Thiết kế, mô phỏng robot song song 2 bậc tự do

Chúng em là sinh viên bộ môn cơ điện tử trường Đại học công nghiệp Hà Nội đã lựa chọn việc “NGHIÊN CỨU,THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG HAI BẬC TỰ DO” với mong muốn áp dụng nghiên cứu này vào tr

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU

TrangBảng 1.1 Đặc điểm của Robot song song 3Bảng 2.2 Thông số khối lượng các bộ phận của robot 10

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Mô hình buồng tập lái máy bay của Stewart năm 1965 2

Hình 1.2 Sơ đồ của Robot Delta ( theo bằng sáng chế Hoa Kỳ 4,976,582) 4

Hình 1.3 Mô hình robot song song công nghiệp đầu tiên năm 1942 5 Hình 1.4 Chuyến bay mô phỏng đầu tiên dựa trên hexapod bát diện vào giữa thập niên 1960 5

Hình 1.5 Nguyên mẫu robot phẫu thuật đầu gối Orthroscopic 6

Hình 1.6 Robot PR6-01 của phòng Cơ điện tử, viện Cơ học nghiên cứu 6

Hình 1.7 Robot song song của TOSY 7

Hình 1.8 Robot song song hai bậc tự do dạng RRRRR 8

Hình 1.9 Robot song song hai bậc tự do dạng PRRRP 8

Hình 1.10 Robot song song hai bậc tự do dạng RPRPR 9

Hình 2.1 Hệ tọa độ của robot song song hai bậc tự do 14

Hình 3.1 Kết quả phân tích ứng suất của một chi tiết trên phần mềm Solidworks 20

Hình 3.2 Quá trình gia công chi tiết với modul Solidcam 21

Hình 3.3 Giao diện làm việc của phần mềm Matlab 22

Hình 3.4 Thư viện các khối mô hình của SimMechanics trong Simulink 24

Hình 3.5 Thư viện Bodies 25

Hình 3.6 Bảng thông số của khối Body 26

Hình 3.7 Thư viện các khớp chuyển động 27

Hình 3.8 Mô hình khớp Weld 28

Hình 3.9 Mô hình khớp Revolute 29

Hình 3.10 Mô tả khớp Cylindrical 29

Hình 3.11 Thư viện Sensor and Actuators 30

Hình 3.12 Thư viện Sources 31

Hình 3.13 Thư viện Sinks 32

Hình 3.14 Thư viện Signal Routing 33

Hình 3.15 Thư viện Ports & Subsystems 33

Hình 3.16 Thư viện Continuous 34

Hình 3.17 Thư viện Commonly Used Blocks 35

Hình 3.18 Mô hình 3D của robot trong môi trường mô phỏng của Simmechanics 36

Hình 3.19 Quỹ đạo đơn giản của robot khi thiết đặt góc quay cho hai cánh tay 36

Hình 3.20 Giải thích các thống số 37

Hình 3.21 Đồ thị mô phỏng vị trí của robot song song 37

MỞ ĐẦU

Ở nước ta, Robot song song cũng đã được nghiên cứu vào năm 2007 nhưng nhìnchung mới chỉ dừng lại ở việc đưa ra mô hình và đi tìm thuật toán giải bài toán độnghọc mà chưa thiết kế và chế tạo được Robot cụ thể Phòng cơ điện tử Viện cơ học làđơn 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 và chế tạohoàn chỉnh một Robot song song 6 chân (Hexapod) dùng cho ngành kỹ thuật hiện đạitrước 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 tự động kiểu cũ Thực tế đếnnay, nhiều cơ sở nghiên cứu như ĐH Bách khoa Hà Nội , ĐH Bách khoa TPHCM,Viện

cơ học, Viện công nghệ thông tin đã chế tạo được một số Robot mẫu

Dựa vào việc kế thừa những ứng dụng và nghiên cứu về Robot song song của cácnhà khoa học, các bạn sinh viên các trường trong và ngoài nước Chúng em là sinh viên

bộ môn cơ điện tử trường Đại học công nghiệp Hà Nội đã lựa chọn việc “NGHIÊN CỨU,THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG HAI BẬC TỰ DO” với mong muốn áp

dụng nghiên cứu này vào trong việc sắp xếp, phân loại, đóng gói sản phẩm trong cácdây truyền công nghiệp

Trong đề tài này chúng em đã thực hiện việc tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí, môhình hóa, mô phỏng quá trình làm việc của robot song song hai bậc tự do Từ đó là cơ

sở để nghiên cứu sâu hơn trong việc chế tạo thực tế ra loại robot này Mong rằng đề tàinày của chúng em sẽ giúp cho những người chế tạo ra Robot song song hai bậc tự dogiải quyết hiểu được về nguyên tắc hoạt động, ứng dụng, có thể tính toán thiết kế vàchế tạo được robot song song hai bậc tự do hoàn chỉnh Rút ngắn được thời gian đem

nó vào ứng dụng trong thực tế công việc cuộc sống

Chúng em muốn gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các thầy trong Bộ Môn Cơ Điện

Tử Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội và đặc biệt là thầy Nguyễn Anh Tú đã luônchỉ bảo và giúp đỡ chúng em để chúng em có thể hoàn thành tốt đồ án này

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG 1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển của robot song song

Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hóa trong sản xuất, các cơ cấu Robotcũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú Trong những thập niên gần đây,Robot cấu trúc song song được Gough và Whitehall nghiên cứu năm 1962 và sự chú ýứng dụng của Robot cấu trúc song song đã được khởi động bởi Stewart vào năm 1965.Ông là người cho ra đời một phòng tập lái máy bay dựa trên cơ cấu song song 6 bậc tự

do như hình 1.1

Hình 1.1 Mô hình buồng tập lái máy bay của Stewart năm 1965

Và hiện nay cơ cấu song song với nhiều dạng khác nhau vẫn đang trong quá trìnhnghiên cứu và phát triển để phục vụ nhiều lĩnh vực khác nhau

Robot song song là một cấu trúc gồm nhiều chuỗi động kín với mộtnhóm các trục và cơ cấu tác động cuối mắc song song nhau Do hìnhthành từ những chuỗi động kín (closed–loop-mechanism) gồm nhiềuchuỗi động nối tiếp (serial kinematics chains) cùng nối với bệ chấphành (platform) và nền (base) như vậy sẽ làm tăng độ cứng vững của

bệ chấp hành cuối của robot Hơn thế nữa, chúng ta có thể đặt tất cảcác cơ cấu chấp hành lên giá nếu cần nhằm làm cho các phần di

chuyển của kết cấu trở nên gọn nhẹ, nhờ đó tận dụng được phần lớnnăng lượng trực tiếp từ trục động cơ,đồng thời giảm được sai số vị trícủa cơ cấu tác động cuối.Nhờ những đặc điểm này mà các robot songsong chiếm ưu thế trong tốc độ tác động cao với độ chính xác cao, tảitrọng lớn và có độ cứng vững cao hơn hẳn các loại tay máy nối tiếp,được đề cập trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Đặc điểm của Robot song song[1]

Chịu được tải trọng lớn

Độ cứng vững cao

Tốc độ tác động nhanh

Định vị chính xác, lực quán tính nhỏ

Bài toán động học ngược đơn giản

Không gian làm việc bị giới hạn Điều khiển song song/đồng thời Bài toán động học thuận phức tạp Tồn tại các điểm kỳ dị

Do tính ưu việt của Robot song song nên ngày càng thu hút được nhiều nhà khoa họcnghiên cứu, đồng thời cũng được ứng dụng ngày càng rộng rãi vào nhiều 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 vàtàu ngầm Để giữ cân bằng cho ăngten, camera theo dõi mục tiêu, chorada, cho các thiết bị đo laser, bệ ổn định cho pháo và tên lửa, buồng tậplái máy bay, xe tăng, tàu chiến

1.2 Tình hình nghiên cứu

1.2.1 Ngoài nước

Được các nhà khoa học nghiên cứu chế tạo và phát triển bắt đầu từgiữa thế kỷ XX Đặc biệt có thể lưu ý tới một số nhà khoa học cónhững bước đi đầu tiên trong việc nghiên cứu cơ cấu robot có cấuhình song song là: Willard L Polard, Eric Gough, Stewart, KlausCappel, Reymond Clavel

Hình 1.2 Sơ đồ của Robot Delta ( theo bằng sáng chế Hoa Kỳ 4,976,582) Vào đầu thập niên 80, Reymond Clavel (giáo sư của Đại học EPFL)

đã nảy ra một ý tưởng độc đáo là sử dụng cơ cấu hình bình hành đểtạo ra một robot song song có ba bậc tự do tịnh tiến và một bậc tự do

quay như trong hình 1.2 ở bằng sáng chế Hoa Kỳ số 4,976,582 Ý

tưởng này hoàn toàn là của Reymond Clavel chứ không phải bắtchước từ cơ cấu song song đã được đăng ký bản quyền vào năm

1942 (hình 1.3),và vào thờ điểm đó Willard L Polard cũng không hề

biết đến giáo sư Clavel Robot songs ong Delta đã được đánh giá làmột trong những thiết kế robot song song thành công nhất với hàng

trăm robot đang hoạt động trên toàn thế giới Năm 1999, tiến sĩClavel đã nhận được giải thưởng Golden Robot Award được tài trợ bởiABB Flexible Automation, để tôn vinh những hoạt động sáng tạo củaông về robot song song Delta.Ý tưởng căn bản của thiết kế robotDeltal là sử dụng các hình bình hành.Cá chình bình hành cho phépkhâu ra duy trì một hướng cố định tương ứng với khâu vào Việc sửdụng ba hình bình hành hoàn toàn giữ chặt hướng của bệ di động duytrì 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 Cuối cùng,cánhtay thứ tư được dùng để truyền chuyển động quay từ đế đến khâu tácđộng cuối gắn trên tấm dịch chuyển.

Hình 1.3 Mô hình robot song song công nghiệp đầu tiên năm 1942Một số thành tựu về robot song song trên thế giới:

Hình 1.4 Chuyến bay mô phỏng đầu tiên dựa trên hexapod bát diện

vào giữa thập niên 1960 [2]

Hình 1.5 Nguyên mẫu robot phẫu thuật đầu

gối Orthroscopic

Hình 1.7 Robot song song của TOSY Qua tổng hợp những công bố nghiên cứu và triển khai trong nước hiện nay về robotsong song, nhóm nghiên cứu thấy rằng với robot song song dạng 6 chân hexapod đượcnghiên cứu khá nhiều và được công bố khá rộng rãi trong và ngoài nước, tuy nhiên cóthể nhận thấy đều là robot song song thực hiện các tác vụ như máy gia công CNC vớiquá trình điều khiển phức tạp, chứ không phải là thực hiện các tác vụ như gắp nhặt, đặtvật.

Về robot dạng song song ứng dụng cho việc gắp, đặt vật chưa có đơn vị nghiên cứunào quan tâm giải quyết những vấn đề rất cơ bản trong tính toán thiết kế hệ thống, xácđịnh các thông số cấu trúc và động học tối ưu cho hệ thống được thực hiện Và gần đâyvào năm 2012, Công ty Tosy có đưa ra thông tin về robot song song (hình 1.8), tuynhiên nhóm nghiên cứu không thể nào xác định được các thông số và thông tin vềrobot này do đó khó mà có thể so sánh hay đối chiếu được những gì mà nghiên cứu này

đã làm được Ngoài ra ở các trường đại học, cũng có những nghiên cứu mang tính rờirạc về robot dạng Delta, tuy nhiên chưa đáp ứng được yêu cầu về mức độ học thuậtcũng như ứng dụng vào cuộc số

1.3 Robot song song hai bậc tự do

Robot nói chung và robot song song nói riêng có sự đa dạng về hình học cũng nhưthiết kế cơ khí Với robot song song có 3 dạng hình học chính khi thiết kế robot như:dạng hexapod, dạng delta, dạng song phằng Trong đó robot song song mà nhóm thựchiện nghiên cứu và thiết kế trong đề tài thuộc loại robot chuyển động song phẳng vớithiết kế đơn giản nhất trong tất cả các loại robot song song hiện nay do có số bậc tự dothấp nhất

Các dạng kết cấu cơ bản của robot song song hai bậc tự do: [3]

Hình 1.8 Robot song song hai bậc tự do dạng RRRRRVới dạng này các khâu của hai cánh tay robot sẽ được liên kết với nhau bằng cáckhớp quay Tọa độ khâu tác động cuối P sẽ được quyết định bởi góc quay của hai khớpquay A1 và A2 cùng với ràng buộc giữa hai khớp quay B1 và B2 Do đó đây là lý do vìsao người ta lại gọi dạng này của robot song song hai bậc tự do là RRRRR (với R làRevolute joint)

Hình 1.9 Robot song song hai bậc tự do dạng PRRRP

Ở dạng này, hai khớp di chuyển A1 và A2 được thay thế từ khớp quay RR bằng haikhớp trụ PP ( P là Prismatic joint) có khả năng trượt từ đó thay đổi tọa độ của điểm tácđộng cuối P.

Hình 1.10 Robot song song hai bậc tự do dạng RPRPR

Ở dạng này, hai khớp trụ đảm nhiệm chức năng điều khiển vị trí cho khâu tác độngcuối P Còn hai khớp trụ chỉ có tác dụng tạo ra ràng buộc từ đó giúp điều khiển khâutác động cuối P

Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu sẽ làm về robot song song hai bậc tự do có dạngRRRRR bởi với kết cấu này giúp cho robot có khả năng tác động nhanh, độ cứng vữngđảm bảo, phù hợp với công việc gắp nhặt, phân loại, đóng gói sản phẩm trong các dâychuyền công nghiệp

1.4 Mục tiêu đề tài

Thiết kế hoàn chỉnh hệ thống cơ khí, mô hình hóa, mô phỏng quá trình làm việc củarobot song song hai bậc tự do

- Không gian làm việc

Từ việc tính toán theo mô hình đã thiết kế thì robot có thể làm việc trong phạm vibán kính 500mm và cao 340mm

- Các thông số kỹ thuật

Trong tất cả các quy trình của công đoạn thiết kế thì việc đòi hỏi cácchi tiết được thiết kế ra phải đảm bảo một số tính năng về độ bềnlực, độ bền biến dạng cũng như vị trí các điểm có ứng suất lớn nhấtphải được biết trước để có được các phương án điều chỉnh thiết kếcho phù hợp để đảm bảo tính an toàn cho các chi tiết được thiết kế Khối lượng của các chi tiết cùng hình dạng các chi tiết ảnh hưởngrất lớn đến việc tìm ứng suất cũng như chuyển vị lúc mô phỏng Nhờvào phần mềm mô phỏng mà ta có thể biết trước được khối lượngcủa các chi tiết,bộ phận của robot như bảng 2.2

Bảng 2.2 Thông số khối lượng các bộ phận của robot

STT Tên chi tiết/ bộ phận

của Robot

lượng

Khối lượng(kg)/chi tiết

3 Giá treo Aluminium 2014 Alloy 1 ~ 2.44

12 Thanh nối phụ 2 Aluminium 2014 Alloy 1 ~ 0.007

1.5 Nội dung nghiên cứu

1.5.1 Mục đích nghiên cứu

Kiểm tra đánh giá tình trạng khi thiết kế robot song song hai bậc tự do sao cho phùhợp với điều kiện làm việc Từ đó đưa ra được những phương án thiết kế, ứng dụngcủa robot song song hai bậc tự do sao cho phù hợp với điều kiện thực tế trong làm việcnhư phân loại, đóng gói sản phẩm trong các dây truyền công nghiệp

1.5.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

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

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

Kết hợp các tài liệu có liên quan để hoàn thiện đề tài

1.5.3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Do điều kiện và thời gian hạn hẹp cũng như trình độ chuyên môn và kinh nghiệmthực tế còn hạn chế nên nhóm nghiện cứu chỉ tập trung nghiên cứu một số nội dungsau:

- Tổng quan về robot song song hai bậc tự do

- Tính toán động học cho mô hình robot song song hai bậc tự do

- Mô phỏng động học vùng làm việc cho mô hình robot song song hai bậc tự

do trên modul mô phỏng Simmechanics của Matlab

- Thiết kế mô hình của robot song song hai bậc tự do trên phần mềmSolidwork

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Để hoàn thành tốt mục tiêu đề ra của đề tài, phương pháp nghiên cứu được đưa ra làkhảo sát thực tế thông qua việc tìm hiểu các thông số lắp đặt của robot trong thực tế từ

đó đúc kết ra kinh nghiệm để chế tạo mô hình thực tế của robot song song hai bậc tự

do, cùng với đó là giả mã kỹ thuật kế thừa từ các công trình nghiên cứu khoa học củacác nhà khoa học, các bạn sinh viên các trường trong và ngoài nước Kế tiếp là nhóm

sẽ nghiên cứu các tài liệu trên các trang web cũng như một số sách liên quan đến đề tàiđược trình bày ở phần “Tài Liệu Tham Khảo”

Từ đó có được các nhận xét khái quát về việc lựa chọn cấu hình cho robot, phương

án truyền động Thiết kế lắp ráp các chi tiết và phân tích các ứng suất chuyển vị bằngphần mềm mô phỏng trên máy tính Từ mô hình robot đó sẽ nghiên cứu tìm hiểuphương pháp thiết kế mạch điện và lập trình cho robot có thể chuyển động tốt nhất.Saukhi hoàn thành đề tài, việc chạy thử nghiệm robot sẽ được thực hiện để có được nhữngnhận xét và đánh giá những gì đã đạt được và chưa đạt được so với mục tiêu nhiệm vụ

đã đặt ra từ lúc ban đầu của đề tài

CHƯƠNG 2 - BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC TAY MÁY 2.1 Cấu trúc của robot song song

2.1.1 Cấu trúc cơ cấu

Cũng như các Robot thông thường, Robot song song là loại Robot có cấu trúc vòngkín 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 khâu động, từ khâu

ra (là khâu trực tiếp thực hiện thao tác công nghệ) đến giá cố định Còn trong Robotsong song, khâu cuối được nối với giá cố định bởi một số mạch động học, tức là nốisong song với nhau và cũng hoạt động song song với nhau Sự khác nhau về sơ đồđộng đó cũng tạo nên nhiều đặc điểm khác biệt về động học và động lực học

2.1.2 Các bài toán cơ bản về robot

Robot là một ngành khoa học về công nghệ truyền thống, kết hợp với lý thuyết vàứng 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 lĩnh vực: công tác thiết kếrobot, cơ học cơ cấu, thiết kế quỹ đạo và điều khiển, công tác lập trình và tri thức chomáy cơ học là một nhánh khoa học nghiên cứu các vấn đề về năng lượng lực và tácdụng của chúng đối với chuyển động của hệ thông cơ khí Việc nghiên cứu bao gồmhai vấn đề có quan hệ với nhau là : Động học và động lực học

Động học:

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

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

Bài toán động học thuận: từ các thông số vị trí, vận tốc gia tốc của khâu dẫn yêu cầulập trình tính toán vị trí hướng vận tốc và gia tốc của điểm tác động cuối cùng cũng nhưkhâu trung gian bất kỳ

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

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

2.2 Bài toán động học tay máy

Hình 2.1 Hệ tọa độ của robot song song hai bậc tự do

p D D BC x

x = − +l q

y D =lsinq2

1cos2

l L q q

Hoặc:

1 3

V J V

ωω

Giá trị của cá góc quay qi với i=(1 2 3 4 ….n) khi biết tạo độ xP, yP có thể được tínhtoán như sau: