nghiên cứu thiết kế, chế tạo tay máy song song với chân dẫn động phụ phục vụ ứng dụng công nghiệp

Các mobile robot cũng được sử dụng rộng rãi phục vụ cho các kho hàng tự động, nhằm vận chuyển hàng hoá lưu kho haặc cấp phát tại địa điểm xác định của dây chuyền lắp ráp, hoặc cho gian h

BỘ CÔNG THƯƠNG

VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ

PHÂN VIỆN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Chủ nhiệm Đề tài: TS LÊ QUỐC HÀ

TP HỒ CHÍ MINH – 02/2013

DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN CHỦ CHỐT THAM GIA ĐỀ TÀI

TÓM TẮT

Robot song song có nhiều ưu điểm như độ cứng vững, khả năng thay đổi vị trí và định hướng linh hoạt, độ chính xác và ổn định cao, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực Đề tài sẽ nghiên cứu thiết kế, chế tạo robot song song với chân dẫn động phụ ứng dụng trong công nghiệp

ABSTRACT

Parallel Robot has some advantages such as: rigidity, changing position, ability and flexible navigation, accuracy and high stability, They are applied in a lot of fields The project researching, designing and manufacture equipment parallel robot with lead assistant leg for industrial application

Hình 1.8: Robot spirit được phát triển bởi NASA ứng dụng trong thám hiểm sao

hỏa Được đưa lên sao hỏa vào tháng 1 năm 2004

7

Hình 1.28: SurgiScope đang vận hành ở Surgical Robotics Lab,

Đại học Humboldt (Berlin, Đức)

20

Hình 1.29: Robot CRIGOS dùng để phẫu thuật tái tạo xương 20

Hình 1.33: Tay máy song song với các dẫn động phụ bên ngoài không gian làm

việc

25

H.2.3 Mô hình tay máy song song với tâm của tấm dịch chuyển là (0 0 3), góc

30

Hình 6.3: Hệ thống gia công 5 trục ảo CNC+Hexapod 58

Hình 6.4: Robot song song của ABB và ứng dụng phân loại trong dây chuyền bánh kẹo

59

Mục lục

Trang

6 Nghiên cứu khả năng ứng dụng tay máy song song có dẫn động phụ

đƣợc thiết kế chế tạo trong đề tài Thiết kế mô hình ứng dụng

57

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ

PHÂN VIỆN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO KHOA HỌC KỸ THUẬT

Tên Đề tài:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TAY MÁY SONG SONG VỚI CHÂN DẪN ĐỘNG PHỤ PHỤC VỤ ỨNG DỤNG CÔNG NGHIỆP

Chủ nhiệm Đề tài: TS LÊ QUỐC HÀ

1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

1.1 Mở đầu

Ngày nay, tự động hoá là một trong những ngành kỹ thuật cao đang phát triển mạnh kết hợp cùng sự phát triển ngành công nghệ thông tin Nhiều ứng dụng công nghệ khoa học được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội Đặc biệt trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, các tay máy và người máy đã được sử dụng rộng rãi nhằm thay thế sức lao động của con người, góp phần nâng cao năng suất, chất lượng, giảm giá thành sản phẩm và nhanh chóng đáp ứng yêu cầu của thị trường, do đó nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm

Robot là thành phần chủ yếu trong tự động hoá công nghiệp Robot, theo cách hiểu thông thường

là một cấu trúc cơ khí có điều khiển, thực hiện các thao tác tự động, đảm bảo một chức năng thay cho tác động của con người Robot có thể được phân loại theo số bậc tự do (1†6 bậc tự do), hoặc theo cơ cấu (robot nối tiếp hoặc song song),…Theo tài liệu của Liên đoàn robot quốc tế (IRF-2010), trên thế giới hiện nay có khoảng 50% số robot được sử dụng tại châu Á (Nhật Bản chiếm 30%), 32% ở châu Âu, 16% ở Bắc Mỹ, 1% ở Australia và 1% ở châu Phi Trong đó, ngành hoá chất-cao su-nhựa chiếm 9,4% Từ năm 2003, số lượng robot hàng năm trung bình tăng ~ 20%, đến nay ~ 10%

Robot công nghiệp có vị trí rất quan trọng trong nền sản xuất công nghiệp hiện đại, là một trong

những ứng du ̣ng tiên tiến của khoa ho ̣c kỹ thuâ ̣t trong lĩnh vực điều khiển tự đô ̣ng vào trong sản xuất Trong sản xuất tự động, robot đáp ứng các công việc lặp đi lặp lại nhiều lần như: lắp ráp, đóng gói, vận chuyển sản phẩm; các công việc có độ chính xác rất cao như : lắp ráp các chi tiết máy nhỏ , mạch điện tử , hoặc các công việc nguy hiểm như : các thao tác trong nhà máy điện nguyên tử, các lò luyện kim loại , những nơi có nhiệt độ áp suất cao , dễ xảy ra cháy nổ… Robot

lươ ̣ng tốt đáp ứng nhu cầu xã hô ̣i Hiê ̣n nay, nhiều nước trên thế giới đã sử du ̣ng robot vào trong

STANFORD, …Trong xu hướng phát triển hiện nay trên thế giới, robot ngày càng được tích hợp thêm nhiều công nghệ mới như: xử lý ảnh công nghiệp (Industrial Image Processing), mạng nơ-ron nhân tạo (Artifficial Neural Network), kỹ thuật điều khiển thông minh Fuzzy, Genetic, … có nhiều ứng dụng trong công nghiệp lắp ráp linh kiện điện tử, kiểm tra lỗi sản phẩm, phân loại sản phẩm, dò tìm bám vết đối tượng…

Các số liệu của Hiệp hội robot thế giới cho biết thị trường robot công nghiệp tăng trưởng không ngừng ~ 4.2% từ 2006, và tới 2010 đạt 300.000 chiếc

Robot dịch vụ được phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây Đến cuối năm 2008, các

hãng sản xuất đã bán ra thị trường 63.000 robot dịch vụ, trong đó là các robot an ninh-quốc phòng và cứu hộ (30%), robot phục vụ sản xuất sữa (23%), robot quét dọn (9%), robot y tế (8%), robot dịch vụ dưới nước (8%), robot xây dựng và đập phá (7%), robot di động (6%) và robotr tiếp vận (5%)

Ngoài ra, số lượng robot giải trí bán ra cũng rất lớn 2,2 tỳ USD/2008 so với 4,4 tỷ USD robot dịch vụ

Dự báo cho những năm 2009-2012, robot dịch vụ s4 đạt mức cao, trong đó có robot dịch vụ gia dụng (~4,8 tỷ USD), robot giải trí (6,8 tỷ USD)

Robot dịch vụ thân thiện với con người cũng được các nước công nghiệp đầu tư nghiên cứu với giá trị hàng trăm triệu USD Điển hình là robot giống người ASIMO (Nhật Bản), Hubo (Hàn Quốc),… có khả năng thực hiện một số dịch vụ thay cho con người

Robot trong an ninh quốc phòng thực tế là một cuộc chạy đua vũ trang, nó được xem là một vũ

khí thống trị trong tương lai, với chi phí đầu tư cỡ hàng tỷ USD

- Các loại robot chiến đấu trên các chiến trường địa hình phức tạp

- Robot rà phá bom mìn

- Robot trinh sát

- Robot chống khủng bố

- Robot cứu hộ trong chiến tranh, thiên tai

1.2 Phân loại chung về robot

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

- Phân loại theo số bậc tự do: Một cách lý tưởng cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để xử lý đối tượng một cách tự do trong không gian 3 chiều Theo quan điểm này, robot đa năng có 6 bậc tự do và robot thiếu có nhất ít hơn 6 bậc tự do, robot dư có thêm một bậc tự do dể di chuyển qua các hướng chướng ngại vật hoặc trong không gian hẹp Mặt khác, đối với một số ứng dụng đặt biệt, chẳng hạn lắp ráp các chi tiết trên mặt phẳng chỉ có robot 4 bậc tự do là

đủ

- Phân loại theo cấu trúc động học: Robot được gọi là robot nối tiếp nếu cấu trúc động học có dạng chuỗi vòng hở, robot song song nếu có chuỗi vòng kín, và robot lai nếu có vòng kín và vòng hở

- Phân loại theo hệ thống truyền động: Có 3 hệ thống truyền động phổ biến là điện, thuỷ lực và khí nén được dùng cho 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 chuyển động thủy lực hoặc khí nén có tính linh hoạt khá cao Mặc dù truyền động khí nén sạch và nhanh nhưng khó điều khiển do không khí là chất khí được nén

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

Việc dùng hộp giảm tốc cho phép sử dụng động cơ nhỏ hơn, do đó làm giảm quán tính của

cơ cấu chấp hành Tuy nhiên, độ lệch khớp của của các bánh răng trong hộp giảm tốc có thể gây ra sai số vị trí ở bộ phận tác động Kỹ thuật truyền 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 và nặng Do đó chúng thường được dùng để truyền động khớp thứ nhất của cơ cấu chấp hành, động cơ được láp đặt ở đế Nói chung động cơ cũng có thể được lắp đặt ở đế để truyền động khớp thứ hai hoặc khớp thứ ba thông qua đai kim loại hoặc khâu thanh đẩy

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

- Phân loại theo hình dạng hình học không gian làm việc: Không làm việc của cơ cấu chấp hành được xác định là thể tích không gian đầu tác động có thể với tới Nói chung, thường sử dụng hai định nghĩa về không gian làm việc Thứ nhất là không gian có thể với tới, thể tích không gian trong cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm theo ít nhất là một chiều Thứ hai

là không gian linh hoạt, thể tích không gian trong đó cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm theo mọi chiều có thể Không là một phần của không gian có thể với tới

Mặc dù đây không phải điều kiện cần, nhưng nhiều cơ cấu chấp hành nối tiếp được thiết kế với 3 khâu đầu dài hơn các khâu còn lại, do đó 3 khâu này được dùng chủ yếu để thao tác vị trí, các khâu còn lại được dùng để điều khiển hướng của đầu tác dụng Vì lí do đó 3 khâu đầu được gọi

là cánh tay, các khâu còn lại được gọi là cổ tay Trừ các cơ cấu chấp hành có bậc tự do lớn hơn là

6, cánh tay thường có 3 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 gọi là tâm cổ tay Bộ cánh tay có thể có nhiều kiểu cấu trúc động học, tạo ra các biên làm việc khác nhau, được gọi là vùng không gian làm việc Không gian do nhà sản xuất Robot cung cấp thường được xác định theo không gian làm việc

Tay máy được gọi là robot trụ nếu khớp thứ nhất hoặc khớp thứ hai của robot Cartersian (Hình 1.1e) được thay thế bằng khớp quay Tay máy được gọi là Robot cầu nếu hai khớp đầu là khớp quay khác nhau và khớp thứ 3 là khớp lăng trụ (Hình 1.1a) vị trí tâm cổ tay của Robot cầu là tập hợp các toạ độ cầu liên quan với 3 biến khớp nối Do đó trong không gian làm việc của Robot cầu được giới hạn theo hai khối cầu đồng tâm Tay máy được gọi là Robot quay nếu cả 3 khớp đều là khớp quay Không gian làm việc của Robot này rất phức tạp thường có tiết diện hình xuyến Nhiều Robot công nghiệp là loại Robot quay (Hình 1.1c)

Hình 1.1: Mô hình một số tay máy thông dụng

1.3 Một số ứng dụng của robot

Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp Những ứng dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn Một trong những công việc kém năng suất nhất của

con người là rèn kim loại ở nhiệt độ cao Các công việc này đòi hỏi công nhân di chuyển phôi có khối lượng lớn với nhiệt độ cao khắp nơi trong xưởng Việc tuyển dụng công nhân làm việc trong môi trường nhiệt độ cao như vậy là một vấn đề khó khăn đối với ngành công nghiệp này,

và robot ban đầu đã được sử dụng để thay thế công nhân làm việc trong điều kiện môi trường ngặt nghèo như trong lò đúc, xưởng rèn, và xưởng hàn

Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng robot nhiều nhất: khung xe được cố định vào một xe được điều khiển từ xa di chuyển khắp nhà máy Khi xe đến trạm hàn, kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng vào vị trí cần hàn, trong khi đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được lập trình trước (hình 1.4)

„dạy‟ bởi một thợ sơn chuyên nghiệp giữ đầu phun và dịch chuyển nó đi đúng đường; đường đi

đó được ghi lại; và khi robot thực hiện công việc phun sơn thì nó chỉ việc đi theo đường đi đã được định sẵn đó Như thế, robot phun sơn phải có các khớp sao cho người thợ sơn có thể dễ dàng dẫn hướng cho chúng Ứng dụng này đưa đến sự phát triển một loại tay robot dạng „vòi voi‟ có độ linh hoạt cao (hình 1.5)

Hình 1.5: Robot sơn

Robot được sử dụng mạnh nhất trong công nghệ lắp ráp xe ô tô tự động Việc ứng dụng chúng cho phép sản xuất ô tố với tốc độ cao vài phút/chiếc (hình 1.6)

Hình 1.6: Robot trong lắp ráp tự động

Robot còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nữa như phục vụ cho máy công cụ, lấy sản phẩm trong công nghiệp đồ nhựa (hình 1.7)

Hình 1.7: Phân xưởng sản xuất đồ nhựa gồm các máy ép nhựa có gắn tay máy lấy SP

Một kỹ thuật sản xuất có mục tiêu lâu dài là nhà máy tự động hoàn toàn, ở đó một bản thiết kế được thể hiện tại một trạm thiết kế bằng máy tính, không có sự can thiệp của con người vào quá trình sản xuất Khi đó môi trường sản xuất được tự động hoàn toàn; từ ý tưởng sản phẩm, gồm các chỉ tiêu kỹ thuật cấp cao, người ta thiết kế ra sản phẩm; sau đó đặt vật liệu, lập ra chương trình gia công, lập ra chiến lược đường đi của chi tiết trong nhà máy; điều khiển cung cấp chi tiết vào máy gia công, lắp ráp và kiểm tra tự động thông qua các máy gia công CNC và các robot tĩnh và robot di động

Những thành tựu của một môi trường sản xuất như thế đã và đang được đầu tư nghiên cứu và phát triển trong nhiều năm qua Hiện nay các nhà máy lớn hiện đại đều áp dụng mô hình tự động hoá hoàn toàn, đặc biệt là phần thiết kế ở cấp cao và phần xử lý chi tiết ở cấp thấp Một trong những trở ngại chính là liên kết các tầng với nhau Một khó khăn khác là nhu cầu phương pháp xuất ra các đặc tả thủ tục từ mô hình máy tính của sản phẩm Ví dụ, việc lập ra một cách tự động trình tự lắp ráp các chi tiết với nhau trong khâu lắp ráp

Robot được sử dụng để tự động hoá quá trình lắp ráp trong những nhà máy như thế Khâu này tập trung nhiều lao động và khó hơn nhiều so với dự tính Sự phát triển của cảm biến và sự ứng dụng nó vào robot là yếu tố quan trọng cơ bản để ứng dụng robot trong lắp ráp Lấy ví dụ, đầu

mỏ hàn là một vật thể nhỏ, nên để lắp ráp nó chúng ta cần tập trung mọi chi tiết lại, tìm vị trí và hướng lắp ráp cho từng chi tiết, lấy chi tiết đầu tiên và đặt nó vào cơ cấu kẹp chặt, lấy một chi tiết nữa theo đúng thứ tự và lắp vào chi tiết đầu tiên

Việc lắp ráp còn liên quan đến nhiều xử lý khác nhau: đưa một chi tiết vào một chi tiết kia, đặt một chi tiết trên một chi tiết khác, siết chặt đai ốc, siết vít, hay phun keo, v.v Tuy nhiên, tuỳ trường hợp cụ thể để quyết định có sử dụng robot trong công đoạn lắp ráp hay không Trong thực

tế, khi sản phẩm được thiết kế khéo léo thì người công nhân có thể lắp ráp sản phẩm trong một thời gian rất ngắn

Trong sản xuất lớn, những robot này là những hệ thống được tự động hoá hoàn toàn: chúng đo đạc, cắt, khoan các thiết bị chính xác và còn có khả năng hiệu chỉnh các công việc của mình, hầu như ở đây không cần sự giúp đỡ của con người trừ chương trình điều khiển trong máy tính điện

tử Chỉ với vài người giám sát công việc; các máy móc này có thể hoạt động suốt ngày đêm; các robot làm tất cả các công việc như vận chuyển sản phẩm từ công đoạn sản xuất này tới công đoạn sản xuất khác kể cả việc đưa và sắp xếp thành phẩm vào kho

Các nhà máy lớn thì thường sản xuất một số mặt hàng nhất định trên các dây chuyền hiện đại Các nhà máy cỡ vừa và nhỏ, như nhà máy sản xuất phụ tùng xe đạp chẳng hạn, thì thường sản xuất sản phẩm đa dạng với số lượng không lớn Robot không phải lúc nào cũng thích hợp với những công việc như vậy, nhưng nhà máy loại này có thể giải quyết vấn đề đó bằng cách trang bị nhiều thiết bị đa dạng cho tay gấp của robot nhằm cho phép robot có khả năng điều chỉnh nhanh chóng thiết bị công nghệ đáp ứng linh hoạt với nhiều dạng công việc khác nhau

Robot di động (Mobile robot) có rất nhiều ứng dụng, từ robot tự hành trong các chương trình không gian (hình 1.8) tới các việc dịch vụ nhỏ như giúp việc nhà, như dẫn đường, vận chuyển đồ dùng, lau chùi nhà… Trong các cơ sở sản xuất đồng vị phóng xạ tại các lò phản ứng hạt nhân, mobile robot thực hiện việc chuyên chở chất đồng vị có độ phóng xạ cao từ lò phản ứng tới địa điểm xử lý (có sử dụng các box với điều khiển tay máy), nhằm tránh nguy hiểm cho con người Tương tự, việc vận chuyển các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng có hoạt độ phóng xạ cao lấy ra từ

lò phản ứng của nhà máy điện hạt nhân cũng được thực hiện nhờ mobile robot (hình 1.9) Các mobile robot cũng được sử dụng rộng rãi phục vụ cho các kho hàng tự động, nhằm vận chuyển hàng hoá lưu kho haặc cấp phát tại địa điểm xác định của dây chuyền lắp ráp, hoặc cho gian hàng siêu thị, thư viện,… Ngoài ra, mobile robot kết hợp với kỹ thuật âm thanh, hình ảnh, có thể thực hiện các công việc giao tiếp, hướng dẫn thay cho hướng dẫn viện trong các viện bảo tàng, triển lãm (hình 1.10)…

Hình 1.8: Robot spirit được phát triển bởi NASA ứng dụng trong thám hiểm sao hỏa Được đưa

lên sao hỏa vào tháng 1 năm 2004

Hình 1.9: Xe vận chuyển chất đồng vị phóng xạ từ lò phản ứng hạt nhân

Hình 1.10: Robot hướng dẫn Minerva trong viện bảo tàng quốc gia Hoa kì

Robot cũng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực an ninh quốc phòng, thực hiện các nhiệm vụ trinh sát, chiến đấu hoặc rà soát – tháo gỡ bom mìn (hình 1.11)

Hình 1.11: Robot quân sự (USA)

1.4 Robot song song

1.4.1 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 như các bộ mô hình máy bay, các khung đỡ kiến trúc có khớp nối điều chỉnh, các máy khai thác mỏ

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

- Độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng:

Tất cả các lực tác động đồng thời được chia sẻ cho tất cả các chân

Cấu trúc động học một cách đặc biệt của các khớp liên kết cho phép chuyển tất cả các lực tác dụng thành các lực kéo/nén của các chân

- Có thể thực hiện được các thao tác phức tạp và họat động với độ chính xác cao: với cấu trúc song song, sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc trục của các cụm cơ cấu chân riêng lẻ và các sai

- 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 các chi 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 di chuyển tới mọi nơi trong môi trường sản xuất Chúng có thể làm việc ngay cả khi trên thuyền và treo trên trần, tường

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

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

1.4.2 Cấu trúc robot song song

4.2.1 Cấu trúc cơ cấu

Robot song song là loại robot có cấu trúc vòng 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 chuỗi nối tiếp các khâu động, từ khâu cuối (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 mạch động học, tức là nối song song với nhau Sự khác nhau

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

4.2.2 Khâu, khớp, chuỗi động và cơ cấu chấp hành của cơ cấu song song

khâu là vật rắn, điều đó làm cho việc nghiên cứu các kết cấu, robot được dễ dàng hơn Tuy nhiên với các cơ cấu tốc độ cao hoặc mang tải lớn thì hiện tượng đàn hồi của vật liệu trở nên quan trọng đáng kể và chúng ta phải xét đến

 Khớp: Là chuỗi động giữa hai khâu Tùy theo cấu trúc, môi khớp hạn chế một số chuyển động giứa hai khâu, bề mặt tiếp xúc của mỗi khâu tại khớp gọi là thành phần khớp Hai thành phần của khớp tạo thành một khớp động Khớp động có thể phân thành khớp thấp và khớp cao tuy thuộc vào dạng tiếp súc

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

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

Có 6 loại khớp thấp và 2 loại khớp cao cơ bản thường được dùng trong các cơ cấu máy và các robot, đó là:

- Khớp quay (Revolute Joint - R): khớp để lại chuyển động của khâu này đối với khâu khác quanh một trụ quay nghĩa là khớp quay hạn chế 5 khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp và có một bậc tư do

- Khớp lăng trụ (Prismatic Joint - P): cho phép 2 khâu trược trên một trục Do đó khớp lăng trụ hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa hai khâu và có một bậc tự do Người ta cũng thường gọi khớp lăng trụ là khớp tịch tiến

- Khớp trụ (Cylindrical joint - C): cho phép hai chuyển động độc lập, gồm một chuyển động quay quanh một trục và một chuyển động tịch tiến theo trục đó Do đó khớp trụ hạn chế 4 khả năng chuyển dộng giữa hai khâu và có hai bậc tự do

- Khớp ren (Helical Joint - H): cho phép chuyển động quay quanh trục đồng thời tịch tiến theo trục quay Tuy nhiên chuyển động tịch tiến phụ thuộc vào chuyển động quay bởi bước của ren vít Do đó, khớp ren hạn chế 5 chuyển động tương đối giữa hai khâu và còn lại 1 bậc tự

do

- Khớp cầu (Spherical Joint - S): cho phép chuyển động quay giữa hai thành phần khớp tâm cầu theo tất cả các hướng, nhưng không có chuyển động tịch tiến giữa hai thành phần khớp này do đó khớp cầu hạn chế 3 khả năng chuyển động và có 3 bậc tự do

- Khớp phằng (Plane Joint - E): có hai khả năng chuyển động tịch tiến theo hai trục trong mặt tiếp xúc và khả năng quay quanh trục vuông góc với mặt tiếp xúc Do đó khớp phẳng hạn chế

3 khả năng chuyển động và có 3 bậc tự do

- Khớp bánh răng phẳng (Gear Pair - G): cho hai bánh răng ăn khớp với nhau Các mặt tiếp xúc đẩy nhau, chúng thường trược lên nhau Do đó khớp bánh răng hạn chế 4 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thành phần khớp và còn lại hai bậc tự do

- Khớp cam phẳng (Cam Pair - Cp): tương tự như khớp bánh răng, hai thành phần khớp luôn tiếp xúc với nhau Do đó, khớp cam phẳng có hai bậc tư do

1.4.3 Một số lĩnh vực nghiên cứu

- Cơ cấu chấp hành song song phẳng là loại cơ cấu có 3 chuỗi động học Sử dụng các khớp quay và lăng trụ theo cặp động học, ta có 7 cách bố trí chuỗi động học là RRR, RRP, RPR, PRR, RPP, PRP và PPR (hình 1.12)

Hình 1.12: Cách bố trí các chuỗi động học của cơ cấu chấp hành song song phẳng

Hình 1.13: Cấu trúc chấp hành song song 3PRP

- Cơ cấu chấp hành song song cầu (hình 1.13): Các thông số chuyển động đối với cơ cấu này bằng 3 Yêu cầu liên kết trong cơ cấu này là đồng nhất với cơ cấu chấp hành song song phẳng Trong cơ cấu chấp hành liên kết cầu, loại khớp đƣợc phép là khớp quay, tất cả các trục khớp phải giao nhau tại một điểm chung, đó là tâm hình cầu, cấu trúc nhánh duy nhất đƣợc phép là cấu trúc RRR

Chú ý là một khớp cầu có thể đƣợc lắp ở tâm của cơ cấu hành song song cầu (hình 1.14) Tuy nhiên, khớp cầu nhƣ thế chỉ có thể là khớp thụ động, vì các bộ tác động hiện hữu không thể truyền động cho khớp đó Vì thế, nếu dùng 1 khớp cầu, cần có thêm 3 chân để tác động song song bệ chuyển động

Hình 1.14: Cấu trúc chấp hành kiểu cầu 3RRR

- Robot song song không gian (hình 1.15):

Hình 1.15: Một số cấu trúc chân của robot song song không gian

Một trong những robot song song không gian được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm

động với đế cố định bằng các khớp cầu Mỗi nhánh gồm phần trên và phần dưới nối với nhau bằng khớp lăng trụ Trục vít hoặc kích thủy lực được dùng để thay đổi chiều dài khớp lăng trụ và

do đó điều khiển vị trí bệ

Hình 1.16: Tấm dịch chuyển Stewart

w

Hình 1.17: Robot Delta

Robot song song 3RPS: Robot song song 3RPS thường được thiết kế để mang phôi gia công và được lắp đặt trên bàn gá phôi của máy phay Ba chân với chiều dài có thể thay đổi được điều bởi các xi lanh thuỷ lực sẽ dẫn bệ động di động mang phôi chuyển động theo quỹ đạo xác định trước Hai đầu của các chân một đầu được liên kết với đế cố định bằng khớp bản lề và một đầu được liên kết với bệ di động bằng khớp cầu Ưu điểm của loại robot này là khối lượng nhỏ, cấu trúc gọn nhẹ, độ cứng vững cao, có 3 bậc tự do và độ chính xác cao

Tất cả các thành phần cơ khí được lựa chọn và thiết kế càng nhỏ gọn càng tốt và không có khe

hở theo chiều dọc trục của các chân, các chân được điều khiển của robot được dẫn động bằng các

cơ cấu chấp hành tuyến tính Hình 1.18 mô tả sơ đồ của robot này

Hình 1.18: Cấu trúc chấp hành song song 3RPS

- Chi tiết 1: Bàn di động có 3 bậc tự do trong không gian, trong trường hợp cụ thể ở đây là phần mặt dùng để gá dụng cụ cắt kim loại (đầu dao phay,…) hoặc lắp đồ gá phôi (thước chia

độ, kẹp phôi gia công,…) có dạng tam giác (thường là tam giác đều) Trên bàn di động thường lắp các đồ gá để kẹp chi tiết hoặc lắp đặt động cơ-đài dao gia công Bàn được thiết kế

Nhóm tác giả Jean-Charles Faugère, Jean-Pierre Merlet và Fabrice Rouillier đã dùng cơ sở Gröbner để giải bài toán động học thuận của tấm dịch chuyển Gough Nhóm tác giả đã giải một bài toán cụ thể và tìm ra được 40 nghiệm thực Ngoài ra, nhóm tác giả cũng đã khảo sát thời gian

Ghasem Abbasnejad, Soheil Zarkandi và Misagh Imani đã dùng phương pháp HCM (Homotopy Continuation Method) để giải bài toán động học thuận của tay máy 3-PRS (hình 1.19) Qua đó, nhóm tác giả đã so sánh phương pháp HCM với phương pháp Newton-Raphson Họ đã giải một

Hình 1.19: Tay máy song song 3-PRS

Chuyển động của tay máy song song bị giới hạn bởi nhiều yếu tố như giới hạn về mặt cơ khí của các khớp liên kết, giới hạn của các bộ chuyển động,…

Các loại vùng làm việc:

của tấm dịch chuyển có thể đạt được với góc hướng cố định

- Vùng làm việc góc hướng (orientation workspace): là các góc hướng mà tâm của tấm dịch chuyển có được khi tọa độ tâm của tấm dịch chuyển cố định tại một điểm

- Vùng làm việc góc hướng thay đổi (variable orientation workspace) [4]: là vùng mà vị trí tâm

dịch chuyển đạt được với tất cả các góc hướng trong khoản cho trước

Các phương pháp khảo sát vùng làm việc:

- Phương pháp hình học: Mục đích của phương pháp này là xác định biên của vùng làm việc

Alexxandre Lecours và Clément Gosselin [10] đã trình bày thuật giải dựa trên phương pháp hình

có 3 chân với bố trí các khớp tuần tự là P (khớp tịnh tiến), R (khớp quay), P và R

Hình 1.20: Tripteron

tay máy KNTU (hình 1.21) Đây là loại tay máy có bộ tác động là 8 sợi cáp cuốn

Hình 1.21: Tay máy KNTU

khảo sát được chia thành lưới các điểm (hay còn gọi là các nút) cố định theo hệ tọa độ Descartes hoặc theo tọa độ cầu Tại các nút ấy là tâm của khâu tác động cuối và tiến hành kiểm tra các ràng buộc, nếu thỏa thì nút ấy thuộc vùng làm việc

Phương pháp này có những đặc điểm sau: độ chính xác của biên phụ thuộc vào số bước lấy mẫu dùng để tạo lưới, thời gian khảo sát phụ thuộc và tỷ lệ với số bước lấy mẫu và vùng làm việc được thể hiện bởi các điểm

Khi cơ cấu chấp hành thực hiện công việc đã định, bộ tác động cuối sẽ tác động lực và moment lên môi trường ngoài tại điểm tiếp xúc Lực và moment này được tạo ra do các bộ tác động thiết lập tại những điểm nối kết khác nhau Trong cơ cấu song song, lực bộ tác động truyền qua nhiều đường dẫn song song đến bộ tác động cuối

Cơ cấu chấp hành song song phức tạp hơn cơ cấu chấp hành nối tiếp do có nhiều vòng kín Do

đó cần tìm các phương trình cân bằng lực và moment cho từng khâu và giải đồng thời các

phương trình này Nếu chỉ xét các lực và moment truyền động, có thể áp dụng nguyên lý công

ảo

Có hai phương pháp để phân tích tĩnh học và độ cứng vững cơ cấu chấp hành tay máy song song

các phản lực tác dụng lên các khớp hoạt động và các khớp thụ động Nguyên lý công ảo có tính trực tiếp, chỉ sử dụng các lực khớp hoạt động Nếu không xét trọng lực, các lực khớp hoạt động liên hệ với các lực bộ tác động cuối theo chuyển vị ma trận Jacobi

Động lực học cơ cấu chấp hành song song đã được nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây nhưng hiện tại có rất ít tài liệu về lĩnh vực nghiên cứu này Việc phân tích động lực học cơ cấu này gặp rất nhiều khó khăn do sự hiện diện của nhiều chuỗi vòng kín Nhiều phương pháp đã được các nhà khoa học nghiên cứu như hệ phương trình Newton-Euler, hệ phương trình Lagrange, nguyên lý công ảo,…Phương pháp Newton-Euler đòi hỏi các phương trình chuyển động phải được viết cho từng vật thể trong cơ cấu, nên có rất nhiều phương trình và hiệu suất tính toán thấp Quy trình giải bằng phương pháp Newton-Euler gồm 5 bước:

- Thực hiện phân tích động học đảo cho cơ cấu Trước hết tính vị trí, vận tốc và gia tốc các khớp cầu chuyển động trong các phương trình chuyển động bệ Kế tiếp tìm vị trí, vận tốc, gia tốc của tâm khối lượng và vận tốc góc, gia tốc góc của mỗi nhánh

- Cơ cấu chấp hành được chia thành tấm dịch chuyển và các nhánh truyền động vòng hở bằng cách chia cắt tại các khớp chuyển động

- Xét từng nhánh theo hệ thống con, thiết lập phương trình chuyển động Euler tại các khớp cố định của mỗi nhánh Xác định một số phản lực tại các khớp chuyển động

- Tìm các phản lực còn lại bằng cách lập công thức các phương trình chuyển động Newton và Euler của bệ

- Tìm lực tác động

Phương pháp Lagrange loại bỏ mọi phản lực và moment, hiệu quả hơn phương pháp Euler nhưng do có nhiều ràng buộc từ các vòng kín nên việc thiết lập các phương trình chuyển động theo tập hợp các tọa độ độc lập tổng quát hóa trở nên khó khăn Để đơn giản hóa, có thể dùng thêm các tọa độ và tập hợp các thừa số Lagrange

Newton-Hiện nay, nguyên lý công ảo là phương pháp phân tích hiệu quả nhất Bước cơ bản khi áp dụng phương pháp này là xác định các ma trận Jacobi khớp liên hệ trạng thái vận tốc của các nhánh với trạng thái vận tốc của bệ di động Sử dụng nguyên lý công ảo, các phương trình động lực học chuyển động đối với cơ cấu chấp hành phức tạp có thể được rút gọn Phương pháp này hiệu quả hơn phương pháp Newton-Euler, có thể được dùng để xác định sự điều khiển thời gian thực cho

cơ cấu chấp hành song song

1.4.4 Ứng dụng của tay máy song song

Tay máy song song đã được ứng dụng rộng rãi vào trong cuộc sống Một số ứng dụng cụ thể của tay máy song song gồm:

Vào năm 1947, Eric Gough đã đưa ra các nguyên lý cơ bản và phát triển thiết bị tên là

“Universal Tyre-Testing Machine” (hay còn gọi là Universal Rig) dùng để kiểm tra lốp xe cho hãng Dunlop Thiết bị này chính thức đi vào vận hành vào năm 1955 Tấm dịch chuyển của thiết

bị này có hình lục giác, mỗi góc nối với các khâu tác động tuyến tính bằng các khớp cầu Đầu còn lại của các khâu tác động được nối với bệ bằng các khớp cardan Các khâu có chiều dài thay đổi do cơ cấu dẫn động tịnh tiến Thiết bị này vẫn sử dụng đến năm 2000 (hình 1.22) Hiện nay, thiết bị này đang được trưng bày tại Viện bảo tàng khoa học Anh

Hình 1.22: Tấm dịch chuyển Gough

Một loại tay máy khác được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp là robot Delta Robot song song Delta được sáng chế bởi Reymond Clavel vào đầu thập niên 1980 với ý tưởng là dùng các hình bình hành để chế tạo robot song song có 3 bậc tự do chuyển động tịnh tiến và một bậc chuyển động quay Robot Delta đã nhận được 36 bằng phát minh, trong đó có những bằng sáng chế quan trọng như của WIPO (WO 87/03528 cấp này 18/06/1987), bằng sáng chế Hoa Kỳ (US 4,976,582 cấp ngày 11/12/1990) và bằng sáng chế châu Âu (EP 0 250 470 cấp ngày 17/07/1991) Robot Delta được dùng trong dây chuyền đóng gói thực phẩm, làm thiết bị nâng gắp (hình 1.23)

Hình 1.23: Sơ đồ của robot Delta và ứng dụng nâng gắp trong công nghệ thực phẩm

Robot song song có những ưu điểm là có độ chính xác cao về vị trí, độ cứng vững cao, vận tốc cao và khả năng chịu tải lớn, cho phép xây dựng những hệ thống gia công cơ khí có độ chính xác cao, cấu trúc phức tạp Việc nghiên cứu phát triển tiếp tục hướng ứng dụng robot song song kết hợp máy CNC, nâng số trục ảo của hệ thống lên 8-9 trục, để gia công tạo hình những sản phẩm

cơ khí phức tạp là một lĩnh vực tiên tiến, được nhiều nước phát triển

Trên hình 1.24 là dạng máy gia công 6 trục CNC+Hexapod với tâm đứng của Ohuma (Nhật), gia công với tốc độ cao

Hình 1.24: Hệ gia công Hexapod+CNC 6 trục ảo

Trên hình 1.25 là hệ gia công CNC+Hexapod 8 trục ảo của G&L

Hình 1.25: Hệ gia công Hexapod+CNC 8 trục ảo

- Dùng làm thiết bị mô phỏng:

(hình 1.26)

Hình 1.28: SurgiScope đang vận hành ở Surgical Robotics Lab,

Đại học Humboldt (Berlin, Đức) Một dự án của châu Âu chế tạo robot CRIGOS (viết tắt của chữ Compact Robot for Image Guided Orthopedic) sử dụng cơ cấu Gough-Stewart nhằm cung cấp cho các bác sĩ phẫu thuật với một công cụ hiệu suất cao cho phẫu thuật xương (hình 1.29)

Hình 1.29: Robot CRIGOS dùng để phẫu thuật tái tạo xương

Phòng thí nghiệm PCR tại Đại học Kỹ thuật Sharif đã thiết kế, mô phỏng, phân tích động học và chế tạo một loại tay máy song song dùng để leo cột điện thay bóng đèn thay cho công nhân (hình 1.30) Đây là loại robot có 3 chuỗi động học, mỗi chuỗi động học được bố trí các khớp là UPU (U: khớp cardan, P: khớp lăng trụ)

Hình 1.30: Robot leo cột của Phòng thí nghiệm PCR

1.4.5 Các nghiên cứu tại Việt Nam

Phòng Cơ Điện tử, Viện Cơ học đã lựa chọn mô hình, mô phỏng động lực học và tính toán thiết

kế để chế tạo một robot cơ cấu song song cụ thể (Hexapod) ứng dụng trong gia công cơ khí Các máy công cụ truyền thống sau khi thêm bộ đồ gá vạn năng có thể gia công được những chi tiết có

bề mặt phức tạp mà trước đây không thực hiện được [13, 14] Nhóm tác giả cũng đã chế tạo thành công thiết bị này và thiết bị hiện đang được trưng bày tại Viện Cơ học

Ưu điểm nổi bật của loại robot này là bề mặt tấm đế di động của robot có thể chuyển động tự do linh hoạt, vì vậy việc tạo hình bề mặt được thực hiện dễ dàng hơn và đạt yêu cầu về độ chính xác cao hơn Kết cấu động học của robot song song có độ cứng vững cao và chịu được tải trọng lớn mặc dù kích thước robot nhỏ Tầm hoạt động của robot rất rộng, từ việc lắp ráp các chi 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 Ngoài ra, robot song song dễ dàng được lắp đặt ở các vị trí và các hướng khác nhau (trên thuyền và treo trên trần, tường )

Điểm sáng tạo trong nghiên cứu là việc thiết kế, phát triển và tích hợp hoàn chỉnh một hệ điều khiển (phần cứng và phần mềm) cho Hexapod với 2 phần chính là:

.Phần mềm SACR 1.0 (Simulation and Control of robot), dùng cho thiết kế quĩ đạo, mô phỏng và điều khiển robot Đặc biệt, SACR đã được phát triển là hệ mở và tổng quát để có thể sử dụng cho các loại robot khác nhau

.Bộ điều khiển vị trí đa trục có chức năng điều khiển phối hợp đồng thời sáu bộ truyền động cho

6 cơ cấu chấp hành của PR6-01

Hình 1.31: Mô hình thiết bị đồ gá và thiết bị thực tế tại Viện Cơ học

- Nhóm tác giả Nguyễn Minh Thạnh, Trần Công Tuấn, Victor Glazunov và Nguyễn Xuân Vinh đã nghiên cứu các thuật toán và chương trình tối ưu hóa các tham số của tay máy song song theo hai tiêu chuẩn, đó là thể tích lớn nhất của không gian làm việc và số vị trí thực hiện lớn nhất của vị trí tâm khâu ra có tính đến góc hướng của khâu ra [5]

- Phòng Cơ Điện tử (Viện Cơ học) [16] đã đưa ra một giải pháp hoàn chỉnh điều khiển robot

cơ cấu song song, phân tích xử lý song song, xử lý phân tán và ứng dụng nguyên lý Hardware-in-the-Loop trong mô phỏng điều khiển

- Các tác giả Trần Công Tuấn, Nguyễn Minh Thạnh [5] sử dụng phương pháp điều tra không gian tham số để khảo sát vùng làm việc của tay máy song song có các dẫn động phân bố bên ngoài không gian làm việc

- Các nhà nghiên cứu tại bộ môn Cơ Điện tử, Khoa Cơ khí, Đại học Bách Khoa Tp.HCM là Từ Diệp Công Thành và Đặng Văn Nghìn [15] đã nghiên cứu và chế tạo bộ điều khiển cho robot song song Do có cấu trúc khác với cấu trúc nối tiếp, nên nếu dùng các phương pháp điều khiển thông thường thì tính đáp ứng của robot sẽ chậm Nhóm tác giả đã chế tạo bộ điều khiển robot có 6 khâu động học độc lập kết hợp với giải thuật điều khiển song song để tăng tính đáp ứng và linh hoạt cho robot

- Các tác giả Thái Thị Thu Hà, Hồ Thanh Tâm đã nghiên cứu ứng dụng robot song song trong máy đo tọa độ CMM [17]

- Nhóm nghiên cứu Đặng Bảo Lâm, Phạm Minh Hải và Phan Văn Đồng đã nghiên cứu thuật toán tìm miền làm việc của họ robot song song phẳng 3 bậc tự do [18]

- Nhóm tác giả Nguyễn Thiện Phúc, Trần Minh Nghĩa và Nguyễn Đình Nin đã nghiên cứu tạo dựng robot song song loại hexa [19]

- Các tác giả Võ Quang Vinh, Lâm Hùng Sơn, Võ Thu Hà đã nghiên cứu vấn đề điều khiển tối

ưu chuyển động tay máy song song, VICA6, Hà Nội, 2005 [20]

- Bùi Quang Được, Đặng Văn Nghìn đã nghiên cứu để thiết kế, chế tạo robot Crane [21]

- Lê Thanh Thủy, Phạm Anh Tuấn, Phạm Văn Bích Ngọc, Đỗ Trần Thắng đã tiến hành mô phỏng động lực học robot cơ cấu song song [22]

- Hồ Đắc Hiền đã giải bài toán động học ngược cơ cấu Hexapod 6 CTC [23]

- Tác giả Hồ Đắc Hiền đã thiết kế động học máy cắt gọt kim loại Hexapod bằng mô phỏng [24]

Chương trình KHCN về nghiên cứu, phát triển, ứng dụng công nghệ tự động hóa KC03/06-10,

2008 – 2011 đã nghiệm thu Đề tài về “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot song song (Gough –

Stewart Platform) sử dụng trong hệ thống thiết bị tạo chuyển động phức hợp, hình thành trung tâm gia công chế tạo 5 trục ảo” Mã số: KC.03.16/06-10 [25], Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Lê Hoài Quốc, Trung tâm NEPTECH, Sở KH & CN Tp.HCM Sản phẩm đề tài là một hệ thống gia công cắt gọt, xây dựng trên cơ sở một robot song song Stewart-Gough Platform, có khả năng tạo hình tương đương một máy phay CNC 5 trục cỡ nhỏ với chuyển động của bàn máy (mang phôi) được vận hành và điều khiển bởi 6 chân (Hexapod) sử dụng các động cơ tuyến tính tạo chuyển động trực tiếp (hình 1.32) Hệ thống được điều khiển tích hợp PC-based với phần mềm điều khiển hoạt động gia công tạo hình theo chuẩn IEA (G&M code) tương thích với các phần mềm CAD/CAM chuẩn

Hình 1.32: Hệ thống gia công 5 trục ảo CNC+Hexapod

1.4.6 Các hướng nghiên cứu mở rộng

1.4.6.1 Các vấn đề chung

Ta nhận thấy một điều là có một số lượng lớn các nghiên cứu về động học và tĩnh học tay máy song song và các vấn đề đã được giải quyết rốt ráo Tuy nhiên còn có ít nghiên cứu về động lực học và điều khiển, và cũng có ít bài báo về phân tích vùng làm việc và phân tích các cấu hình đặc biệt, chỉ giải quyết từng phần của vấn đề chứ chưa hề có được sự phân tích trọn vẹn và hoàn chỉnh

Một số vấn đề còn để mở trong lĩnh vực tay máy song song đang thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong thời gian sắp tới, bao gồm:

- Về động lực học và điều khiển: nghiên cứu đáp ứng động lực học của tay máy thông qua việc

mô phỏng và sử dụng các công cụ phân tích/số học, khám phá các khả năng của các chiến lược điều khiển đặc biệt đem lại ưu điểm cho cấu trúc song song của tay máy và cải thiện các tác vụ, từ đó rút ra các kết quả liên quan đến việc quan sát và điều khiển

- Về vùng làm việc và cấu hình đặc biệt: việc mô tả vùng làm việc một cách chi tiết và dễ sử dụng, tìm hiểu tất cả các tính chất của các dạng cấu hình đặc biệt, nghiên cứu việc phân đoạn vùng làm việc bởi các dạng cấu hình đặc biệt, tổng hợp vùng làm việc của tay máy song song, và thiết lập các tiêu chuẩn cho các đường đi không có cấu hình đặc biệt với một thế cho trước

- Về thiết kế: tổng hợp động học tối ưu của tay máy để thu được vùng làm việc có điều kiện tốt, phát triển các tay máy song song có bậc tự do thừa và tìm hiểu các đặc tính của nó, so sánh các tay máy song song không có bậc tự do thừa với các tay máy song song có bậc tự do thừa thông qua việc vận hành, ưu điểm của từng loại

Cần thiết phải xây dựng hệ các công cụ tự động hóa việc thiết kế của mỗi tay máy song song, điều này nên có sự kết hợp giữa tối ưu cấu trúc và đặc tính kỹ thuật của các tham số thiết kế, để

từ đó còn tính đến các yêu cầu theo các thông số không gian làm việc Vì đặc điểm của các tay máy song song có một vài chuỗi liên kết động thường sẽ suy giảm các chỉ số này, cũng như yêu cầu về khả năng tải trọng, bởi các đặc tính sẵn có có thể suy giảm bên cạnh cấu hình đặc biệt Vì những điều đã nêu trên đây, nảy sinh vấn đề tối ưu hóa theo nhiều chuẩn số các tham số tay máy song song có các dẫn động phân bố bên ngoài không gian làm việc

Để đạt được mục đích nêu trên, cần giải quyết các nhiệm vụ sau:

- Nghiên cứu các thuật toán và chương trình mô hình hóa không gian làm việc của tay máy song song có các dẫn động phân bố bên ngoài không gian làm việc có tính đến các cấu hình đặc biệt

- Nghiên cứu các thuật toán và chương trình tối ưu hóa các tham số của tay máy song song theo hai tiêu chuẩn, đó là thể tích lớn nhất của không gian làm việc và số vị trí thực hiện lớn nhất của vị trí tâm khâu ra có tính đến góc hướng của khâu ra

- Nghiên cứu các thuật toán và chương trình xây dựng các nghiệm cho phép và các nghiệm tối

ưu hóa Pareto khi lựa chọn các tham số tay máy song song theo hai tiêu chuẩn

- Nghiên cứu các thuật toán và chương trình xác định định thức đặc biệt của tay máy song song trên cơ sở phân tích các ma trận được tạo ra bởi các tọa độ Plücker của xoắn vít và dịch chuyển bởi các chuỗi động học của khâu ra

- Trên cơ sở thuật toán chương trình đã được nghiên cứu, xác định mối quan hệ tương hỗ giữa các tập hợp Pareto thu được khi tối ưu hóa theo hai tiêu chuẩn

1.4.6.2 Bài toán tự động hóa thiết kế các tay máy song song có các dẫn động phân bố bên ngoài không gian làm việc

Trong vài năm gần đây, tay máy song song với các dẫn động phụ bên ngoài không gian làm việc nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học (hình 1.33) Việc tự động hóa thiết kế các tay máy song song có các dẫn động phân bố bên ngoài không gian làm việc cho phép tăng thể tích không gian làm việc và sức nâng tải của chúng Ở trong nước chưa có cơ sở nào nghiên cứu về vấn đề này

Bài toán phát triển đặt ra là xây dựng các thuật toán và các chương trình tự động hóa thiết kế các tay máy song song có tính đến các đặc điểm của không gian vận hành, khả năng tải, sự triệt tiêu

từ các cấu hình đặc biệt (cấu hình suy biến – singularities configurations)

Hình 1.33: Tay máy song song với các dẫn động phụ bên ngoài không gian làm việc

Để giải bài toán này, cần thiết phải xây dựng hệ các công cụ tự động hóa việc thiết kế của mỗi tay máy song song, điều này nên có sự kết hợp giữa tối ưu cấu trúc và đặc tính kỹ thuật của các tham số thiết kế, để từ đó còn tính đến các yêu cầu theo các thông số không gian làm việc Vì đặc điểm của các tay máy song song có một vài chuỗi liên kết động thường sẽ suy giảm các chỉ số này, cũng như yêu cầu về khả năng tải trọng, bởi các đặc tính sẵn có có thể suy giảm bên cạnh cấu hình đặc biệt Vì những điều đã nêu trên đây, nảy sinh vấn đề tối ưu hóa theo nhiều chuẩn số các tham số tay máy song song có các dẫn động phân bố bên ngoài không gian làm việc

Các vấn đề cụ thể cần giải quyết như sau:

- Nghiên cứu các thuật toán và chương trình mô hình hóa không gian làm việc của tay máy song song có các dẫn động phân bố bên ngoài không gian làm việc có tính đến các cấu hình đặc biệt

- Nghiên cứu các thuật toán và chương trình tối ưu hóa các tham số của tay máy song song theo hai tiêu chuẩn, đó là thể tích lớn nhất của không gian làm việc và số vị trí thực hiện lớn nhất của vị trí tâm khâu ra có tính đến góc hướng của khâu ra

- Nghiên cứu các thuật toán và chương trình xây dựng các nghiệm cho phép và các nghiệm tối

ưu hóa Pareto khi lựa chọn các tham số tay máy song song theo hai tiêu chuẩn

- Nghiên cứu các thuật toán và chương trình xác định định thức đặc biệt của tay máy song song trên cơ sở phân tích các ma trận được tạo ra bởi các tọa độ Plücker của xoắn vít và dịch chuyển bởi các chuỗi động học của khâu ra

- Trên cơ sở thuật toán chương trình đã được nghiên cứu, xác định mối quan hệ tương hỗ giữa các tập hợp Pareto thu được khi tối ưu hóa theo hai tiêu chuẩn

Bài toán đặt ra có điểm mới là nghiên cứu tổng thể các thuật toán và chương trình để tự động hóa thiết kế các tay máy song song có các dẫn động phân bố ngoài vùng làm việc theo hai tiêu chuẩn tính đến thể tích của không gian làm việc, số lượng vị trí có thể của tâm khâu ra Tổ hợp này dựa trên các chương trình mô hình hóa không gian làm việc của các tay máy đã nêu được lập ra trong luận án này, cũng như dựa trên các thuật toán tối ưu hóa hai tiêu chuẩn cho phép thu được các tập hợp Pareto

1.5 Kết luận

Trong báo cáo chuyên đề này, đề tài đã trình bày quá trình hình thành và phát triển của lĩnh vực nghiên cứu robot Từ đó đề tài tìm hiểu kỹ hơn về robot song song, một loại cấu trúc robot mới đang được các nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm nghiên cứu Đề tài đã tìm hiểu về các đặc điểm của robot song song, các bài toán mà các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu về loại robot này như cấu trúc hình học, động học, tĩnh học, động lực học, Ngoài ra báo cáo cũng đã điểm qua những hướng nghiên cứu mở rộng mà các nhà khoa học chưa tập trung nhiều và xây dựng bài toán tự động hóa thiết kế các tay máy song song có các dẫn động phân bố bên ngoài

không gian làm việc

2 THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG

và đời sống (đề tài giai đoạn 2)

Robot song song với chân dẫn động phụ cần có những tính năng kỹ thuật sau:

- Platform có thể định vị trí cho 4 chân dẫn động

- Có 2 chân dẫn động phụ ngoài Platform

- Tấm dịch chuyển nối các chân bằng khớp cầu Không gian làm việc dự

2.2 Thiết kế cấu trúc và bài toán động học cho Robot song song

2.2.1 Cơ cấu robot

Mô hình thiết kế robot song song có các dẫn động phụ (hình H.2.1) có 6 bậc tự do, gồm các chuỗi động chính nối tấm dịch chuyển với bệ cố định Ngoài ra, còn có các chuỗi động phụ nối bệ cố định với chuỗi động chính Hai đầu hai đầu của mỗi khâu đƣợc gắn với khớp cầu và ta dùng khớp lăng trụ dọc theo mỗi khâu

Cơ cấu đƣợc điều khiển bằng cách thay đổi chiều dài của các dẫn động Cơ cấu đƣợc thiết

kế bằng cách nối các khớp với các khâu dẫn động, các khâu và tấm dịch chuyển nhằm có

đủ bậc tự do để thực hiện các chuyển động nhƣ mong muốn

H.2.1 Tay máy song song có các dẫn động phụ

2.2.2 Bậc tự do của cơ cấu

Theo [2.1], số bậc tự do của cơ cấu là:

- : bậc tự do của khâu trong không gian ( = 6)

- l: số khâu của cơ cấu

- j: số khớp của cơ cấu

- f i: số bậc tự do của khớp thứ i

- I d: số bậc tự do thừa của cơ cấu

Đối với tay máy song song có các dẫn động phụ, ta có:

- Cơ cấu thực hiện được 6 chuyển động trong không gian, nên  = 6

- Cơ cấu gồm: bệ, tấm dịch chuyển, 6 chuỗi động, mỗi chuỗi động gồm 2 khâu, nên n =

2.2.3.1 Động học ngược

Động học ngược được dùng để xác định các chiều dài cần thiết của các dẫn động khi biết trước tư thế của tấm dịch chuyển so với bệ cố định Tư thế ở đây bao gồm cả vị trí và hướng trong tọa độ Decartes

H.2.2 Mô hình hình học

Vị trí của bệ cố định và tấm dịch chuyển được xác định bởi các tọa độ của các khớp nối chúng với các khâu Các vị trí này thường nằm trên một mặt phẳng Các đỉnh của tấm dịch chuyển được định nghĩa bởi các vector tương ứng hệ tọa độ dịch chuyển

(M) và bệ cố định được gắn với hệ tọa độ cố định (B) Trong hệ tọa độ thuần nhất, vector

M m i = ( M u i M v i M w i ) T mô tả vị trí của khớp nối tấm dịch chuyển với khâu thứ i trong hệ tọa

độ (M) Vector B b i = ( b x i b y i b z i ) T mô tả vị trí của khớp nối bệ cố định với khâu thứ i trong

hệ tọa độ (B) Phép biến đổi để tìm tọa độ của tấm dịch chuyển đối với hệ tọa độ cố định:

với R là ma trận biến đổi thuần nhất (4x4):

1𝑥3 1 (2.3) với Rot là ma trận quay và T là vector chuyển vị

Các thành phần của ma trận biến đổi phụ thuộc vào chuyển động tịnh tiến (x, y, z) và chuyển động quay (roll-pitch-yaw) của khâu ra Tư thế của cơ cấu được định nghĩa bởi (2.2), là tích của các ma trận chuyển vị với các tọa độ các khớp trên tấm dịch

chuyển Tư thế của hệ tọa độ dịch chuyển (M) thu được thông qua các chuyển động quay

và chuyển động tịnh tiến so với hệ tọa độ cố định (B), theo các bước sau:

- Quay (B) quanh trục xB một góc  (yaw) ;

- Quay quanh trục yB một góc  (pitch) ;

- Quay quanh trục zB một góc  (roll) ;