Tính toán và mô phỏng robot song song cao tốc 3 bậc tự do

Hệ thống dây chuyền sản xuất tự động hóa là động lực thúc đẩy việc ứng dụng Robot để thay thế cho cho con người làm việc ở môi trường độc hại, nguy hiểm, và đặc biệt là thay con người th

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THỊ HẠNH

TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG ROBOT SONG SONG

CAO TỐC BA BẬC TỰ DO

NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204

Tp Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2006

S KC 0 0 1 0 9 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THỊ HẠNH

TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG ROBOT SONG SONG CAO TỐC

LỜI CẢM ƠN

™ Xin cảm ơn Đảng ủy, ban giám hiệu trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ chí minh đã tạo điều kiện cho tôi theo học lớp Cao học chuyên ngành Cơ Khí Chế Tạo Máy.

™ Xin cảm ơn qúy thầy, cô đã giảng dạy lớp cao học Cơ Khí khóa 2004 – 2006 đã tận tình trong giảng dạy và cung cấp các kiến thức nền tảng giúp tôi hoàn thành luận văn

™ Xin cảm ơn thầy hướng dẫn PGS.TS Đặng Văn Nghìn đã hết sức nhiệt tình trong quá trình hướng dẫn tôi thực hiện luận văn này

™ Xin cảm ơn giảng viên phản biện đã bỏ thời gian và công sức để đọc tập luận văn và đóng góp các ý kiến qúy báu giúp tôi hoàn thiện luận nội dung của luận văn

™ Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cha mẹ tôi, người đã luôn luôn ủng hộ và tạo điều kiện cho tôi học tập và hoàn thiện luận văn

™ Xin cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè đã giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận văn

PHẠM THỊ HẠNH

TÓM TẮT

Cách đây hai thập kỷ, trên thế giới, lĩnh vực robot song song đã được nghiên cứu khá phổ biến Quả thật những con robot này tỏ ra nổi bật hơn so với robot nối tiếp trong một số lĩnh vực Cụ thể là, chúng có thể đạt được tốc độ cao hơn (do quán tính của cả hệ thống dịch chuyển thấp) và độ chính xác cao hơn (do không có sai số

do các khớp dồn lại) Cho đến nay, những đặc điểm này vẫn được quan tâm trong công nghệ sản xuất, đó là việc lắp ráp và chế tạo sản phẩm với độ chính xác cao hơn và tốc độ nhanh hơn Một lĩnh vực ứng dụng khá thích hợp cho loại robot này là công nghệ điện tử, ở đó robot có thể được ứng dụng rộng rãi Vì thế, đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là Robot song song cao tốc ba bậc tự do

SUMMARIZE

Two decade ago, in the world, the field of parallel robot has been popularly researched Really these robots have proved more remarkable than these serial counterparts in some fields Namely, they can achieve higher speeds (due to low moving inertia of the system) and higher precision (due to non – cumulative joint errors) Nowadays, these properties are very considerrable in the manufacturing industrial; such as manufacturing and assembling of products with higher accuracy and faster pace A pertinent application area for this kind is the electronics industry, where by such robot can be extensively untilized As a result, the object of study in this thesis is a three – degree of freedom parallel robot for high speed

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, công nghệ Robot đã trở thành một bộ phận quan trọng trong môi trường sản xuất linh hoạt Hệ thống dây chuyền sản xuất tự động hóa là động lực thúc đẩy việc ứng dụng Robot để thay thế cho cho con người làm việc ở môi trường độc hại, nguy hiểm, và đặc biệt là thay con người thực thi các công việc mang tính đơn điệu, nhàm chán nhưng đòi hỏi cường độ làm việc cao và độ chính xác phải lớn, điển hình là các công việc lắp ráp các linh kiện điện tử trên board mạch, vận chuyển vật liệu, …

Trước đây, hầu hết những con Robot được ứng dụng trong nền sản xuất công nghiệp là Robot nối tiếp Tuy nhiên, nhược điểm của loại Robot này là khó có thể đạt được tốc độ và độ chính xác cao, khi chịu tải lớn thì độ cứng vững kém, gia tốc của bộ tác động cuối cũng bị hạn chế do quán tính dịch chuyển cao và do tồn tại các sai số do các khâu nối tiếp nhau Bên cạnh đó, việc phân tích động học cũng khó khăn

Thế nhưng, theo nghiên cứu thì Robot song song lại có nhiều ưu điểm hơn so với Robot nối tiếp trong một số lĩnh vực Các ưu điểm điển hình của Robot song song là : khả năng tải lớn, độ cứng vững cao và quán tính dịch chuyển thấp Chính

vì thế, người ta đã đưa ra nhiều giải pháp để tận dụng các ưu điểm của Robot song song thay thế robot nối tiếp trong một số lĩnh vực

Do thế, đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là Robot song song cao tốc ba bậc tự do Loại robot này đơn giản nhưng khá phổ biến trong gia đình Robot song song cao tốc Nó có thể được nhiên cứu thêm để có thể thực hiện một số công việc như: dùng trong các máy công cụ, lắp ráp sản phẩm, vận chuyển hàng hoá, … Và trong tương lai nó còn có thể được nghiên cứu để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác

MỤC LỤC

Quyết định

Lời cảm ơn

Tóm tắt

Lời nói đầu

NỘI DUNG TRANG CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Nhu cầu sử dụng Robot song song cao tốc 5

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 5

1.3.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 6

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 6

1.4 Đối tượng nghiên cứu 7

1.5 Phương pháp nghiên cứu 7

1.5.1 Phương pháp tiếp cận hệ thống 8

1.5.2 Phương pháp mô phỏng 8

1.6 Nội dung của đề tài 8

1.7 Định nghĩa một số thuật ngữ 8

CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ ROBOT 2.1 Giới thiệu 11

2.2 Robot nối tiếp 13

2.3 Robot song song 14

2.4 Robot song song và hướng nghiên cứu 16

2.5 Giới thiệu về Robot song song cao tốc 19

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC

3.1 Giới thiệu 21

3.2 Mô tả cấu trúc của Robot 21

3.3 Hình học của của Robot 24

3.4 Động học nghịch 26

3.5 Động học thuận 29

3.6 Phân tích ma trận Jacobi 35

3.6.1 Giới thiệu 35

3.6.2 Ma trận Jacobi 35

3.6.3 Các điều kiện đặc biệt 36

3.7 Phân tích ma trận Jacobi của cơ cấu 37

3.7.1 Trạng thái đặc biệt động học đảo 40

3.7.2 Trạng thái đặc biệt động học thuận 40

3.7.3 Trạng thái đặc biệt hỗn hợp 41

CHƯƠNG 4 ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƠ CẤU 4.1 Giới thiệu 44

4.2 Phương pháp Lagrăng 44

4.3 Động lực học của cơ cấu bằng phương pháp lagrăng 46

TỔNG KẾT 53

Tài liệu tham khảo 55

PHỤ LỤC Phụ lục 1 : Sơ đồ cơ cấu robot song song cao tốc 56

Phụ lục 2 : Cấu hình của robot khi mô phỏng 57

Phụ lục 3 : Giao diện và chương trình tính toán động học nghịch 58

Phụ lục 4 : Giao diện và chương trình tính toán động học thuận 68

Phụ lục 5 : Giao diện và chương trình tính toán ma trận Jacobi 78

Phụ lục 6 : Giao diện và chương trình tính toán động lực học 90

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

Thế nhưng, ít ai biết rằng, thuật ngữ Robot lại được xuất hiện lần đầu tiên trong một tác phẩm khoa học viễn tưởng “Rosum’s Universal Robot” của nhà soạn kịch người Tiệp Karen Kapek Theo tiếng Sec thì Robot có nghĩa là người tạp vụ Và trong tác phẩm này, nhân vật Rosum cùng với con trai ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để phụ vụ con người Vậy mà, chỉ hơn

20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karen Kapek đã trở thành hiện thực Giờ đây, kế thừa những thiết kế ban đầu, Robot đã ngày càng được nâng cao về khả năng hoạt động, linh hoạt hơn, chính xác hơn, thông minh hơn, cấu trúc hình học thì đa dạng hơn và phạm vi ứng dụng thì rộng rãi hơn

Thật vậy, trong ngành chế tạo máy thì các máy công cụ đã từng bước được cơ khí hóa và tự động hóa, riêng công việc cấp phôi cho các máy công cụ hiện nay đã được thực hiện bằng robot Đặc biệt, việc ứng dụng Robot làm việc trong các môi trường độc hại, không an toàn đã đem lại hiệu quả rất cao

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang

2-Cho đến những năm gần đây, các nhà sản xuất đã ứng dụng các cơ cấu chấp hành Robot để nâng cao tính linh động trong việc chế tạo Ưu điểm của phương pháp này, các Robot có thể thực hiện được nhiều nguyên công như : chuyển tải vật

tư, hàn điểm, sơn phu, lắp ráp, … mà không tốn thêm chi phí thiết kế lại hệ thống Hiện nay, công nghệ hiện đại đang phát triển theo hướng chất lượng cao và đem lại hiệu quả kinh tế lớn hơn Tự động hóa robot hiện đang là động lực cơ bản trong việc cải tiến nền sản xuất hiện đại Phạm vi ứng dụng của Robot ngày càng mở rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nhưng trong luận văn này chỉ trình bày một số ứng dụng của Robot song song :

1 Làm việc ở những nơi nguy hiểm hoặc ở những nơi mà con người không thể trực tiếp làm được : sao hoả, miệng núi lửa, lò hạt nhân …

2 Ứng dụng trong việc đóng gói sản phẩm

Hình 1.1 : Robot song song dùng trong hệ thống thu tín hiệu

Hình 1.2 : Robot song song cao tốc dùng để đóng gói sản phẩm

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang

3-3 Dùng trong các máy công cụ

4 Dùng trong lĩnh vực y học

Hình 1.6 : Robot phẫu thuật dùng trong y học

5 Dùng để thay thế con người thực hiện các

công việc trong môi trường khắc nghiệt

như xưởng hàn

Hình 1.7 : Robot song song cao tốc ứng

dụng trong công nghệ hàn điểm hay hàn đường

Hình 1.3 : Máy cưa CNC dùng Robot song

song cao tốc Delta 5 bậc tự do Hình 1.4 : Robot Tornado dùng trong máy phay

5 trục được ứng dụng trong Sản xuất tự động

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang

4-6 Dùng trong công nghệ chế biến thực phẩm

Hình 1.8 : Robot song song dùng trong công việc ướp thịt gà

7 Dùng trong môi trường đảm bảo yêu cầu vệ sinh cao

Hình 1.9 : Ứng dụng Robot song song cao tốc Delta trong dây chuyền sản xuất

bánh kẹo của công ty Demaure

8 Dùng để vận chuyển hàng hóa

Hình 1.10 : Robot song song cao tốc vận chuyển thùng phuy

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang

5-Mặc dù mục đích ban đầu của Robot là tự động hóa cấp phôi trong ngành cơ khí Nhưng hiện nay, Robot còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như : công tác cứu hộ, an ninh quốc phòng, phá mìn, rà bom, thăm dò khoáng sản, …

1.2 NHU CẦU SỬ DỤNG ROBOT SONG SONG CAO TỐC

Kể từ khi bùng nổ cuộc cách mạng công nghệ thông tin cùng với sự phát triển như vũ bão của ngành công nghiệp điện tử đã thúc đẩy các nhà sản xuất phát triển dây chuyền sản xuất hiện đại dùng nhiều loại Robot song song cao tốc Vì Robot song song cao tốc có các ưu điểm sau : Có khả năng thực hiện công việc mang tính đơn điệu với tốc độ cao, độ chính xác cao, khả năng tải lớn, độ cứng vững cao, …

Do vậy, việc ứng dụng Robot để thực hiện các công việc đơn điệu dễ gây nhàm chám cho người lao động nhưng đòi hỏi cường độ làm việc cao cũng như độ chính xác cao đang được đón nhận ở nhiều lĩnh vực công nghệ do Robot có ưu điểm nổi bật hơn con người là không bị mệt mỏi cũng như nhàm chán khi chỉ thực hiện một công việc lặp

đi lặp lại Các công việc điển hình như là : đóng gói, lắp ráp và phân loại sản phẩm

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ROBOT TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.3.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

ƒ Robot công nghiệp bắt đầu được phát triển vào năm 1940 Ban đầu được dùng để chuyển tải các loại vật liệu nguy hiểm, được dùng trong thám hiểm không gian và sau đó được dùng trong công nghệ tự động hóa linh hoạt

ƒ Vào những năm 90, đã có nhiều công ty của Nhật, Bắc Mỹ, Châu Âu đã ứng dụng Robot rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp

ƒ Trong những năm gần đây, Robot công nghiệp chủ yếu được dùng cho các thao tác lặp lại nhiều lần như : chuyển tải vật tư, xếp dỡ các chi tiết máy, lắp ráp các bộ phận thành cụm máy và làm việc trong các môi trường nguy hiểm như :

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang

6-chuyển tải vật liệu phóng xạ, thám hiểm không gian và đáy biển, hàn điểm, sơn phun, … Đặc biệt hiện nay Robot còn được ứng dụng trong lĩnh vực y khoa để giải phẫu cho con người Ngoài ra, các nhà sản xuất còn quan tâm đến các loại robot thân thiện với con người như : là Robot giúp việc nhà, giúp người tàn tật, Robot làm hướng dẫn viên du lịch, …

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Với mục tiêu là tiếp cận kỹ thuật Robot, trong nước đã triển khai nhiều đề tài cấp nhà nước, như : Đề tài 58.01.03 trong giai đoạn 81 – 85 và đề tài 52B.03.01 trong giai đoạn 86 – 89 Kết quả nghiên cứu của các đề tài này không những đáp ứng được yêu cầu tiếp cận mà còn có những ứng dụng ban đầu trong kỹ thuật bảo hộ lao động và phục vụ cán bộ kỹ thuật ở nước ta

1.3.2.1 Về Robot nối tiếp

Trong những năn gần đây, đã có rất nhiều loại Robot được nghiên cứu bởi :

ƒ Trung tâm nghiên cứu Kỹ thuật Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nghiên

cứu tính toán thiết kế Robot RP Loại Robot này bắt chước cơ cấu tay người

ƒ Trung tâm nghiên cứu Kỹ thuật Đại học Bách Khoa Hà Nội đã thiết kế và chế tạo Robot SCA mini, dùng để giảng dạy, học tập, đồng thời có thể sử dụng để lắp ráp hoặc xắp xếp các vật nhỏ có khối lượng dưới 1 Kg

ƒ Ngoài ra, Trung tâm nghiên cứu Kỹ thuật Đại học Bách Khoa Hà Nội còn thành công trong việc nghiên cứu xây dựng chương trình tính toán điều khiển

Robot bằng phần mềm Matlab

1.3.2.2 Về Robot song song

ƒ Khoa cơ khí Đại học Bách Khoa TP.HCM, đã thực hiện đề tài cấp nhà nước KC0312 là Robot Hexapod dùng trong máy phay 5 trục ảo do TS Thái Thị Thu

Hà thực hiện

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang

7-ƒ Ngoài ra, còn có những nghiên cứu của khoa cơ khí ĐHBK Hà Nội và

Viện Cơ học Quốc gia, …

Tuy nhiên, tình hình nghiên cứu trong nước vẫn chưa đề cập về Robot song song cao tốc Hiện nay, hướng phát triển của ngành công nghiệp hiện đại là ứng dụng Robot thay thế con người làm các công việc đơn điệu với cường độ và độ chính xác cao Và Việt Nam cũng đang từng bước công nghiệp hóa, hiện đại hóa để hòa mình vào sự phát triển chung của thế giới Do đó, nhu cầu ứng dụng Robot song song cao tốc trong tương lai của Việt Nam có tiềm năng rất lớn

Song, để thiết kế và chế tạo Robot thì bước đầu tiên cần phải tiến hành tính toán và mô phỏng để khảo sát hoạt động của Robot Đó là lý do tôi chọn đề tài

chọn đề tài :

“TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG ROBOT SONG SONG CAO TỐC

3 BẬC TỰ DO”

1.4 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Trong các loại Robot song song cao tốc thì loại ba bậc tự do là khá cơ bản và thông dụng, cho nên đối tượng nghiên cứu của luận văn này Robot song song cao tốc ba bậc tự do

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.5.1 Phương pháp tiếp cận hệ thống

Giống như các ngành khoa học khác, công nghệ Robot cũng được phát triển dựa trên những nền tảng ban đầu Do đó, chúng ta cần kế thừa những kết quả đã được nghiên cứu để rút ngắn thời gian tiếp cận đối tượng cần nghiên cứu Cho nên tôi đã dùng phương pháp tiếp cận hệ thống để có thể đạt được kết quả nhanh nhất

1.5.2 Phương pháp mô phỏng

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH

- Trang

8-Trước đây, ở Việt Nam, khi hệ thống máy tính và các phần mềm chưa được ứng dụng rộng rãi thì các công việc từ tính toán đến chế tạo thường phải dùng phương pháp “thử và sai” nên mất nhiều thời gian và khá tốn kém Còn hiện nay, với sự hỗ trợ của máy tính cũng như các phần mềm tính toán, mô phỏng đã được ứng dụng khá phổ biến, cho nên trong luận văn này, tôi cũng ứng dụng các phần mềm như : Matlab, Autocad, Inventer và Visual Natrans để tính toán và mô phỏng Robot nhằm khảo sát hoạt động của Robot

1.6 NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI

Để đạt được các đề mục trên, tôi chỉ thực hiện nghiên cứu những nội dung chính dưới đây :

‰ Tóm lược lại cơ sở lý thuyết đã được các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước xây dựng

‰ Phân tích động học thuận

‰ Phân tích động học nghịch

‰ Phân tích ma trận Jacobi

‰ Phân tích động lực học

‰ Vẽ và mô phỏng cơ cấu dựa vào các phần mền : Autocad, Inventer, Solidword

‰ Tính toán, thiết kế các giao diện bằng Matlab

1.7 ĐỊNH NGHĨA MỘT SỐ THUẬT NGỮ

- Về kỹ thuật, Robot được định nghĩa như sau : “Robot là cơ cấu chấp hành đa

năng tái lập trình được thiết kế để chuyển tải vật tư, công cụ hoặc các thiết bị chuyên biệt thông qua các chuyển động được lập trình để thực hiện các tác vụ khác nhau”

- Theo Viện nghiên cứu Hoa Kỳ, Robot được định nghĩa như sau : “ Robot

là một tay máy nhiều chức năng, thay đổi được chương trình hoạt động, được dùng để