Khảo sát động lực học robot cấu trúc song song

VI LỜI NÓI ĐẦU ô bốt cấu trúc song song Parallel robot là tổ hợp có cấu trúc gồm một khâu động bàn máy di động được nối với giá cố định bởi một số mạch động học kín thường gọi là chân..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN XUÂN HỒNG

KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

I

MỤC LỤC

Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT III DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ IV LỜI NÓI ĐẦU VI

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về Robot 1

1.1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển của nền công nghiệp Robot 1

1.1.2 Robot công nghiệp 3

1.1.3 Cấu trúc các khớp động học và sự phân bố của các khớp động học 4

1.1.4 Số bậc tự do của robot 9

1.2 Robot cấu trúc song song 11

1.2.1 Về cấu trúc động học của robot song song 11

1.2.2 Phân loại robot cấu trúc song song 12

1.2.3 Ưu nhược điểm của robot song song 16

1.2.4 Ứng dụng của robot song song 17

1.3 Cơ sở khảo sát động học robot cấu trúc song song 18

1.3.1 Lựa chọn cấu trúc robot song song 18

1.3.2 Thiết lập các phương trình động học 19

1.3.3 Bài toán vị trí robot cấu trúc song song 27

1.3.4 Bài toán vận tốc robot cấu trúc song song 28

1.3.5 Bài toán gia tốc robot cấu trúc song song 30

CHƯƠNG II: CƠ SƠ LÝ THUYẾT KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC RÔ BỐT CẤU TRÚC SONG SONG 32

2.1 Các phương pháp khảo sát động lực học robot 32

2.1.1 Các phương trình Newton-Euler của hệ nhiều vật 32

2.1.2 Phương trình Lagrange loại hai của hệ nhiều vật 35

2.2 Hệ phương trình động lực học robot cấu trúc song 37

II

2.3 Khảo sát các đại lượng động lực của robot cấu trúc song song 39

2.4 Giải hệ phương trình vi phân chuyển động robot song song 47

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG 50

3.1 Sơ đồ giải thuật tính toán 50

3.2 Các chương trình tính toán 51

3.2.1 Bài toán động học 53

3.2.2 Kết quả bài toán động học 55

3.2.3 Bài toán động lực học 59

3.2.4 Kết quả bài toán động lực học 64

3.3 Mô phỏng hoạt động 65

3.3.1 Sơ đồ khối các modul và chương trình 65

3.3.2 Thiết kế mô hình 3D 66

3.3.3 Xử lý quỹ đạo đường cong phức tạp 71

3.3.4 Chương trình mô phỏng 76

KẾT LUẬN 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

PHỤ LỤC 84

1 Mã nguồn chương trình động học và động lực học trong MAPLE 84

2 Mã nguồn chương trình mô phỏng robot trong Visual Studio C++ 87

III

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DOF Degree of freedom

RPS Revolute - Prismatic - Spherical

RRR Revolute - Revolute - Revolute

SPS Spherical - Prismatic - Spherical

SPC Spherical - Prismatic - Cardan

Cα,Cϕ,Cψ cosα, cosϕ, cosψ

Sα,Sϕ,Sψ sinα, sinϕ, sinψ

MFC Microsoft Foundation Class

ARX AutoCAD Runtime Extension

OpenGL Open Graphic Library

IV

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1: Khớp quay 5

Hình 1.2: Khớp lăng trụ 5

Hình 1.3: Khớp trụ 6

Hình 1.4: Khớp ren 6

Hình 1.5: Khớp cầu 7

Hình 1.6: Khớp phẳng 7

Hình 1.7: Khớp Cardan 8

Hình 1.8: Phân bố khớp Bản lề – Cầu – Bàn lề 8

Hình 1.9: Phân bố khớp Cầu – Lăng trụ – Cầu 9

Hình 1.10: Phân bố khớp Bản lề – Lặng trụ – Cầu 9

Hình 1.11 Robot song song không gian Stewart – Gough 11

Hình 1.12 Robot song song Manipulator Danhilovsky 12

Hình 1.13 Robot song song phẳng 3RRR 14

Hình 1.14 Robot song song không gian 3RPS 15

Hình 1.15 Robot song song không gian sáu bậc tự do 18

Hình 1.16 Sơ đồ bố trí các hệ trục tọa độ 20

Hình 1.17 Sơ đồ các phép chuyển hệ tọa độ 21

Hình 1.18: Sơ đồ chuyển hệ tọa độ từ giá cố định ra khớp Cardan 22

Hình 1.19: Sơ đồ chuyển hệ tọa độ của khớp Cardan 23

Hình 1.20: Sơ đồ chuyển hệ tọa độ của khớp lăng trụ 24

Hình 1.21: Sơ đồ chuyển hệ tọa độ từ giá cố định lên bàn máy động 25

Hình 1.22: Sơ đồ chuyển hệ tọa độ từ bàn máy động ra khớp cầu 26

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc chân robot 42

Hình 3.1: Sơ đồ thuật giải tính động lực học 50

Hình 3.2: Đồ thị quỹ đạo chuyển động của tâm bàn máy robot 55

Hình 3.3: Đồ thị tọa độ tâm bàn máy 56

V

Hình 3.4: Đồ thị vận tốc tâm bàn máy 56

Hình 3.5: Đồ thị gia tốc tâm bàn máy 57

Hình 3.6: Đồ thị độ dài 6 chân 57

Hình 3.7: Đồ thị chung về vận tốc chuyển động tịnh tiến của 6 chân 58

Hình 3.8: Đồ thị chung về gia tốc chuyển động tịnh tiến của các chân 58

Hình 3.9: Đồ thị chung về lực 64

Hình 3.10: Sơ đồ khối các chương trình mô phỏng robot song song 65

Hình 3.11: Giao diện SolidWorks 66

Hình 3.12: Các loại tài liệu trong SolidWorks 67

Hình 3.13: Hình vẽ 3D và bản vẽ chi tiết giá cố định 68

Hình 3.14: Hình vẽ 3D và bản vẽ chi tiết bàn máy di động 68

Hình 3.15: Hình vẽ khớp Cardan 68

Hình 3.16: Hình vẽ khớp cầu 69

Hình 3.17: Bản vẽ chi tiêt khớp cầu 69

Hình 3.18: Hình vẽ 3D và bản vẽ chi tiết khớp lăng trụ 69

Hình 3.19: Xuất dữ liệu mô hình ra định dạng STL 70

Hình 3.20: Giao diện Autocad 71

Hình 3.21: Sơ đồ cơ sở dữ liệu bản vẽ AutoCad 73

Hình 3.22: Biên dạng đường cong phức tạp trong AutoCad 75

Hình 3.23: Giao diện chương trình RobotSimulation cho Parallel robot 6 SPC 76

Hình 3.24: Biểu đồ UseCase 77

Hình 3.24: Biểu đồ Class 78

Hình 3.26: Chức năng OpenRobotFile 79

Hình 3.27: Định dạng file rob 80

Hình 3.28: Chức năng OpenDataFile 81

VI

LỜI NÓI ĐẦU

ô bốt cấu trúc song song (Parallel robot) là tổ hợp có cấu trúc gồm

một khâu động (bàn máy di động) được nối với giá cố định bởi một

số mạch động học kín (thường gọi là chân) Bàn máy động thường là

bộ phận mang đối tượng công nghệ hoặc dụng cụ gia công Bàn máy động được dẫn động bởi động cơ đặt tại các khớp trên các chân của robot

Robot cấu trúc song song được quan tâm nghiên cứu đặc biệt trong những năm

gần đây và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống Bởi các khả năng chịu tải cao, có thể thực hiện được các thao tác phức tạp với độ chính xác cao

Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, mô phỏng robot cấu trúc song song trước hết phải xuất phát từ bài toán cấu trúc cơ cấu, bài toán động học, động lực học, bài toán

mô phỏng chuyển động theo chương trình

Trong phạm vi luận văn tốt nghiệp của học viên ngành Cơ học kỹ thuật, được

sự hướng dẫn tận tình của thầy PGS.TS Phan Bùi Khôi Viện Cơ khí Trường Đại học Bách khoa Hà nội Tác giả lựa chọn đề tài: “Khảo sát động lực học robot cấu trúc song song” phù hợp với khả năng cũng như thời gian thực hiện

Mục đích của đề tài trước hết là tìm hiểu, làm quen với việc nghiên cứu khoa học và áp dụng những kiến thức đã được trang bị vào thực tế Mặt khác việc nghiên cứu, thực hiện đề tài góp phần nâng cao kiến thức, tiếp cận được với những vấn đề của thực tế

Luận văn được chia thành 3 chương:

- Chương 1: Tổng quan

Trong chương này tác giả giới thiệu các khái niệm cơ bản về robot, robot cấu trúc song song và đi vào tìm hiểu các bài toán động học robot cấu trúc song song

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết khảo sát động lực học robot cấu trúc song

song

R

VII

Trong chương 2 tác giả giới thiệu một số phương pháp khảo sát động lực học robot và áp dụng nguyên lý phù hợp vào việc khảo sát các bài toán động lực học robot cấu trúc song song

- Chương 3: Tính toán mô phỏng robot cấu trúc song song

Chương này tác giả đưa ra sơ đồ thuật giải giải các bài toán động lực học robot cấu trúc song song đồng thời lập chương trình mô phỏng chuyển động của robot cấu trúc song song

Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phan Bùi Khôi đã tâm huyết hướng dẫn tác giả hoàn thành luận văn này

Tác giả

Nguyễn Xuân Hồng

1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về Robot

1.1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển của nền công nghiệp Robot

Nhu cầu nâng cao năng suất và chất luợng sản phẩm ngày càng cao đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá sản xuất Xu hướng tạo ra các dây chuyền về thiết bị tự động có tính linh hoạt cao đang hình thành Những thiết bị này đang thay thế dần các máy tự động "cứng'' chỉ đáp ứng một công việc nhất định trông lúc thị truờng luôn đòi hỏi thay đổi mặt hàng về chủng loại, về kích cỡ và về tính năng v.v Vì thế ngày càng tăng nhanh nhu cầu ứng dụng robot để tạo ra các

hệ thống sản xuất tự động linh hoạt

Thuật ngữ "robot" lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm "Russum's Universal Robot" của Karel Capek Theo tiếng Séc thì robot là người làm tạp dịch Trong tác phẩm này, nhân vật Rossum và con trai đã tạo ra những chiếc máy gần giống người để hầu hạ con người Ước mơ viễn tưởng đó của Karel Capek đã dần trở thành hiện thực Nền công nghiệp Robot đã ra đời và không ngừng phát triển Sự phát triển của Robot có thể được chia thành các thời kì sau:

a) Th ời kì đầu 1947-1961

Năm 1947, Raymond Goetz đưa ra ý tưởng sản xuất thế hệ đầu tiên robot chép hình Đến năm 1948, thế hệ M1 ra đời và không ngừng được cải thiện để hoàn chỉnh hơn Đến năm 1954, thế hệ M4 ra đời dựa trên cơ sở song song cải tiến về mặt cơ học và phương thức truyền động giữa phần điều khiển và tay máy

Năm 1954, người Mĩ lao vào dự án lớn về hàng không, thúc đẩy sử dụng năng lượng hạt nhân Nhóm General Electric đã tạo ra những hệ thống điều khiển từ xa

có hiệu quả rất cao, với bản mẫu là Handyman (1958)

Trong giai đoạn này sự ra đời và phát triển của máy tính điện tử đã tạo tiền quan trọng thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của robot Những cơ sở đầu tiên của lĩnh vực điều khiển từ xa cũng bắt đầu xuất hiện trong giai đoạn này

2

b) Thời kì phát triển của Robot 1962-1975

Năm 1961, sản phẩm robot công nghiệp đầu tiên được xuất hiện có tên Vowtan của công ty AMF-Mỹ Cùng trong năm này, sản phẩm mang tên Unimate lần đầu tiên được đưa vào sử dụng trong nhà máy General Motors Trong năm tiếp theo, người máy Daimber Benz xuất hiện ở Đức

Trong những năm tiếp theo, các nước khác cũng bắt đầu sản xuất và ứng dụng robot trong sản xuất với quy mô ngày càng mở rộng: Anh từ năm 1967, Thuỵ Điển

từ năm 1968, Pháp từ năm 1972, Italia từ năm 1973

c) Thời kì từ năm 1975

Từ năm 1975, xu hướng chính của phát triển robot là nâng cao tính năng sử dụng bởi việc điều khiển bằng máy tính điện tử và gắn thêm các cảm biến để nhận biết và xử lí môi trường làm việc

Các nhà khoa học tại truờng đại học Stanford đã chế tạo thành công robot lắp ráp các loại máy bơm nước đièu khiển bằng máy vi tính PDP-10 trên cơ sở xử lí thông tin từ các cảm biến lực và hình ảnh Cùng thời gian này, IBM chế tạo thành công robot có cảm biến xúc giác và cảm biến lực điều khiển bằng máy vi tính dùng

để lắp ráp các máy có trên 20 cụm chi tiết

Vào giai đoạn này, ở nhiều nước cũng tiến hành các công trình ngiên cứu chế tạo các loại robot tổ hợp: các tay máy được điều khiển bằng máy vi tính có gắn các thiết bị cảm biến và các thiết bi giao tiếp ngưòi - máy

Đến những năm 80 của thế kỉ 20, sự phát triển của tin học và vi điều khiển đã thúc đẩy nền công nghiệp robot phát triển mạnh mẽ cả về chất luợng và só lượng

Cho đến nay, trên thế giới có rất nhiều phòng thí nghiệm, nhiều công ty sản xuất robot với trang thiết bị hiện đại Robot ngày càng trở nên thông minh hơn và gần gũi với con người hơn Ngày nay, robot không chỉ phục vụ trong công nghiệp mà ngày càng đi sâu vào đời sống hàng ngày của con người

3

1.1.2 Robot công nghiệp

Trước khi bước vào nghiên cứu các vấn đề cụ thể, chúmg ta cần thống nhất về thuật ngữ “robot công nghiệp” Có rất nhiều tài liệu đề cập đến thuật ngữ này do vậy các định nghĩa, các cách hiểu rất khác nhau Ta có thể hiểu một cách đơn giản nhất như sau: Robot cong nghiệp có thể được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, bắt chước được các chức năng lao động công nghiệp của con người

a) Ứng dụng của Robot công nghiệp

Robot công nghiệp đã và đang được sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành, các lĩnh vực của cuộc sống: sinh hoạt, sản xuất, quân sự, giải trí Trong sản xuất, Robot công nghiệp được dùng để thay thế cho con người làm những công việc lặp

di lặp lại nhàm chán, những công việc nặng nhọc hay những công việc nguy hiểm Việc sử dụng robot đã magn lại hiệu quả rõ rệt: cả năng suất và chất lượng sản phẩm đều vượt trội so với sản xuất chỉ sử dụng sức lao động của con người Một số công việc chỉ có sử dụng robot mới có thể thức hiện nổi như: thám hiểm đáy đại dương, thám hiểm các hành tinh xa xôi Có thể nói Robot sẽ là thành phần không thể thiếu trong tương lai của con người

b) Phân lo ại Robot công nghiệp

Ngày nay, Robot công nghiệp đã phát triển rất đa dạng Có thể phân loại robot theo nhiều cách khác nhau:

- Theo vị trí công tác phân ra các loại robot cấp thoát phôi, robot vận chuyển, robot vạn năng

- Theo dạng công nghệ chuyên dụng, phân ra các loại robot sơn, robot han, robot lắp ráp

- Theo cách thức và đặc trưng điều khiển phân ra: robot điều khiển tự động, robot điều khiển bằng dạy học, robot điều khiển bằng tay

4

- Theo các hệ toạ độ được dùng khi thực hiện các chuyển động cơ bản , phân ra các robot hoạt động theo hệ toạ độ trụ, cầu hoặc phỏng sinh

c) Các bộ phận cấu thành Robot công nghiệp

- Tay máy gồm các bộ phận: đế đặt cố định hoặc gắn liền với xe di động; thân; cánh tay trên; cánh tay dưới; bàn kẹp

- Hệ thống truyền dẫn động có thể là cơ khí, thuỷ khí hoặc điện khí, là bộ phận chủ yếu tạo nên sự chuyển dịch ở các khớp động

- Hệ thống điều khiển đảm bảo sự hoạt động của robot theo các thông tin đặt trước hay nhận biết được trong quá trình làm việc

- Hệ thống cảm biến tín hiệu thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về hoạt động của bản thân robot và của môi trường, đối tượng mà robot phục vụ

Các thông tin đặt trước hoặc cảm biến sẽ được đua vào hệ thống điều khiển sau khi

xử lí bằng máy vi tính, rồi tác động vào hệ thống truyền dẫn động của tay máy

1.1.3 Cấu trúc các khớp động học và sự phân bố của các khớp động học

a) Cấu trúc các khớp động học

Các cơ cấu được dùng trong robot gồm nhiều khâu liên kết với nhau bằng các khớp nối Số bậc tự do (DOF) của cơ cấu phụ thuộc vào số khâu, khớp và kiểu khớp được dùng để xây dựng cơ cấu

Khớp: Là chỗ nối động giữa hai khâu, nghĩa là có chuyển động tương đối với nhau Như vậy cứ hai khâu nối với nhau tạo thành một khớp động và chỗ tiếp xúc giữa hai khâu tạo thành khớp động gọi là hai thành phần khớp động Khớp cú cỏc ràng buộc vật lý về chuyển động tương đối giữa hai thành phần của khớp

Các khớp thường được sử dụng:

 Khớp quay – Khớp bản lề (Revolute Joint-R): Cho phép hai thành phần của khớp chuyển động quay tương đối với nhau theo một trục được xác định bằng dạng

6

Hình 1.3: Khớp trụ

 Khớp ren – Khớp vít (Helical Joint-H): Cho phép hai thành phần của khớp chuyển động quay quanh một trục đồng thời tịnh tiến theo trục quay Tuy nhiên chuyển động tịnh tiến phụ thuộc chuyển động quay bởi bước vít Do đó khớp ren hạn chế 5 khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp Bậc tự do của khớp

là 1

Hình 1.4: Khớp ren

 Khớp cầu (Spherical Joint-S) : Cho phép hai thàn phần của khớp thực hiện chuyển động quay giữa hai khâu quanh tâm cầu theo tất cả các hướng Do đó khớp cầu hạn chế ba khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp Bậc tự do của khớp là 1

7

Hình 1.5: Khớp cầu

 Khớp phẳng (Plane Joint-P) : Cho phép hai thành phần của khớp chuyển động tịnh tiến theo hai trục trong mặt tiếp xúc và một khả năng quay quanh trục vuông góc với mặt phẳng tiếp xúc Do đó khớp phẳng hạn chế ba khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp Bậc tự do của khớp là 3

Hình 1.6: Khớp phẳng

 Khớp bánh răng phẳng (Gear Pair-G): Hai bánh răng ăn khớp, cho phép một bánh răng lăn và trượt với bánh răng kia tại điểm tiếp xúc giữa hai bánh răng ăn khớp Do đó khớp bánh răng phẳng hạn chế 4 khả năng chuyển động Bậc tự do của khớp là 2

 Khớp cardan: Khớp cardan có bậc tự do là 2

9

Hình 1.9: Phân bố khớp Cầu – Lăng trụ – Cầu

 Dưới là khớp bản lề, trên là khớp cầu, nối với nhau bằng khớp lăng trụ:

Hình 1.10: Phân bố khớp Bản lề – Lặng trụ – Cầu

1.1.4 Số bậc tự do của robot

Có nhiều cách để tính số bậc tự do của robot cấu trúc song song Dưới đây ta đưa

ra một công thức gần giống với công thức được đưa ra bởi D Stewart:

10

♦ fi: Số bậc tự do chuyển động của khớp thứ i

♦ k: Số khớp của cơ cấu robot

♦ n: Số khâu chuyển động của robot

♦ λ: Bậc tự do của một vật khảo sát trong không gian làm việc của robot (λ = 3 hoặc λ = 6lần lượt tương ứng với không gian làm việc trong mặt

Nói chung, chuỗi các khâu nối với nhau với các khớp tạo thành kiểu S-S, S-E, E-E có một bậc tự do thừa

Dưới đây là bảng thống kê các khâu hai chiều với các kiểu liên kết tạo lên bậc

tự do thừa

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

S-E Quay quanh trục đi qua tâm khớp cầu và vuông góc với mặt phẳng

của khớp phẳng E-E Trượt dọc trục song song với giao tuyến của các mặt phẳng của cặp

mặt phẳng Nếu hai mặt phẳng này song song sẽ tạo thành ba bậc tự

do thụ động

11

1.2 Robot cấu trúc song song

1.2 1 Về cấu trúc động học của robot song song

Robot cấu trúc song song được đặc trưng bởi khâu cuối (bàn kẹp, bàn máy động) được nối với giá cố định (bàn máy cố định) bởi một số mạch động học Các mạch động học này tạo nên các vòng động học kín, đặt giới hạn chuyển động đến khâu cuối ở mỗi mạch động học của robot cấu trúc song song có thể có các dẫn động như động cơ, xi lanh thuỷ lực, khí nén hoặc thuỷ-khí kết hợp, được bố trí ở vị trí thích hợp tuỳ theo cấu trúc của robot song song cụ thể Các mạch động học nối bàn máy động với giá cố định còn được gọi là các chân của robot song song Một vài mẫu robot song song đầu tiên phải kể đến là Platform Stewart (Hình 1.11), Manipulator Danhilovsky (Hình 1.12) Các cơ cấu này có sáu bậc tự do và sáu mạch động học (còn gọi là sáu chân) nối bàn máy động với giá cố định Trên mỗi mạch động học có hai khớp cầu, một khớp tịnh tiến được thực hiện bởi dẫn động dặt ở đó

Số mạch động học và số bậc tự do của robot song song có thể không bằng nhau Số lượng, dạng và thứ tự phân bố các khớp động học trên các mạch động học có thể không giống nhau

Hình 1.11 Robot song song không gian Stewart – Gough

12

Hình 1.12 Robot song song Manipulator Danhilovsky

1.2.2 Phân loại robot cấu trúc song song

Có nhiều cách phân loại robot cấu trúc song song dựa trên những tiêu chuẩn cụ thể Căn cứ vào đặc tính chuyển động có thể phân thành robot song song phẳng, robot song song cầu và robot song song không gian Căn cứ vào số bậc tự do ta có robot song song từ một đến sáu bậc tự do Căn cứ vào cấu trúc cụ thể của một số loại robot phổ biến có thể phân loại: Robot song song kiểu 3RPS, 3RRR, , robot song song kiểu Maryland, Delta, , Platform Stewart, Căn cứ vào cơ cấu truyền động ta có robot truyền động bằng điện, thuỷ lực, khí nén, và truyền động thuỷ - khí kết hợp

a) Phân loại theo đặc tính chuyển động

Các cơ cấu chấp hành của robot có thể được phân loại theo bản chất của chuyển động:

13

♦ Robot song song phẳng nếu nó có cơ cấu phẳng nghĩa là tất cả các khớp chuyển động trong cơ cấu đều thực hiện chuyển động phẳng hình 1.4 là một robot song song phẳng 3RRR

♦ Robot song song kiểu cầu nếu trục quay của mọi khớp chuyển động đều đi qua một điểm cố định

♦ Robot song song kiểu không gian nếu nó có ít nhất một trong các khâu chuyển động có chuyển động không gian tổng quát

Sự lựa chọn robot làm việc tuỳ thuộc vào ứng dụng, môi trường làm việc, và các khảo sát khác

b) Phân loại theo số bậc tự do

Sơ đồ phân loại robot thường dùng là theo số bậc tự do Một cách lý tưởng, cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để đạt được vị trí và hướng của khâu chấp hành (bàn máy động) một cách tuỳ ý trong không gian ba chiều Trong thực tế, tuỳ theo nhu cầu sử dụng robot song song có thể có từ một đến sáu bậc tự do với cấu trúc từ hai đến sáu chân

Bảng dưới đây chỉ ra một cách đơn giản để phân loại robot cấu trúc song song theo số bậc tự do

14

♦ k: số chân (số mạch động học) của robot song song Từ hai chân đến sáu chân

♦ P: kí hiệu robot song song (Parallel Manipulators)

Chỉ số thứ nhất sau P là số bậc tự do

Chỉ số thứ hai sau P là số chân của robot song song

c) Phân loại theo hệ thống truyền động

Có ba hệ thống truyền động phổ biến là điện, thuỷ lực và khí nén được dùng cho rôbôt Hầu hết các cơ cấu chấp hành đều sử dụng động cơ bước, động cơ một chiều hoặc động cơ servo do chúng dễ điều khiển và sạch Tuy nhiên khi cần tốc độ cao và khả năng mang tải cao, thường dùng thuỷ lực hoặc khí nén Nhược điểm chính của truyền động thuỷ lực là khả năng rò rỉ dầu Truyền động khí nén có tính linh hoạt khá cao, sạch và nhanh nhưng khó điều khiển do không khí là lưu chất nén được

d) Phân loại theo dạng robot song song đặc biệt

♦ Robot song song 3RRR(Revolute - Revolute - Revolute):

Hình 1.13 Robot song song phẳng 3RRR

Hình 1.13 minh hoạ robot song song phẳng có cấu trúc nhánh 3RRR, ba bậc

tự do

♦ Robot song song 3RPS (Revolute - Prismatic - Spherical):

15

Hình 1.14 Robot song song không gian 3RPS

Hình 1.14 minh họa robot song song không gian 3RPS ba bậc tự do Ba chân nối với giá cố định bằng các khớp quay và nối với bàn máy động bằng các khớp cầu Mỗi nhánh có phần trên và phần dưới, nối với nhau bằng khớp lăng trụ Cho phép các chân thay đổi chiều dài nhờ các dẫn động được dặt tại các chân này Độ dài của các chân (còn gọi là các biến khớp) thường được dùng làm thông số điều khiển robot Toàn bộ robot có tám khâu, ba khớp quay, ba khớp lăng trụ và ba khớp cầu Bậc tự do của robot là ba

♦ Robot song song Stewat Gough: Trên hình 1.11 minh hoạ robot cấu trúc song song không gian 6SPS (Spherical - Prismatic - Spherical), sáu bậc tự do Sáu nhánh nối bệ cố định với bàn máy động bằng các khớp cầu Mỗi nhánh gồm phần trên và phần dưới nối với nhau bằng khớp lăng trụ Có thể dùng trục vít hoặc xy lanh thuỷ lực để thay đổi chiều dài khớp lăng trụ và do đó điều khiển được bàn máy động

♦ Có thể thực hiện được các thao tác phức tạp và hoạt 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 số không bị tích luỹ

♦ 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 và các khớp 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 khối lượng và kích thước nhỏ gọn

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

♦ Khả năng ứng dụng rộng rãi của robot cơ cấu song song khá rộng từ việc lắp ráp các chi tiết khá nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp ở không xa, đòi hỏi độ chính xác cao như: phay, khoan, tiện, bào, lắp ráp

♦ Các robot song song làm việc không cần bệ đỡ và có thể triển khai tới mọi nơi trong môi trường sản xuất Chúng có thể làm việc ngay trên thuyền và treo trên trần, tường

♦ Giá thành của các robot song song ứng dụng trong gia công cơ khí rẻ hơn so với máy CNC có tính năng tương đương

17

♦ Việc giải quyết bài động học cũng như bài toán động lực học thuận thường phức tạp

♦ Có nhiều điểm kỳ dị trong trong vùng làm việc

♦ Giá thành chế tạo đắt do cơ cấu phức tạp khó chế tạo

1.2.4 Ứng dụng của robot song song

Robot song song được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như:

♦ Thay thế con người làm việc một cách ổn định trong một thời gian dài có tính

chất lặp đi lặp lại dễ gây mệt mỏi cho con người Hơn nữa, robot còn có thể thay đổi

nhanh chóng chuyển động thao tác công nghệ để thích nghi với việc thay đổi mẫu

mã, kích thước của sản phẩm bằng việc thay đổi phần mềm

♦ Giảm giá thành sản phẩm do giảm được đáng kể cho chi phí cho người lao

động và tăng tốc độ dây chuyền sản xuất

♦ ứng dụng robot để cải thiện điều kiện lao động Robot thay thế con người làm

việc trong những môi trường độc hại như: bụi bặm, ẩm ướt, nóng lực, ồn ào và

trong môi trường có chất độc hoá học…

Cụ thể:

♦ 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 CNC

♦ Ngành bưu chính viễn thông: Giá đỡ Ăngten, vệ tinh địa tĩnh

♦ Ngành chế tạo ô tô: Hệ thống thử tải lốp ô tô, buồng tập lái ô tô

♦ Ngành quân sự: Robot song song được dùng làm bệ đỡ ổn định được đặt trên

tàu thủy, các công trình thủy, trên xe, trên máy bay, trên tàu ngầm Để giữ cân bằng

cho ăngten, camera theo dõi mục tiêu, cho rada, cho các thiết bị đo laser, bệ ổn định

cho pháo và tên lửa, buồng tập lái máy bay, xe tăng, tầu chiến vv

Ngoài ra từ các modul của robot song song có thể ghép nối tiếp chúng với nhau

tạo ra robot n bậc tự do Loại robot này linh hoạt như con rắn và có thể ứng dụng

thao tác dưới đường hầm, trong ống ngầm vv

18

1.3 Cơ sở khảo sát động học robot cấu trúc song song

1.3.1 Lựa chọn cấu trúc robot song song

Mô hình robot cấu trúc song song được chỉ ra trong hình bên dưới có sáu chân được bố trí đối xứng và đều cùng bán kính trên bàn máy động và giá cố định Cấu trúc của một chân bao gồm một khớp Cardan, một khớp lăng trụ và một khớp cầu

Hình 1.15 Robot song song không gian sáu bậc tự do

-Số bậc tự do được xác định theo công thức trong phần 1.1.4 như sau:

Trong đó:

♦ λ = 6 : Robot làm việc trong không gian

♦ k = 18: Số khớp của cơ cấu robot (6 khớp cardan, 6 khớp lăng trụ, 6 khớp cầu)

♦ f1 = 2: Số bậc tự do chuyển động của khớp cardan

19

♦ f2 = 1: Số bậc tự do chuyển động của khớp lăng trụ

♦ f3 = 3: Số bậc tự do chuyển động của khớp cầu

♦ n = 13: Số khâu chuyển động của robot ( 12 khâu chân và 1 khâu bàn máy)

♦ fc = 0: Không có liên kết thừa (trùng)

đó gá đặt các đối tượng để thao tác công nghệ như chi tiết được gia công hoặc là dụng cụ gia công Khi vị trí của bàn kẹp được xác định thì vị trí của các đối tượng gắn với nó (chi tiết, dụng cụ) cũng dễ dàng được xác định

Để tiện trình bày, người ta thường chọn khâu cuối là bàn kẹp, nó chuyển động trong quá trình thao tác công nghệ nên còn được gọi là bàn máy động (the moving platform) để phân biệt với giá cố định (the base platform), Khi đó các toạ độ định vị bàn máy động sẽ được gọi là các toạ độ ra (toạ độ cuối)

Từ hệ thức toán học mô tả quan hệ động học giữa các toạ độ được điều khiển (gắn vào đó là các dẫn động) và các toạ độ định vị bàn máy động, cho phép tiến hành:

1 Xây dựng các điều khiển để thực hiện dẫn động các khâu dẫn nhằm nhận được dịch chuyển của bàn máy động theo quy luật mong muốn Đây là bài toán ngược động học

2 Ngược lại khi biết được chuyển động của các khâu dẫn ta có thể xác định được dịch chuyển của bàn máy động Đây là bài toán thuận động học

20

Hình 1.16 S ơ đồ bố trí các hệ trục tọa độ

Theo cách xây dựng các hệ trục tọa độ như trên hình 1.18 Ta gắn vào giá cố định hệ tọa độ O x y z , v0 0 0 0 ới z là tr0 ục pháp tuyến x0, y0 nằm trong mặt phẳng bàn máy cố định Gắn vào bàn máy hệ tọa độ O x y z , v p p p p ới z là tr p ục pháp tuyến,

ký hiệu các khớp nối chân robot với giá cố định là O 0i, với bàn máy là O pi

Ta có hai chuỗi động học từ tâm O 0 đến khớp O pi

trên mỗi mạch động học kín ứng

với chân thứ i của robot

21

Hình 1.17 Sơ đồ các phép chuyển hệ tọa độ

Trong mạch động học thứ nhất, ma trận xác định trạng thái của các hệ tọa độ

A là ma trận chuyển hệ tọa độ cơ sở O x y z0 0 0 0 sang O x y zp p p p bằng cách

thực hiện 3 phép quay cơ bản theo 3 góc cardan và 3 phép tịnh tiến cơ bản theo 3

trục tọa độ đối với hệ tọa độ cơ sở O x y z0 0 0 0

Hình 1.21: Sơ đồ chuyển hệ tọa độ từ giá cố định lên bàn máy động

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

Hình 1.22: Sơ đồ chuyển hệ tọa độ từ bàn máy động ra khớp cầu

1.3.3 Bài toán vị trí robot cấu trúc song song

a) Bài toán thuận về vị trí

Bài toán động học thuận là từ các quy luật chuyển động của các chân đã xác định cụ thể là d1, , d6là hàm xác định theo t

Hệ phương trình có thể được viết lại như sau

28

Ở đây q đã xác định, cần xác định các giá trị của p

Giải hệ 18 phương trình đại số phi tuyến với 18 ẩn số sẽ xác định vị trí của robot

b) Bài toán ngược về vị trí

Bài toán động học ngược được giải quyết khi biết được vị trí của bàn máy động robot tức là xp, yp, zp, rotx roty rotz , , đã xác định, cần xác định các tham số của khớp d1, , d6, ϕ1, , ϕ ψ6, 1, , ψ6

Tuy nhiên các hệ phương trình dạng (1.18) gồm sáu nhóm phương trình mỗi nhóm ba phương trình độc lập với ba ẩn số ϕi, ψi, di ứng với chân thứ i của

robot Do đó việc giải quyết bài toán ngược là khá thuận lợi bởi lần lượt giải hệ ba phương trình độc lập

1.3.4 Bài toán vận tốc robot cấu trúc song song

a) Bài toán thuận về vận tốc

Đạo hàm các phương trình (1.15) theo thời gian ta được

b) Bài toán ngược về vận tốc

Tượng tự bài toán thuận ta đạo hàm phương trình (1.18) và được

1.3.5 Bài toán gia tốc robot cấu trúc song song

a) Bài toán thuận về gia tốc

Đạo hàm hệ phương trình vận tốc (1.21) trong bài toán thuận về vận tốc theo thời gian ta có

b) Bài toán ngược về gia tốc

Tương tự bài toán thuận đạo hàm phương trình (1.25)

32

CHƯƠNG II: CƠ SƠ LÝ THUYẾT KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC RÔ BỐT

CẤU TRÚC SONG SONG

Trong chương này tác giả giới thiệu sơ lược một số phương pháp khảo sát động lực học hệ nhiều vật bao gồm các phương trình Newton-Euler, phương trình Lagrange 2, nguyên lý phù hợp Sau đó ứng dụng nguyên lý phù hợp để giải các bài toán động lực học robot cấu trúc song song

2.1 Các phương pháp khảo sát động lực học robot

2.1.1 Các phương trình Newton-Euler của hệ nhiều vật

Xét hệ gồm p vật rắn chịu r liên kết hôlônôm Số bậc tự do của hệ là f Gọi các tọa độ suy rộng tối thiểu là: