việc nghiên cứu đề tài đồng thời thúc đẩy sự hứng thú học tập, khả năngtuy duy sáng tạo kỹ thuật cho sinh viên sau Đề tài thực sự hữu ích cho phát triểncủa ngành trong tương lai Sau khi nhận đề tài chúng em đã nỗ lực tìm hiểu vàthực hiện Song do thời gian có hạn đề tài không tránh khỏi những thiếu sót nhấtđịnh rất mong các Thầy (Cô) giáo và các bạn góp ý thêm để đề tài hoàn thiệnhơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

HưngYên, ngày tháng 11 năm 2010

Nhóm sinh viên thực hiện:

Trần Duy Khánh Nguyễn Xuân Lự Nguyễn Văn Chữ Nguyễn Văn Tuyên

MỤC LỤC

Lời cảm ơn

Lời nói đầu

Mục Lục Trang

A Phần mở đầu

B Phần nội dung

Chương I : Tổng quan về Robot có cấu trúc song song 1.1 Giới thiệu chung 10

1.2 Một số ưu nhược điểm của robot song song 10

1.3 Cấu trúc robot song song 11

1.4.Ý tưởng thiết kế 25

Chương II: Tính toán động học, động lực học, mô phỏng miền làm việc bằng Matlab 2.1.Tính toán động học của robot 26

2.2 Động lực học robot 27

2.3 Mô phỏng bằng phần mềm Matlab 33

Chương III: Thiết kế cơ khí robot song song hai bậc tự do ứng dụng trong khắc chữ 3.1 Nội dung thiết kế 47

3.2 Xác định điều kiện cắt gọt 51

3.3 Thiết kế robot 52

C Phần kết luận 1 Kết luận 62

2 Khuyến nghị 62 Tài liệu tham khảo

A PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ở nước ta, Robot song song cũng đã được nghiên cứu vào năm 2007 nhưngnhìn chung mới chỉ dừng lại ở việc đưa ra mô hình và đi tìm thuật toán giải bàitoán động học mà chưa thiết kế và chế tạo được Robot cụ thể Phòng cơ điện tửViện cơ học là đơn vị đầu tiên ở Việt Nam cho ra đời sản phẩm như vậy

Sau 2 năm nghiên cứu Phòng Cơ điện tử - Viện cơ học Việt nam đã thiết kế vàchế tạo hoàn chỉnh một Robot song song 6 chân (Hexapod) dùng cho ngành kỹthuật hiện đại trước mắt là trong gia công cơ khí chính xác Phiên bản đầu tiên

có tên gọi PR6-01, dùng làm giá đỡ phôi cho các máy gia công cơ khí bán tựđộng kiểu cũ Dự kiến sẽ hoàn thiện Hexapod PR6-01 đưa vào ứng dụng trongthực tế khoảng 1 năm nữa Thực tế đến nay, nhiều cơ sở nghiên cứu như ĐHBách khoa Hà Nội , ĐH Bách khoa TP HCM, Viện cơ học, Viện công nghệthông tin đã chế tạo được một số Robot mẫu

Trước những ứng dụng và nghiên cứu của Robot song song Chúng em làsinh viên bộ môn cơ điện tử trường ĐH sư phạm kỹ thuật Hưng Yên đã lựa

chọn việc “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG HAI BẬC

TỰ DO ỨNG DỤNG TRONG KHẮC CHỮ ” Chúng em đã thực hiện việc

tính toán, thiết kế và chế tạo

Mong rằng đề tài này của chúng tôi sẽ giúp cho những người chế tạo raRobot song song hai bậc tự do giải quyết việc thiết kế và tính toán rút ngắnđược thời gian đem nó vào ứng dụng trong thực tế

2 Mục đích nghiên cứu

* Kiểm tra đánh giá tình trạng khi thiết kế robot song song hai bậc tự do.

* Có những phương án thiết kế ứng dụng của robot song song hai bậc tựdo

3 Đối tượng và khách thể nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu: Tính toán , thiết kế và chế tạo mô hình Robot

song

song hai bậc tự do

* Đối tượng sử dụng: Dùng cho tất cả những học sinh, sinh viên học

ngành kỹ thuật nói riêng và cho nhưng ai quan tâm muốn tim hiểu nói chung

* Khách thể nghiên cứu: Robot song song ứng dụng trong khắc chữ.

4 Giả thiết khoa học

* Robot song song hai bậc tự do vẫn chưa sử dụng nhiều trong đời sống

và trong công nghiệp

* Những tài liệu về robot song song hai bậc tự do vẫn chưa có nhiều vàtrọn vẹn

5 Nhiệm vụ nghiên cứu

* Phân tích đặc điểm, nguyên lý hoạt động robot song song hai bậc tự do.

* Nghiên cứu, thiết kế, tính toán robot hai bậc tự do

* Kết hợp những tài liệu khác có liên quan đến robot song song hai bậc tự

do để hoàn thành đề tài

6 Giới hạn đề tài

* Nghiên cứu, tính toán, thiết kế robot song song hai bậc tự do.

* Do điều kiện và thời gian hạn hẹp cũng như trình độ chuyên môn và kinh

nghiệm thực tế còn hạn chế nên chúng tôi thực hiện đề tài chỉ tập trung nghiêncứu một số nội dung sau :

- Tính toán động học, động lực học mô phỏng động học vùng làm việc

- Thiết kế mô hình lý thuyết cho Robot song song hai bậc tự do

- Chế tạo mô hình robot song song hai bậc tự do

7 Phương pháp nghiên cứu

* Chọn phương pháp phân tích và tổng kết kinh nghiệm là chủ yếu ngoài racòn

phương pháp nghiên cứu thực tiễn và nghiên cứu tài liệu để đưa ra kết quả chínhxác

* Thực hiện: từ thực tiễn nghiên cứu và tìm hiểu đưa ra những cách thứcthiết kế chế tạo, sửa chữa của hệ thống

- Bước 1: Tìm hiểu các thông số lắp đặt của robot

- Bước 2: Chuẩn đoán các phương án thiết kế lắp đặt cho robot

- Bước 3: Thiết kế chế tạo mô hình robot song song hai bậc tự do

B PHẦN NỘI DUNGCHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÓ CẤU TRÚC SONG SONG 1.1 Giới thiệu chung

Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hóa trong sản xuất, các cơ cấuRobot cũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú Trong những thậpniên gần đây, Robot cấu trúc song song được Gough và Whitehall nghiên cứunăm 1962 và sự chú ý ứng dụng của Robot cấu trúc song song đã được khởiđộng bởi Stewart vào năm 1965 Ông là người cho ra đời một buồng (phòng) tậplái máy bay dựa trên cơ cấu song song Hiện nay cơ cấu song song được sử dụngrộng rãi trong nhiều lĩnh vực

Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động được nối với giá cốđịnh, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân Thường sốchân bằng số bậc tự do, được điều khiển bởi nguồn phát động đặt trên giá cốđịnh hoặc ngay trên chân Chính lý do này mà các Robot song song đôi khi gọi

là các Robot có bệ Các cơ cấu tác động điều khiển tải ngoài, nên cơ cấu chấphành song song thường có khả năng chịu tải lớn

Do tính ưu việt của Robot song song nên ngày càng thu hút được nhiều nhàkhoa học nghiên cứu, đồng thời cũng được ứng dụng ngày càng rộng rãi vàonhiều lĩnh vực:

- Ngành Vật lý: Giá đỡ kính hiển vi, giá đỡ thiết bị đo chính xác

- Ngành Cơ khí: Máy gia công cơ khí chính xác, máy công cụ

- Ngành Bưu chính viễn thông : Giá đỡ Ăngten, vệ tinh địa tĩnh

- Ngành chế tạo ôtô: Hệ thống thử tải lốp ôtô, buồng tập lái ôtô

- Ngành quân sự: Robot song song được dùng làm bệ đỡ ổn định được đặttrên tàu thủy, các công trình thủy, trên xe, trên máy bay, trên chiến xa và tàungầm Để giữ cân bằng cho ăngten, camera theo dõi mục tiêu, cho rada, cho cácthiết bị đo laser, bệ ổn định cho pháo và tên lửa, buồng tập lái máy bay, xe tăng,tàu chiến

1.2 Một số ưu nhược điểm của Robot song song

Nhìn chung, tất cả các lọai Robot có cấu trúc song song đều có nhiều ưu điểm và có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, các bộ mô hình máy bay, các khung đỡ kiến trúc có khớp nối điều chỉnh, các máy khai thác mỏ

Ưu điểm :

- Khả năng chịu tải cao: các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên khối lượngcủa các thành phần cũng nhỏ hơn.

- Độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng: Tất cả các lực tácđộng đồng thời được chia sẻ cho tất cả các chân Cấu trúc động học một cáchđặc biệt của các khớp liên kết cho phép chuyển tất cả các lực tác dụng thành cáclực kéo/nén của các chân

- Có thể thực hiện được các thao tác phức tạp và họat động với độ chínhxác cao: với cấu trúc song song, sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc trục của cáccụm cơ cấu chân riêng lẻ và các sai số không bị tích lũy

- Có thể thiết kế ở các kích thước khác nhau

- Đơn giản hóa các cơ cấu máy và giảm số lượng phần tử do các chân vàkhớp nối được thiết kế sẵn thành các cụm chi tiết tiêu chuẩn

- Cung cấp khả năng di động cao trong quá trình làm việc do có khốilượng và kích thước nhỏ gọn

- Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền

- Tầm hoạt động của Robot cơ cấu song song rất rộng từ việc lắp ráp cácchi tiết cực nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp, đòi hỏi

độ chính xác cao như: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp

- Các Robot cơ cấu song song làm việc không cần bệ đỡ và có thể dichuyển tới mọi nơi trong môi trường sản xuất Chúng có thể làm việc ngay cảkhi trên thuyền và treo trên trần, tường

- Giá thành của các Robot song song ứng dụng trong gia công cơ khí íthơn so với máy CNC có tính năng tương đương

Nhược điểm:

Tuy nhiên các Robot song song cũng có những nhược điểm nhất định khi sosánh với các Robot chuỗi như:

- Khoảng không gian làm việc nhỏ và khó thiết kế

- Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp

- Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian làm việc

1.3 Cấu trúc Robot song song

1.3.1 Cấu trúc cơ cấu

Cũng như các Robot thông thường, Robot song song là loại Robot có cấu trúcvòng kín trong đó các khâu (dạng thanh) được nối với nhau bằng các khớp động

Sơ đồ động cơ cấu tay máy thông thường là một chuỗi nối tiếp các khâuđộng, từ khâu ra (là khâu trực tiếp thực hiện thao tác công nghệ) đến giá cố định.Còn trong Robot song song, khâu cuối được nối với giá cố định bởi một số mạchđộng học, tức là nối song song với nhau và cũng hoạt động song song với nhau.

Sự khác nhau về sơ đồ động đó cũng tạo nên nhiều đặc điểm khác biệt về độnghọc và động lực học

1.3.2 Khâu, khớp, chuỗi động và máy trong cơ cấu Robot song song

Khâu : Là phần có chuyển động tương đối với phần khác trong cơ cấu.

Chúng ta coi tất cả các khâu là các vật rắn Điều đó làm cho việc nghiêncứu các cơ cấu, Robot được dễ dàng và đơn giản hơn Tuy nhiên, với các cơ cấutốc độ cao hoặc mang tải lớn thì hiện tượng đàn hồi của vật liệu trở nên quantrọng đáng kể và chúng ta phải xét đến

Khớp: Là chỗ nối động giữa hai khâu.

Tùy theo cấu trúc, mỗi khớp hạn chế một số chuyển động giữa hai khâu Bềmặt tiếp xúc của mỗi khâu tại khớp gọi là một thành phần khớp Hai thành phầnkhớp tạo thành một khớp động Khớp động có thể phân thành khớp thấp và khớpcao tùy thuộc vào dạng tiếp xúc

- Khớp thấp: Nếu hai thành phần tiếp xúc là mặt

- Khớp cao: Nếu hai thành phần tiếp xúc là điểm hoặc đường

Có 6 loại khớp thấp và hai loại khớp cao cơ bản thường dùng trong các cơcấu máy và các Robot, đó là:

- Khớp quay (Revolute Joint - R) : Khớp để lại chuyển động quay củakhâu này đối với khâu khác quanh một trục quay Nghĩa là khớp quay hạnchế 5khả năng chuyển động giữa hai thành phần khớp và có một bậc tự do Khớpquay thường được gọi là khớp quay bản lề

- Khớp lăng trụ (Prismatic Joint - P) : Cho phép hai khâu trượt trên nhautheo một trục Do đó, khớp lăng trụ hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đốigiữa hai khâu và có một bậc tự do Người ta cũng thường gọi khớp lăng trụ làkhớp tịnh tiến

- Khớp trụ (Cylindrical Joint - C) : Cho phép hai chuyển động độc lập,gồm một chuyển động quay quanh trục và chuyển động tịnh tiến dọc trục quay

Do đó, khớp trụ hạn chế 4 khả năng chuyển động giữa hai khâu và có hai bậc tựdo

- Khớp ren (Helical Joint - H) : Cho phép chuyển động quay quanh trụcđồng thời tịnh tiến theo trục quay Tuy nhiên chuyển động tịnh tiến phụ thuộcvào chuyển động quay bởi bước của ren vít Do đó, khớp ren hạn chế 5 chuyểnđộng tương đối hai khâu và còn lại một bậc tự do.

- Khớp cầu (Spherical Joint - S) : Cho phép thực hiện chuyển động quaygiữa hai thành phần khớp quanh tâm cầu theo tất cả các hướng, nhưng không cóchuyển động tịnh tiến giữa hai thành phần khớp này Do đó, khớp cầu hạn chế 3khả năng chuyển động và có ba bậc tự do

- Khớp phẳng (Plane Joint - E): Cho hai khả năng chuyển động tịnh tiếntheo hai trục trong mặt tiếp xúc và một khả năng quay quanh trục vuông góc vớimặt phẳng tiếp xúc Do đó, khớp phẳng hạn chế 3 bậc tự do và có ba bậc tự do

- Khớp bánh răng phẳng (Gear Pair - G): Cho hai bánh răng ăn khớp vớinhau Các mặt răng tiếp xúc đẩy nhau, chúng thường trượt trên nhau Do đó,khớp bánh răng phẳng hạn chế 4 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thànhphần khớp, còn lại hai bậc tự do

- Khớp cam phẳng (Cam Pair - Cp) : Tương tự như khớp bánh răng, haithành phần khớp luôn tiếp xúc với nhau Do đó, khớp cam phẳng có hai bậc tựdo

Khớp quay, khớp lăng trụ, khớp trụ, khớp ren, khớp cầu và khớp phẳng là cáckhớp thấp Khớp bánh răng phẳng và khớp cam phẳng là các khớp cao

Chuỗi động: Là tập hợp các khâu được nối với nhau bằng các khớp động Robot

nối tiếp có cấu trúc chuỗi hở, còn Robot song song có cấu trúc là chuỗi kín.Chuỗi động học được gọi là cơ cấu khi một trong các khâu là giá cố định Trong

cơ cấu có thể có một hoặc nhiều khâu được ấn định là khâu dẫn với các thông sốcho trước Sự chuyển động của các khâu dẫn là độc lập, sự chuyển động của cáckhâu khác sẽ phụ thuộc vào chuyển động của khâu dẫn Cơ cấu là một thiết bịtruyền chuyển động từ một hay nhiều khâu dẫn tới các khâu khác

Máy móc: Gồm một hoặc nhiều cơ cấu, cùng với các thành phần điện, thủy lực

và/hoặc khí nén, được dùng để biến đổi năng lượng bên ngoài thành cơ nănghoặc dạng năng lượng khác Cơ cấu chấp hành của hệ thống robot là cơ cấu Để

cơ cấu này trở thành máy cần phải có bộ điều khiển dựa trên bộ vi xử lý, bộ mãhóa và/hoặc các cảm biến lực, cùng với các bộ phận khác, chẳng hạn hệ thốngquan sát, phối hợp với nhau để chuyển đổi năng lượng bên ngoài thành công hữu

ích Mặc dù máy có thể gồm một hoặc nhiều cơ cấu, nhưng cơ cấu không phải làmáy, do không thực hiện công, chỉ có chức năng truyền chuyển động.

1.3.3 Bậc tự do của Robot cấu trúc song song

Xét hai vật thể ( hay hai khâu ) A và B để rời nhau trong không gian Gắnvào A một hệ tọa độ Đề Các Oxyz (hình I.1) thì B sẽ có 6 khả năng chuyểnđộng tương đối so với A, hay nói cách khác là giữa A và B có 6 khả năngchuyển động tương đối, ta gọi là 6 bậc tự do tương đối

Các khả năng chuyển động độc lập là :

- Các chuyển động dọc theo các trục Ox, Oy, Oz ,kí hiệu là Tx, Ty,Tz

- Các chuyển động quay quanh các trục Ox, Oy, Oz kí hiệu là Rx, Ry, Rz

Định nghĩa : Bậc tự do của cơ cấu là thông số độc lập tuyến tính cần thiếthoàn toàn xác định vị trí của cơ cấu Ta có thể xác định được các biểu thức tổngquát về số bậc tự do của robot theo số khâu, số khớp và kiểu khớp trong cơ cấu

Để thống nhất cho việc tính toán cho việc tự do của cơ cấu, ta sử dụng ký hiệusau:

: số ràng buộc của khớp i

F: số bậc tụ do của cơ cấu

: số chuyển động tương đối được phép của khớp i, j

Số khớp trong cơ cấu

: số khớp với i bậc tự do.

L : số vòng độc lập trong của cơ cấu

n: số khâu trong cơ cấu, kể cả khâu cố định

λ : số bậc tự do trong không gian lam việc của cơ cấu

Ta giả thiết tất cả các khớp đều là 2 chiều, khớp 3 chiều được coi là 2

khớp hai chiều, khớp 4 chiều được coi là 3 khớp hai chiều , ngoai ra còn giả

thiết một giá trị λ được dùng cho tất cả các chuyển động của tất cả các khâu

chuyển động, chúng đều vận hành trong khong gian làm việc, do đó λ = 6 đối

với cơ cấu không gian và λ = 3 đối với cơ cấu phẳng và khớp cầu

Giá trị bậc tự do của cơ cấu chính bằng số bậc tự do của tất cả các khâu

hoạt đọng trừ đi số ràng buộc bởi các khớp Do đó nếu các khâu đều tự do, số

bậc tự do của cơ cấu là n khớp vói một khớp cố định sẽ bằng λ(n 1) Tuy nhiên

phương trinh (1.4) được gọi theo tiêu chuẩn Gru bler hoặc Kutzbach. bler hoặc Kutzbach.

theo tiêu chuẩn Gru bler hoặc Kutzbach đúng cho các trường hợp các ràng buộc tại bler hoặc Kutzbach

các khớp là đọc lập và không dư.Ví dụ một khớp quay cầu liên kết chuỗi với khớp

quay co trục xuyên qua tâm của khớp cầu sẽ tạo ra một bậc tự do thừa Kiểu bậc tự

do này gọi là bậc tự do thụ động, cho phép khâu trung gian quay tự do quanh trục

được xác định từ 2 khớp đó Mặc dầu khâu trung gian có khả năng truyền lực hoặc

mô men và chuyển động cho các khâu khác , nhưng nó không có khả năng truyền

mô men cho trục chủ động Nói chung, các khâu hai chiêu vói các cặp S – S, S –

E, E – E đều có bậc tự do thụ động bảng sau thống kê sự phối hợp các khâu loại haichiều với các khâu S – S, S – E, E– E với các khớp cuối cùng của chúng có mộtbậc tự do

STT Kiểu Bậc tự do thụ động (thừa)

1 S S Quay quanh trục đi qua các tâm khớp cầu

2 S E Quay quanh trục đi qua tâm khớp cầu và vuông góc

với mặt

3 E E Trượt dọc trục song song với giaotuyến tạo bởi các

mặt phẳng của khớp phẳng Nếu hai mặt phẳng này song song sẽ có ba bậc tự do thụ động ( thừa )

Bậc tự do thụ động không thể truyền mô men và chuyển động cho trục thụđộng khi có một loại khớp loại này tồn tại trong cơ cấu , cần trừ đi một bậc tự do

từ phương trình tính bậc tự do Giả sử, fp là số bậc tự do thụ động trong cơ cấu thì

số bậc tự do chủ động trong cơ cấu là:

f = λ(n – j 1 )

Hình 1.2: Cơ cấu không gian Stewart - Gough

Là cơ cấu không gian gồm có một bàn máy động được nối với đế cố địnhbởi sáu chân trượt thông qua các khớp cầu mỗi chân được tạo thành từ hai khâu vàđược nối với nhau bằng khớp lăng trụ Cấu trúc này gọi là cấu trúc S P – S Do

sựu phối hợp S P – S, nên mỗi chân có một bậc tự do thừa từ hình vẽ ta có: λ =6,n =14 , ji =6, j3 = 12, fp =6 số bậc tự do của cơ cấu được tính theo phương trinh(1.5):

f =6(14 - 18 - 1) + (12x3 + 6) - 6 = 6

sử dụng phương trình (1.5) tính bậc tự do cho cơ cấu không gian có nói tới giátrị λ cho tất cả các khâu di chuyển, khi tính bậc tự do cho co cấu phẳng va cơ cấuđược xem như hệ con của hệ không gian nên cần phải chú ý tới thông số này Đặcbiệt λ = 3 với cơ cấu phẳng và cơ cấu cầu với cơ cấu không gian thì λ = 6

Nói chung tiêu chuẩn Gru bler có f > 0 thì cơ cấu có f bậc tự do Nếu f = 0 bler hoặc Kutzbach.

cơ cấu không có bậc tự do, lúc này cơ cấu trở thành giàn tĩnh định Nếu f <0 cơcấu sẽ có số ràng buộc thừa Tuy nhiên, cũng có các cơ cấu không tuân theo tiêuchuẩn Grubler Các cơ cấu này đòi hỏi chiều dài khâu đặc biệt để đạt được tínhlinh động cao được gọi là cơ cấu thắng ràng buộc

Đối với cơ cấu vòng kín và cơ cấu chấp hành, số lượng và vị trí các khớpphát động phải được chọn một cách cẩn thận sao cho khâu tác đọng cuối phảiđược điều khiển theo yêu cầu Nói chung số khớp phát động bằng số bậc tự do

của cơ cấu, vị trí của khớp phát động phải được chọn sao cho chúng có thể taothanh một tập hợp các tọa độ độc lập Nếu số lượng khâu phát đọng nhỏ hơn sốbậc tự do thì chuyển động của khâu này phải theo tọa độ tương ứng các ràngbuộc động học của chúng Một robot có bậc tư do dư thi điều khiển được linhhoạt hơn.

1.3.4 Các bài toán cơ bản về robot

Robot là một ngành khoa học về công nghệ truyền thống, kết hợp với lýthuyết và ứng dụng của các hệ thống robot việc nghiên cứu bao gồm cả hai vấn

đề là nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng, những vấn đề đó chia ra thành các lĩnhvực: công tác thiết kế robot, cơ học cơ cấu, thiết kế quỹ đạo và điều khiển, côngtác lập trình và tri thức cho máy cơ học là một nhánh khoa học nghiên cứu cácvấn đề về năng lượng lực và tác dụng của chúng đối với chuyển động của hệthông cơ khí Việc nghiên cứu bao gồm hai vấn đề có quan hệ với nhau là : Độnghọc và động lực học

1.3.4.1 Động học

Động học nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động mà không quan tâmđến nguyên nhân gây ra chúng như là lực và mô men Sự thay đổi các khâu củarobot liên quan đến hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối cùng với sụ ràngbuộc của các khớp những quan hệ động học đó là trọng tâm của việc nghiên cứuđộng học robot

Bài toán động học được chia thanh hai dạng: bài toán động học thuận vàbàitoán động học ngược

Bài toán động học thuận: từ các thông số vị trí, vận tốc gia tốc của khâudẫn,yêu cầu lập trình tính toán vị trí hướng vận tốc và gia tốc của điểm tác độngcuối cùng cũng như khâu trung gian bất kỳ

Bài toán động học ngược: từ yêu cầu về vị trí và hướng, vận tốc và gia tốccủa khâu tác động cuối, tìm ra thông số tương ứng của các khâu trước đó

(bài toán động học ngược)

1.3.4.2 Động lực học

Động lực học nghiên cứu về quan hệ giữa các lực tác dụng vào cơ cấu (lực,trọng tải và ma sát ) và chuyển động của cơ cấu Động lực học robot vẫn là vấn

đề rất phức tạp và hiện nay đang là đối tượng nghiên cứu

1.3.5 Phân loại robot

Robot có thể được phân loại theo nhiều tiêu chuẩn, số bậc tự do, cấu trúcđộng học, hệ thống truyền động, dạng hình học của chi tiết gia công, các đặctính chuyển động…

1.3.5.1 Phân loại theo số bậc tự do:

Sơ đồ phân loại robot thường dùng là theo số bậc tự do Một cách lýtưởng, cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để xử lý đối tượng một cách tự dotrong không gian ba chiều Theo quan điểm này, robot đa năng có 6 bậc tự do,robot dư có hơn 6 bậc tự do và robot thiếu có ít hơn 6 bậc tự do Robot dư cóthêm một bậc tự do để di chuyển qua các chướng ngại vật hoặc vận hành trongcác không gian hẹp Mặt khác đối với một số ứng dụng đặc biệt, chẳng hạn lắpgiáp các chi tiết trên mặt phẳng, robot bốn bậc tự do là đủ

Tay máy REVOLUTE Tay máy POLAR

Tay máy CYLINDRICAL Tay máy CARTERSIAL

Tay máy SCARA

Mô hình một số tay máy thông dụng

1.3.5.2 Phân loại theo cấu trúc động học

Robot được gọi là robot nối tiếp nếu cấu trúc động học có dạng chuỗivòng hở, robot song song nếu có chuỗi vòng kín, và robot lai nếu có cả chuỗivòng hở và vòng kín

* Phân loại theo hệ thống truyền động

Có ba hệ truyền động phổ biến là điện, thuỷ lực, và khí nén được dùngcho robot Hầu hết các cơ cấu chấp hành đều sử dụng động cơ bước hoặc động

cơ trợ động DC, do chúng tương đối dễ điều khiển Tuy nhiên, khi cần tốc độ

cao và khả năng mang tải cao, thường dùng truyền động thuỷ lực hoặc khí nén.Nhược điểm của truyền động thuỷ lực là khả năng rò rỉ dầu Ngoài ra, truyềnđộng khí nén có tính linh hoạt khá cao Mặc dù truyền động khí nén sạch vànhanh nhưng khó điều khiển do không khí là lưu chất nén được

Trong cơ cấu nối tiếp, nói chung một bộ tác động được dùng để điềukhiển chuyển động của từng khớp Nếu từng khâu chuyển động được truyềnđộng bằng một bộ tác động lắp trên khâu trước đó thông qua hộp giảm tốc, sựdịch chuyển của khâu này về mặt động học là độc lập với khâu khác, đây là cơcấu chấp hành nối tiếp qui ước Mặt khác, nếu mỗi khớp được truyền động trựctiếp bằng bộ tác động không có hộp giảm tốc, cơ cấu đó được gọi là cơ cấu chấphành truyền động trực tiếp

Việc dùng hộp giảm tốc cho phép sử dụng động cơ nhỏ hơn, do đó làmgiảm quán tính của cơ cấu chấp hành Tuy nhiên, độ lệch khớp của các bánhrăng trong hộp giảm tốc có thể gây ra sai số vi trí ở bộ phận tác động Kỹ thuậttruyền động trực tiếp khắc phục được vấn đề bánh răng và có thể tăng tốc độ cho

cơ cấu chấp hành Tuy nhiên, các động cơ truyền động trực tiếp tương đối lớn vànặng Do đó, chúng thường được dùng để truyền động khớp thứ nhất của cơ cấuchấp hành, động cơ được lắp ở đế Nói chung, động cơ cũng có thể được nắp ở

đế để truyền động khớp thứ hai hoặc khớp thứ ba thông qua đai kim loại hoặckhâu thanh đẩy

Một số cơ cấu chấp hành sử dụng bộ các bánh răng, xích và đĩa xích đểtruyền động các khớp Khi sử dụng hệ thống truyền động này cho cơ cấu chấphành qua nhiều khớp, độ dịch chuyển của khớp sẽ phụ thuộc lẫn nhau Các cơcấu chấp hành kiểu đó được gọi là vòng kín

*Phân loại theo dạng hình học không gian làm việc:

Không gian làm việc của cơ cấu chấp hành được xác định là thể tíchkhông gian đầu tác động có thể với tới Nói chung, thường sử dụng hai địnhnghĩa về không gian làm việc Thứ nhất là không gian có thể với tới, thể tíchkhông gian trong đó cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm theo ít nhất là mộtchiều Thứ hai là không gian linh hoạt, thể tích không gian trong đó cơ cấu tácđộng có thể với tới từng điểm theo mọi chiều có thể Không gian linh hoạt làmột phần của không gian có thể với tới

Mặc dù đây không phải là điều kiện cần, nhưng nhiều cơ cấu chấp hànhnối tiếp được thiết kế với ba khâu đầu dài hơn các khâu còn lại Do đó ba khâunày được dùng chủ yếu để thao tác vị trí, các khâu còn lại được dùng để điềukhiển hướng của đầu tác động Vì lý do đó, ba khâu đầu được gọi là cánh tay,các khâu còn lại được gọi là cổ tay Trừ các cơ cấu chấp hành với số bậc tự dolớn hơn 6, cánh tay thường có ba bậc tự do, cổ tay có 1-3 bậc tự do Hơn nữa, bộ

cổ tay thường được thiết kế với các trục khớp cắt nhau tại một điểm chung đượcgọi là tâm cổ tay Bộ cánh tay có thể có nhiều kiểu cấu trúc động học, tạo ra cácbiên làm việc khác nhau, được gọi là vùng không gian làm việc Không gian donhà sản xuất robot cung cấp thường được xác định theo vùng không gian làmviệc Tay máy được gọi là robot trụ nếu khớp thứ nhất hoặc khớp thứ hai củarobot Decartes được thay bằng khớp quay

Tay máy được gọi là robot cầu nếu hai khớp đầu là khớp quay khác nhau

và khớp thứ ba là khớp lăng trụ (tay máy SCARA) Vị trí tâm cổ tay của robot

cầu là tập hợp các tọa độ cầu liên quan với ba biến khớp nối Do đó không gianlàm việc robot cầu được giới hạn theo hai khối cầu đồng tâm

Tay máy được gọi là robot quay nếu cả ba khớp đều là khớp quay Khônggian làm việc của robot này rất phức tạp thường có tiết diện hình xuyến Nhiều

robot công nghiệp là loại robot quay(tay máy REVOLUTE).

Robot Song Song Delta

Vào đầu thập niên 80, Reymond Clavel (giáo sư của EPFL) đã nảy ra một

ý tưởng độc đáo là sử dụng các hình bình hành để tạo ra một robot song song có

ba bậc tự do tịnh tiến và một bậc tự do quay Không như một số bài báo đã xuấtbản đâu đó, ý tưởng này hoàn toàn là của Reymond Clavel chứ không phải bắtchước từ cơ cấu song song đã được Willard L Polard đăng ký bản quyền vàonăm 1942, và vào thời điểm đó Willard L Polard cũng không hề biết đến giáo

sư Clavel Robot song song Delta đã được đánh giá là một trong những thiết kếrobot song song thành công nhất với hàng trăm robot đang hoạt động trên toànthế giới Vào năm 1999, tiến sĩ Clavel đã nhận được giải thưởng Golden RobotAward do hiệp hội ABB Flexible Automation trao tặng để tôn vinh những hoạtđộng sáng tạo của ông về robot song song Delta

Sơ đồ robot delta.

Thiết kế của robot Delta:

Ý tưởng căn bản của thiết kế robot Delta là sử dụng các hình bình hành.Các hình bình hành cho phép khâu ra duy trì một hướng cố định tương ứng vớikhâu vào Việc sử dụng ba hình bình hành hoàn toàn giữ chặt hướng của bệ diđộng duy trì chỉ với ba bậc tự do tịnh tiến Các khâu vào của 3 hình bình hànhđược gắn với các cánh tay quay bằng các khớp quay Các khớp quay của tayquay được truyền động theo 2 cách: hoặc sử dụng các động cơ quay (DC hoặc

AC servo), hoặc bằng các bộ tác động tuyến tính Cuối cùng, cánh tay thứ tưđược dùng để chuyển truyền chuyển động quay từ đế đến khâu tác động cuốigắn trên tấm dịch chuyển

Việc sử dụng các bộ tác động gắn trên đế và các khâu có khối lượng nhẹcho phép tấm dịch chuyển đạt được gia tốc lên đến 50 G trong phòng thí nghiệm

và 12 G trong các ứng dụng công nghiệp chính điều này làm cho robot Delta trởthành một ứng cử viên sáng giá cho các hoạt động nâng – đặt đối với các đốitượng nhẹ (từ 10 gr đến 1 kg) Vùng làm việc của nó là sự giao nhau của 3đường gờ tròn, nhưng robot Delta trên thị trường có thể hoạt động trong vùnglàm việc hình trụ với đường kính là 1 m và có chiếu cao là 0,2 m

Robot DeltaDemaurex cũng cấp giấy phép cho một công ty Nhật Bản có tên là Hitachi Seikiđược quyền sản xuất robot Delta có kích cỡ nhỏ dùng để đóng gói (sản phẩm cótên là DELTA) và khoan (PA35) Trên thực tế, Hitachi Seiki là nhà đại diện củaDemaurex tại Nhật Bản.

Robot IRB 340 FlexPicker

ABB Flexible Automation đã giới thiệu các robot Delta của mình vàonăm 1999, đó là robot có tên IRB 340 FlaxPicker 3 phân khúc thị trường mà họhướng tới là các ngành công nghiệp thực phẩm, dược và điện tử PlexPickerđược trang bị hệ thống chân không được tích hợp luôn vào robot, có khả năng

nhấc và nhà nhanh đối với các vật có khối lượng đến 1 kg Robot được dẫnhướng bởi một thiết bị quan sát của hãng Cognex và được trang bị bộ điều khiểnABB S4C Robot cũng có thể được trang bị một bộ điều khiển chuyển động và

hệ thống quan sát của hãng Adept Technology Vận tốc mà robot này đạt đượckhoảng 10 m/s và 3,6 deg/s (khoảng 150 lần nhấc trong một phút), và gia tốc lênđến 100 m/s2 và 1,2 rad/s2 Robot này có tới 2 phiên bản

Sau hơn 15 năm giữ vai trò chủ đạo trên thị trường, Demaurex đột nhiênphải đối diện với quyết định của ABB gia nhập vào thị trường robot loại này.Demaurex đã thay đổi dòng sản phẩm từ các robot Delta rời rạc chuyển sang sảnxuất các cụm robot hoàn chỉnh Gần đây, 3 robot Delta khác cũng đã được SIGPack Systems giới thiệu là C23, C33 (do Demaurex sản xuất) và CE33 (do SIGPack Systems sản xuất)

C33 và CE33

1.4 Ý tưởng thiết kế :

Từ đề tài đưa ra kết hợp với thực tiễn tìm hiểu tài liệu về Robot song song Yêu cầu của đề tài là thiết kế ra Robot khắc chữ song song 2D Khắc được chữchúng phải thay đổi được tọa độ của dao gia công trong một mặt phẳng Chúng tachọn cơ cấu khớp bản lề

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC MÔ PHỎNG

MIỀN LÀM VIỆC BẰNG MATLAB

2.1 Tính toán động học của Robot

Thực hiện đươc 2 bài toán động học thuận và động học ngược của robot Bài toán thuận có nhiệm vụ xác định thế (vị trí và hướng ) của phần công táckhi biết giá trị các biến khớp của robot trong hệ tọa độ oxy

Bài toán ngược nhằm xác định giá trị các biến khớp để đảm bảo quy luật chuyểnđộng của phần công tác của robot trong hệ toa độ oxy

Bài toán động học ngược của robot song song hai bậc tự do:

Bài toán này chúng ta phải tìm được giá trị của biến khớp (bi) khi biết được vịtrí của các khớp và độ dài các chân và vị trí của robot so với gốc tọa độ Ma trậnquay R , véc tơ chuyển vị P( , )

P = ;

=

=

Vậy: b2= Px (Py a2 – c2)/tan ;

Ta có : tan = ; b1 = Px (Py c1 – a1)*

tan = ; b2 = Px (Py a2 – c2)*

Bài toán thuận:

Bài toán này ta tìm thành phần , , của véc tơ với các giá trị của ,thay đổi để tao ra vùng làm việc của robot:

Ta có : b1 d1*cos =

a1 d1*sin c1 =

=

=

2.2 Động lực học Robot

* Nghiên cứu động lực học robot là công việc cần thiết khi phân tích cũng

như tổng quá trịnh điều khiển chuyển động Việc nghiên cứu động lực học robotthường giải quyết hai nhiệm vụ sau đây:

- Xác định momen và lực động xuất hiện trong quá trình chuyển động.Khi đó qui luật biến đổi của biến khớp (t) coi như đã biết Việc tính toán lựctrong cơ cấu tay máy là cần thiết để chọn lọc công suất động cơ, kiểm tra độbền, độ cứng vững, đảm bảo độ tin cậy của robot

- Xác định sai số động lực học tức là sai lệch so với qui luật chuyểnđộng theo chương trình Lúc này cần khảo sát phương trình chuyển động robot

có tính đến đặc tính động lực của động cơ và các khâu Có nhiều phương phápnghiên cứu động lực học nhưng thường gặp hơn cả là phương pháp cơ họcLagrange, cụ thể là dùng phương trình Lagrange- Eule Đối với các khâu khớpcủa robot, với các nguồn động lực và kênh điều khiển riêng biệt , không thể bỏqua các hiệu ứng trọng trường, quán tính, tương hổ, ly tâm…mà những khíacạnh này chưa được xet đầy đủ trong cơ học cổ điển; Cơ học Lagrange nghiêncứu các vấn đề nêu trên như một hệ thống khép kín nên đây là nguyên lý cơ họcthích hợp đối với các bài toán động lực học robot

2.2.1 Cơ học Lagrange với các vấn đề động lực học của Robot

Hàm Lagrange của một hệ thống năng lượng được định nghĩa:

Ở đây, và là động năng và thế năng của khâu thứ I xét trong hệ tọa độ

chọn Ta biết mỗi đại lượng và là một hàm số phụ thuộc nhiều biến số:

=K( , ) và =P( , )

Với là tọa độ suy rộng của khớp thứ i Nếu khớp thứ i là khớp quay thì là

góc quay , nếu là khớp tịnh tiến thì là độ dài tịnh tiến

Ta định nghĩa : Lực tác dụng lên khâu thứ i(i= 1,2 …,n) với quan niệm lực tổng quát, nó có thể là một lực hoặc một mô men( phụ thuộc vào biến khớp

là tịnh tiến hoặc quay) được xác định bởi:

Các khâu có chiều dài và và khối lượng tương ứng và các

C1 =C2 = 5 cm, khớp quay với các biến khớp và Tính lực tổng quát

Đối với khâu 1

= - g cosVới khâu 2:

Về tọa độ:

= sin

= cos + = cos – )cos

Chiều cao thế năng

Muốn cho khâu quay được góc thì động cơ phải tạo ra một lực tổng quát ≥ Lực tổng quát này có đặc tính phi tuyến, là hợp tác dụng của nhiềuyếu tố

Tương tự, để tính lực tổng quát của khâu thứ hai, ta có:

+ 2 - - sin 2

+ cos 2 )

2.2.3 Phương trình động lực học robot

Xét khâu thứ i của một robot có n khâu Tính lực tổng quát của khâu thứ

i với khối lượng vi phân của nó là dm Lực tổng quát đóng vai trò rất quantrọng khi xây dựng sơ đồ khối để thiết lập hàm điều khiển cho robot có n bậc tựdo

Vận tốc của một điểm trên robot

Một điểm trên khấu thứ i được mô tả trong hệ tọa độ cơ bản là:

Trong đó: là tọa độ của điểm xét đối với khâu thư i , không thay đổi theo thời gian là ma trận chuyển đổi từ khâu thứ i về hệ tọa độ gốc:

=

Như vậy r là một hàm của thời gian t

Tốc độ của thời gian t

Tốc độ của vi khối lượng dm được tính bởi công thức: