Thiết kế robot cơ cấu song song trên máy tính dựa trên kết quả mô phỏng động lực học

Trong phần này, luận văn dề cập đến một sô phương pháp về nuil lý lliuyèỉ xác địnli các đặc tính động lực học của Hexapod để làm tiền để cho việc nubien cứu và đánh giá kết quả phương ph

ĐẠI HỌC o u ố c GIA HÀ NÔI TRUNG TÂM HỢI» TÁC f)À(> TẠO

VẢ BỒI DƯỠNG CO HOC

TRUNG TẦM KHOA HỌC Tự NI IIÊN

VÀ CÔNG NGHÊ QUỐC GIA

M ụ c l ụ c

L ờ i n ó i đ ẩ u

T lm ậ t n g ữ c h u n g liê n q u a n đ ế n c á c c ư c ấ u s o n g s o n g

C h ư ơ n g 1 G iớ i t h iệ u , m ụ c t iê u v à c ấ u t r ú c c ủ a đ ề t à i

/ / Đ ặ t vấn đ ề

/ 2 M ụ c tiêu của đê t à i

1.3 N ộ i dung chính của đ ề tà i

C lu r ư n g 2 T ổ n g q u a n v ề R o b o t

2.1 ư u điểm của R obot tronạ công n g h iệ p

2.1.1 Nâng cao cliât Itrợng sản phẩm :

2 ì 2 Cải thiện điều kiện vù môi trường làm việc:

2.1.3 Hiệu quà chi p h í:

2.1.4 Thay đổi dễílàriiỊ:

2 2 C ấu trú c c ơ bản củ a R o b o t:

2.2.7 Phần tuy m á y

2.2.2 Phần dộng lực:

2.2.3 Bộ diều khiên

2.3 M ộ t sô dạng R o b o t thông dụn g hiện n a y

2.3.1 Robot cơ câu chuỗi

2.3.2 Robot cơ cấu song song

2.3.3 Robo lai ghép (Hybrid Robot)

2.3.4 Robot di độntỊ:

2.3.5 Robot dạng người:

2.3.6 Robot tái cẩu trúc áp dụng nguyên lắc module hóa

2.4 M ộ t s ố ưu nhược đ iểm củ a R obot so n g s o n g

2.5 M ộ t sô ứng d ụng củ a R o b o t so n g s o n g

C h ư ơ n g 3 L ự a c h ọ n c ấ u t r ú c R o b o t

3.1 P hân tích bài to á n

3.2 Lự a chọn cấu trú c R o b o t

C h ư ơ n g 4 M ô p h ỏ n g đ ộ n g h ọ c v à đ ộ n g lự c h ọ c

4.1 G iới th iệ u

đ.2 C ơ sở lý thuyết động h ọ c và độn g lực h ọ c H e x a p o d

4.2.1 Phân tích dộng học Hexapod

4.2.2 Phân tích bài toán vận tốc He.xapoil

4.2.3 Phân tícli tính kỳ dị (suy biến)

4.2.4 Phùn tích bài toán gia tốc H exapod

4.2.5 Phân tích Ị ực tĩnh H exapod

4.2.6 Phân tích động lực học Hexapod

4.3 M ô p h ỏ n ạ động h ọ c và đ ộ n ạ lực h ọ c H e x a p o d

4.3.1 Các thông sô dầu vào cửa bài toán động học vò dộng lực học 4.3.2 Các bước mô p h ỏ n g

C h ư ơ n g 5 P h â n tí c h m ộ t s ố c ụ m c h i t iế t c h í n h

Mục lục I ■> 5

9

9

¡2

13

15

15

/ 5

16

¡6 16 17 17 17

I S 19

19 20

~>1 23 24 25

26 28

3 0

30

3 ỉ

3 5

35 36

36 41 42 43 44 45

52

.53 54

5 5

5. / T iêu ch u ẩ n và các thông s ố thiết k ế 55

5.1.1 Tiêu chuẩn về độ kín bảo vệ 55

5.1.2 Tiên chuẩn vê âộ chính xúc 56

5.1.3 Cút thông số thiết kế. 57

5.2 P hàn tích m ộ t sô cụm c h i tiết c h ín h 37

5 2.1 Khóp cảu và kììỚỊ.) cúc dãm* 59

5.2.2 Cúc cụm cơcâìt Trục vít - Đai ố c (Ẳ) 5.2.3 Độiiạ cơ bước và động cơ Servo M 5.2.4 Cửỉìì biến, tín hiệu do IườìiiỊ và điêu khiển 75

5 2 5 Cơ cấu chấp hành 82

C h ư ơ n g 6 T h iế t k ế c h i t i ế t 8 8 ó I M ỏ tả R obot song song cần th iết k ê XK 6.1 ì Cấp chính xác chi tiế t

6.12 Cúc cơ cấu được lựa chọn ss 6.1.3 Bệ di độnq 90

6.1.4 Đ ế cố định 90

6.1.5 KhỚỊ) liên kết 9!

6.2 C hưong trình dùng đ ể th iết k ế R o b o t 91

6.3 C ác bản v ẽ thiết k ế 94

C h ư ơ n g 7 K ế t lu ậ n 9 5 7 / C ác kết q u ả đạt đ ư ợ c 95

7 2 K h ả năng p h á t tr iể n 9 7 T à i liệ u th a m k h ả o 9 9 P h ụ lụ c : M ộ t s ố b ả n v ẽ t h iế t k ế H e x a p o d 101

Đ ề tà i " T h iế t k ế p h ầ n c ơ k h í R o b o t c ơ c ấ u s o n g s o n g trê n m á y íin ìì d ự a trê n

k ế t q u ả m ô p h ỏ n g đ ộ n ẹ lự c h ọ c" đ ư ợ c th ự c h iệ n tậ p t r u im v à o v iệ c l iế p c ậ n

v à n g h iê n c ứ u m ộ t lo ạ i R o b o t s o n g s o n g - H e x a p o d , ứ n g đ ụ n g c h o c ô n g tá c

g ia c ô n g c á c c h i t iế t c ơ k h í p h ứ c tạ p v à đ ư a r a b ả n t h iế t k ế p h ầ n c ơ k l i í C I K 1

R o b o t đ ó

T r o n g q u á t r ì n h th ự c h iệ n b ả n lu ậ n v ă n , t ô i đ ã n h â n đ ư ợ c , u ự c l i ế p h o ặ c g iá n tiế p , rấ t n h iề u sự h ư ớ n g d ẫ n , g i ú p đ ỡ , g ó p ý , c ủ a c á c t h ầ y c ô g iá o v à c á c b ạ n

d ồ n g n g h iệ p T rư ớ c t iê n , t ô i x i n c h â n t h à n h c á m ƠI1 n g ư ờ i ln rớ n e ; d ẫ n tr ự c liê p ,

C ơ h ọ c , V iệ n C ơ h ọ c , C ò n g l y Đ ầ u tư P h á t tr iể n C ô n g t r ì n h D u lị c h V iệ n

C ô n g n g h ệ - B ộ C ô n g n g h iệ p , g ia đ ìn h v à c á c b ạ n d ồ n g n g h iệ p (lã g iú p d ỡ , tạ o

d iề u k iệ n v à đ ó n g g ó p ý k iế n t r o n g s u ố t t h ờ i g ia n t ô i h ọ c lậ p và n g h iê n c ứ u (lè

Chương 1 G i ớ i t h i ệ u , m ụ c t i ê u v à c ấ u t r ú c c ủ a đế tài

R o b o t là m ộ t c h u y ê n n g à n h th ú v ị và (lá n g đ ể c ô g ắ n g n g h iê n c ứ u s u ố t d ờ i

M ộ t m ặ t, c h ú n g c ó n h iề u ứ n g d ụ n g th ú v ị k h á c n h a u v à n g à y c à n g p h á t t r iể n ,

m ặ t k h á c , R o b o t tự 11Ó là m ộ t đ ố i tư ợ n g h ấ p d ẫ n : v iệ c COM n g ư ờ i tạ o ra c á c

c ô n g c ụ c ó k h ả n ă n g tư ư n g tự n h ư c o n n g ư ờ i v à p lu íơ n g p liá p lu ậ n là m o ! m ụ c

M ộ t R o b o t là m ộ t lay m á y đa c h ứ c n ă n g có t h ể lập trìn h d iêu k h iể n It h iển

lẩ n được th iế t k ê đế d i c h u y ể n vật liệu, các bộ p h ậ n , các d ụ n g cụ lioặc các

th iế t bị đ ặ c b iệt th ô n g q u a các d i c h u y ê n k h á c n h a u đư ợ c lập í rìn h đ ể th ự c

h iệ n m ộ t h a y n h iề u các tác vụ.

C ơ d iệ n t i r tổ h ợ p n h iề u c h u y ê n n g à n h k h á c n h a u và d o v ậ y đ ó là m ặ t lâ ì tố l

c h o c ô n g tá c đ à o tạ o C á c c h u y ê n đ ề c h ín h c ủ a R o b o t rấ t clư ự c ưa c h u ộ n g vì

c h ú n g c ẩ n c á c k iế n tliứ c v ề c á c c ả m b iế n , c ơ s ấ u c h ấ p h à n h , m á y l í n l i và c á c

b ộ đ iề u k h iể n v à c á c k i ế n th ứ c đ ó c ó th ể đ ư ợ c c h u y ể n s a n g n i l n h iề u c á c th iế t

b ị k liá c ử n h iề u n g à n h k h á c n h a u

C á c k h á i n iệ m c ủ a R o b o t r ấ t q u a n t r ọ n g t r o n g m ô p h ỏ n g đ ộ n g c ủ a m á y lí n h

v à th ự c lạ i ả o K h i m ộ t n g ư ờ i đ iể u k h iể n rn ô h ìn h 1Ĩ1Ô p h ỏ n g đ ộ n g h o ặ c R o b o t

th ự c , c á c c á c h n g h iê n c ứ u c ĩ í n g tư ơ n g tự C á c k h á i n iệ m đ ư ợ c p h á t t r iể n ù o i i g

v iệ c m ô h ìn h h o á c ủ a c á c d ố i tư ợ n g tư ơ n g tá c đ ể lậ ị) k ế h o ạ c h lắ p r á p d ư ợ c á p

d ụ n g trự c t iế p v à o c á c đ ố i lư ợ n g c h u y ể n đ ộ n g t r o n g m ô i trư ờ n g ả o

C á c k lu í i n iệ m c ủ a R o b o t c ó th ể h ỗ tr ợ v iệ c h iể u r õ c á c k h ả n ă n g s in h h ọ c

tư ơ n g ứ n g V í d ụ n h ư m ộ t c á n h ta y n g ư ờ i c ó th ể th ự c h iệ n rấ t n h iề u c ô n g v iệ c

m à c lu in g ta c ô g ắ n g đ ạ t d ư ợ c đ ể p h á t t r iể n c á c ta y m á y C á c k lì á i n iệ m p h á t

t r iể n c ủ a t a y m á y R o b o t c ó th ể là m c h o c h ú n g ta h iế u r õ h ư n c á c v ấ n tie lư ơ n g

ứ n g m à ta y c o n n g ư ờ i g ặ p p h ả i Đ iề u n à y k h ô n g n ó i rằ n g c á c g iả i p liíÍỊ) về

R o b o t c ó th ể g iả i q u y ế t c á c v ấ n đ ề s in h h ọ c m à c h ỉ n ó i lê n r ằ n g b ằ n g c á c h c ố g;1nụ s a o c h é p c h ứ c n ă im c ủ a ta y n g ư ờ i c lu in g ta c ó th ể h iể u r õ c h ú n g h ơ n

C ù n g v ớ i sự p h á t t r iể n t r o n g n g à n h R o b o t , t r o n g k h o ả n g 3 0 n ă m q u a , việc

n g h iê n c ứ u v à ứ n g d ụ n g R o b o t v à o c á c n g à n h c ò n g n g h iệ p tin (lư ợ c I l ic it k h a i

m ạ n h m õ v à d ã h ìn h th à n h m ộ t n ề n c ô n g n g h iệ p với m ộ t s ố c ổ n g t y liỉmg (.lầu

c á c t m c tiế p s a u v à là m c h o c h ú n g c h u y ể n đ ộ n g R o b o t CƯ c ấ u c h u ỗ i (S e ria l

R o b o t ) , đ ư ợ c p h á t t r iể n từ n lìữ n g n ă m I 9 6 0 , h iệ n đ ã c ó rấ t n h iề u d ạ n g c à u ti Tu­

c a h ọ c và đ ã d ư ợ c đ ầ u t ir n g h iê n c ứ u rấ t k ỹ c ả về t h iế t k ế , d ộ n g h ọ c , m ô h ìn h

h o á và d iề u k h iể n T u y n l iic n , v ấ n đ ề là c á c c ấ u tr ú c n à y rấ t k e m l i l i l í h o ạ t :

m ộ t k h i t h iế t b ị đ ã đ ư ợ c t h iế t k ế v à c h ế lạ o sẽ rấ t k h ó c h o v iệ c c ả i liê n và n a i l ”

c â p sau n à y in à c h ỉ c ó th ể th ự c h iệ n c á c c ô n g v iệ c sửa đ ổ i n h ỏ H ơ n nữ a tr o n g

N ă m 1 9 9 4 , h a i c ô n g t y ( lụ n g c ụ m á y G it iđ in g s & L e w is và l i i g c i s o l l ( M v ) , (If)

là m k in lt n g ạ c cả th ế g iớ i k h i g iớ i th iệ u m ộ t t h iế t b ị m á y m ó c t lạ u g m ó i ( ';k '

hệ ll i ố n g m ớ i n à y d ư ợ c d ự a trô n c â u tr ú c c á c k h ớ p đ ộ n g lự c s o n 12, s o i l ” m il cin ckíự c S te w a r d p h á t tr iể n n ă m 1 9 6 5 lạ i A n h ( H ì n h 1 - i ) H u i n 'lim ly n à y tlã g o i

c á c e ỏ im c ụ m á y m ó c m ớ i n à y là " H e x a p o d ” T ê n n à y X IIÍÌ! I ' I l á t I I I sán llù m h

p lu ln k ế l c ấ u c ơ b á n c ủ a t h iế t b ị là c á c c h â n là c á c p h ầ n tu k iế n ố n g lỏ im , c á c

b ộ d ẫ n d ộ n g đ ư ợ c đ iề u k h iể n s ố d ể t lia y đ ổ i c h iề u d à i c á c ỏ im lổ iiL ' t iio n g I I I I Í Ị ,

đ iề u k h iể n 6 b ậ c tự d o về v ị t r í v à g ó c x o a y c ủ a bệ d i d ọ n g Sau k h i n e l i i c i i

c ứ u n ề n tá n g c ủ a c á c p h á t tr iể n n à y , r ấ t n h iề u ý tư ở n g v e v iệ c á p (Im IU u í c c íiu

tr ú c đ ộ n g h ọ c s o n g s o n g v à o R o b o t h ọ c v à c ô n g c ụ in á v m ó c dã (.lược p liá l

tr ie n rấ t n h a n h c h ó n g H ầ u h ế t c á c ứ n g d ụ n g đ ã đ ư ợ c p liá t trie ’ll lừ sau n á m

1 9 9 5 C á c R o b o t d ạ n g s o n g s o n g c ó đ iể m d ặ c trư n g ở c ấ u li ú c k lú tát c ;i c á c

b ộ |)lụ m c h ấ p h à n h h o ạ t d ộ n g c ù n g n h a u đ ể d i c h u y ể n k h ố i lư ợ n g ta i và c ó íl Iilu ìt h a i c h u ỗ i d ộ n g h ọ c đ ộ c lậ p đ ư ợ c n ố i v ớ i b ộ c ố đ ị n l i T iê n c ơ sở p h â n líc l)

D ự á n H e x a g lid e đ ư ợ c t r iể n k h a i ử V iệ n R ô b ố t T h ụ y s ỹ b ắ t đ ầ u lu n ;im

1 9 9 6 M á y là h ệ c â u t r ú c s o n g s o n g 6 b ậ c tự d o , sử t lụ im m á y p h a y lố c

đ ộ c a o v ứ i k h ô n g g ia n là m v iệ c ( 7 0 0 x 6 0 0 x 5 0 0 m m ) , s ir c lu iiu h ẹ ( lie u

k h iể n V M E - B u s v à hệ t h ố n g th ờ i g ia n th ự c Ư u đ iể m là c ó ll i ể th ự c h iệ n

K H T N và C N Q G c ũ n g đ ã t r iể n k h a i n g h iê n c ứ u R ô b ò ì c ơ c fm SOI1U

s o n g v à M ò p hỏ n g động lực học R ôbốt cơ cấu song son ạ ha II ạ phần

m ém a la sk a ứng dụng trong ẹia cônq khuôn m ẫu.

N h ì n c h u n g c á c c ơ sở n g h iê n c ứ u t r o n g IIIIỨC m ớ i c h ỉ ( lu a ra m ỏ liì n h và ( li tìm

t lu iậ t to á n g ia i b à i to á n đ ộ n g lự c h ọ c c h o R ô b ố t c ơ c ấ u s o n g SOU” , c h u a c h ế

tạ o R ô b ố t m â u c ụ th ể

1.2 Mục tiê u c ủ a đ ê tà i

l) ổ t à i " T h iế t k ế p h ẩ n c ơ k h í R o b o t c ơ cả u so n g so n g trên m á y tín h dự a (rên

k ế t q u ả m ỏ p h ỏ n g iỉộtig lự c h ọ c " d ư ợ c lliự c h iệ n tậ p t r u n g v à o v iệ c liế p cậ n

v à n g h iê n c ứ u m ộ t lo ạ i R o b o t s o n g s o n g d a n ă n g ứ n g d ụ n g b ư ớ c đ ầ u c lio c ò n ụ

lá c g ia c ô n g c á c c l i i t iế t c ơ k h í p h ứ c tạ p v à d u a ra b án t h iế t k ê p lu m CO I h í r u a

R o b o t ció.

N g h iê n C lin , l iế p c ậ n m ộ t s ố v ấ n d ề c ơ b ả n và p h ư o n u p h á p lự a d u '11 r á i/

o P h â n t í c h m ộ t s ố c ụ m c h i t iế t c h ín h : K I lớ p liê n k ế t , c ả m b iế n c lic u

k h iể n c h u y ể n đ ộ n g , đ ộ c h ín h x á c th iế t k ế , g ia CÔI IU lắ p ( liit , Ciìp

C h ư ơ n g 3 : P h â n t í c li b à i to á n th iế t k ế , á p d ụ n g c h o m ộ t (lạ n g I liiè l b ị g iíi c o i l "

c ụ th ể th íc h h ợ p c h o v iệ c lin g d ụ n g c h o l l i i ế l b ị g ia c ô n g CƯ Ivlii d ổ im t h ò i c ó

k h ả n ă n g m ở r ộ n g ứ n g d ụ n g c ũ n g n h ư p h ù h ợ p v ớ i lc liả n ă n g v ề k ỹ l ln ií Ị l ũ i;i

c ô n g c h ê tạ o t r o n g đ iề u k iệ n V i ệ t n a m K ế t h ợ p v ớ i k ế t (|ii;ì m ô p liỏ n s i l i l i l í

to á n c ù a V iỌ n C ơ h o c đ ư a ra c ấ u l i ì n l i c ủ a I le x a p o d c ụ th ể

2 1 ư u đ iế m c ủ a R o b o t tr o n g c ô n g n g h i ệ p

V i ệ c c ơ k h í h o á v à tự d ộ n g h o á đ ã d ư ợ c b ắ t đ á u n g a y từ c u ộ c c á c h m ạ n ụ i/ò im

n g h iệ p v à o d đ u t l i ế k ỷ X I X v ớ i m ộ t c h iế c m á y h o à n c h ỉn h (1ÀU lie n (lo

J a c q u a id p h á t t r iể n sử d ụ n g t r o n g n g à n h c ô n g n g h iệ p d ệ t N h ữ n g c lii è c m á y

d ẹ t d á u t iê n n à y c ò n rấ t đ ơ n g iả n s o n g đ ã c ó th ể đ ư ợ c lậ p t r ì n h b ằ n g c á c c ơ

c ấ u c ơ k h í đ ể c ó th ể d ệ t đ ư ợ c n h iề u m ẫ u v ả i k h á c I ilia u K ể từ d ó , c ù n g v ớ i sự

p h á t tr iể n c ù a n g à n h c ơ k h í, n h iề u lo ạ i m á y tự đ ộ n g d ã đ ư ợ c ra d ờ i, từ n h ũ n g

t h i ế t b ị g ắ p x ỉ tr o n g lò , m á y p h u n sơ n đ ế n c h iế c m á y v ậ n lià n li từ x a sử ilm m

đ iệ n n ă n g d iề u k h iể n b ằ n g d ộ n g c ơ s e r v o đ ầ u tiê n ra đ ờ i v à o n ă m I 9 4 7 , I1CI1

c ô n g n g h iệ p R o b o t đ ã b ắ t đ ẩ u h ìn h th à n h v à p h á t t r iể n Đ ầ u n h ữ n g n ă m 6 0

c ủ a th ế k ỷ X I X , n h ữ n g R o b o t đ ầ u tiê n , t h e o k h á i n iệ m về R o b o t ( I I ), d ã (lirư c

đ u a v à o á p d ụ n g t r o n g c ô n g n g h iệ p v ớ i R o b o t d ầ u t iê n là R o b o t c h o <l;iy

H iệ n n a y R o b o t c h ủ y ế u đ ư ợ c p h á t t r iể n c h o m ỗ i c ỏ n g v iệ c c ụ 1 h ể n liA Ì ( lịn h

R ấ t d á n g c h ú ý r ằ n g h ầ u h ế t c á c c ô n g t y sử d ụ n g n h iề u R o b o t cớ h iệ u ( |ii;ì lạ i

c h í n h là c á c c ô n g t y t h iế t k ế , c h ế tạ o R o b o t t ố t n h ấ t, c ỏ th ể là d o c á c c ô n g

c ô n g t y d ó c ó c á c c h u y ê n g ia h iể u b iế t r ấ t sâu v à o c h u y ê n n g à n h K o b o l, vé

c á c li h o ạ t đ ộ n g c ủ a c á c t h iế t b ị c ó c ấ u t r ú c p h ứ c tạ p c ũ n g n h ư c ó th ể c ó lo'! k h i

c á c c ô n g n g h ệ đ ó h o à n c h ỉn h

2.1.1 Nâng cao chất lượng sản phẩm :

Đ ố i v ớ i c á c c ô n g v iệ c n h ấ t đ ịn h , c á c R o b o t c ó th ể v ư ợ t t r ộ i COI1 ngu'0'i tlie o

n g h ía v ề c h ấ t lư ợ n g c ô n g v iệ c k h i c h ấ t lư ợ n g ( ló p h ụ th u ộ c v à o m ộ t s ố n g u y ê n

n h a n s a u :

- Y ê u c ầ u đ ộ c h ín h x á c v ề v ị tr í

- K h ả n ă n g lặ p đ i lặ p lạ i n h iề u lầ n v ớ i tố c đ ộ c a o

- K h ô n g s a i lệ c h d o tìn h tr ạ n g m ỏ i m ệ t v ề lâ m s in h lý

V iệ c n â n g c a o c h ấ t lư ợ n g s ả n p h ẩ m n à y k h ô n g c h í ở m ặ t c h ấ t lư ợ n g v à tliá m

m ỹ c ủ a s ả n p h ẩ m m à c ò n c h o p h é p t iế t k iệ m v ậ t liệ u c ầ n sử d ụ n g (lẫ n CỈÒII

g iả m c h i p h í v à g iá th à n h

2 1 2 Cải thiện điều kiện và môi trường làm việc:

F)ể c ó th ể d ạ t đ ư ợ c n ă n g s u ấ t la o đ ộ n g c a o , v iệ c tạ o ra m ô i trư ờ n g là m v iệ c c ó

c h ấ t lư ợ n g c a o là r ấ t c ầ n t h iế t C ơ th ể n g ư ờ i n ế u d ư ợ c sử d ụ n g k h ô n g h ợ p lý c ó

th ể g â y ra c á c s a i s ó t th ậ m c h í b ị c h ấ n th ư ơ n g h a y tà n tậ t d o tìn h tr ạ n g m ỏ i

m ệ t lâ m s in h lý , k h i đ ó c á c c ô n g c ụ tự d ộ n g c ó th ể d ư ợ c sử d ụ n g d ể g ia m c á c

s a i s ó t v à g iả m n g u y c ơ c h ấ n th ư ơ n g đ ế n m ứ c l ố i th iể u , đ ặ c b iẹ t I r o n g c á c d ie u

k iệ n c h i p h í c a o v ề sứ c k lio ẻ , y tế v à b ả o h iể m th â n th ể M ộ l s ố d iề u k iẹ n c ỏ n g

v iệ c c ầ n R o b o t t h a y t h ế c o n n g ư ờ i n h ư : th ự c h iệ n c á c c ô n g v iệ c n ặ n g n h ọ c ,

c á c c ô n g v iệ c lặ p đ i lặ p lạ i, t r o n g m ô i trư ờ n g đ ộ c h ạ i ( b ụ i b ẩ n , n h iề u c h ấ t

ra , ( r o n g c á c d íly c h u y ể n s ả n x u ấ t, c á c R o b o t n ó i c h u n g c ó ll i ổ lio i.ll t lộ im

2 4 / 2 4 g iờ m à k h ô n g c á n n g h ỉ n h ư c o n n g ư ờ i, đ ặ c b iệ t t r o n g n h ữ n g m ô i trư ờ n g

n g u y h iể m , sử d ụ n g R o b o l CÒI1 c ó th ể g iả m c h i p h í c l io c á c h ộ t liố n g p h ụ l i ự ( V í d ụ : h ệ t h ố n g c ấ p k h í s ạ c h c h o Iìg ir ờ i đ ể th ở ( r o n g c á c h ầ m s â u , h ẹ t l i ó i i ü

c h iế u s á n g t r o n g x ư ỏ n g )

2.1.4 Thay đổi dễ dàng:

T r o n g c á c tn r ờ n g h ợ p sử d ụ n g m ộ t c á c h đ ú n g đ ắ n , c á c R o b o l k h ô n g c h ỉ d ỏ

d à n g t h a y đ ổ i h ơ n c á c t h i ế t b ị tự d ộ n g c ố đ ịn h m à CÒI1 c ó th ể c ó k h a n ă n g ( h íc h ứ n g v ớ i sự t h a y đ ổ i n h a n h lìư n c ả c o n n g ư ờ i, đ iề u n à y là m c h o c á c sản

p h ẩ m m ớ i d ư ợ c đ ư a ra t h ị trư ờ n g n h a n h h ơ n v à c á c clAy c ln iy c n sả n XIIrít m ồ m

d ẻ o h ơ n v à c ó th ổ s ả n x u ấ t , c h ế tạ o d ư ợ c n h iề u d ạ n g sả n p h ẩ m h ơ n G iả i p h á p

d ể th ự c h iệ n d iề u n à y c h ỉ là v iệ c lậ p t r ì n h lạ i c á c h o ạ t đ ộ n g c h o c á c R o b o t.

k h ả I iă n g t r ê n M ặ t k h á c , g iá th à n h c ủ a c á c R o b o t h iệ n n a y lư ơ n g đ ố i c a o và

k h ả n ă n g sử d ụ n g c h ú n g m ộ t c á c h c ó h iệ u q u ả CÒI1 th ấ p c ũ n g là m ộ t c a n trơ

t r ú c v à c á c p h á n tử k h á c n h a u n à y th ể h iệ n rằ n g R o b o t c ó liê n q u a n (lè n n h iề u

c h u y ê n n g à n h k h á c lì lia u : từ c á c k ỹ sư c ơ k h í , k ỹ sư đ iệ n , k h o a h ọ c về c ô itu

n ă n g lư ợ n g đ iệ n ( d ộ n g c ơ ) p h ù h ợ p v à th ư ờ n g d ư ợ c sử d ụ n g n h iề u Illic it c h o

- M ộ t b ộ x ử l ý t r u n g tâ m đ ể t í n h to á n c á c lệ n h d iề u k h iể n

- P h ẩ n c ứ n g tư ơ n g ứ n g đ ể g ia o d iệ n v ớ i p h ẩ n c h a p h à n h c í ì n g n h u ' với hên

n g o à i v à n g ư ờ i sử d ụ n g

B ộ c h u y ể n d ổ i n ă n g lư ợ n g b iế n d ổ i v à th ự c h iệ n c á c lệ n h c ù a b ộ d iề u k h it 'll ( c ó t liể là đ iệ n á p th ấ p h o ặ c tín h iệ u s ố ) s a n g tín lii ộ u lư ơ n g tụ c ó đ iộ ii á p CÍK)

2.3.1 Robot cơ cấu chuỗi

H ìn h 2-1 Robot P U M A H ìn h 2-2 Robot lìì n ì i 2-3 Robot T3

SCARA

C á c R o b o t c h u ỗ i h iệ n là c á c R o b o t c ô n g n g h iệ p p h ổ b iế n n h ấ t T h ô n g th ư ờ n g

c h ú n g c ó c ấ u t r ú c lư ơ n g tự c á n h ta y n g ư ờ i tứ c là m ộ t c lu iỗ i lie n lụ c c á c liê n

c ó k h ố i lư ợ n g lớ n v à d o v ộ y c ln í n g c ó h iệ u s u ấ t lả i lư ơ n g ứ n g th ấ p

Một số Robot cluiỗi dược giới thiệu trong các Hình 2-1, Ilìnli 2-2 và ỉ lình 2-3

v à đ ư ợ c g ọ i là d ạ n g w S C A R A ( S e le c tiv e C o m p lia n c e A s s e m b ly R o b o t Arm).

2.3.2 Robot cơ cấu song song

M ộ t R o b o t s o n g s o n g b a o g ồ m m ộ t đ ế c ố đ ịn h ( F i x e d B a s e P k i l f o r m ) (lirợ c n ô i

v ớ i b ệ d i đ ộ n g c u ố i ( E n d E f f e c t o r P la t f o r m ) b ằ n g m ộ t s ô c h â n C á c c h fu i n à y

th ư ờ n g b a o g ồ m m ộ t c ơ c ấ u c h ấ p h à n h k h ớ p trư ự t t ịn h t iế n , n ố i v ớ i d ể (•(') đ ịn h

và b ệ d i đ ộ n g h ằ n g c á c k h ớ p c ầ u h o ặ c k h ớ p c á c đ ă n g là c á c k h ớ p l 'ị ( lọ n c ( k liớ p k h ô n g c ó c ơ c ấ u c h ấ p h à n h , d ù n g d ể tạ o k ế t c ấ u R o b o t và g iữ v a i I m l;ì

c á c r à n g b u ộ c ) D o đ ó , c á c c h â n c h ỉ c h ịu c á c lự c k é o h o ặ c n é n , k h ô im r ó lá c

d ộ n g c ủ a m o m e n t x o ắ n n ê n là m tă n g clộ c h ín h x á c v à c h o p h é p k ế t c à u R o b o t (lư ợ c n h ẹ h ơ n C á c c ơ c ấ u c h ấ p h à n h tạ i c á c k h ớ p t i u ọ t c ó th ể d n ợ c lắ p (h it lie u

H ìn ìi 2 -4 Cấu trú c tiề u b iểu củ a m ò i R o b o t chuồi

( lỏ n g ( k h ớ p t il rực c ư c ấ u c h ấ p h à n h (lẫ n đ ộ n g ) C á c R o b o t s o n g s o i i í : l i u i i n l o i m

c ó h a i k h ớ p trư ợ t c lié o n h a u lh ư ờ n g d ư ợ c g ọ i là c á c m ỏ l i ì n l i S lc v v a il lè n c u :i

n g ư ờ i đ ầ u lie n d ư a ra m ộ t ứ n g d ụ n g c ủ a R o b o t s o n g s o n g đ ổ m ò p lio im I n ió iiũ

tộ p lá i m á y b a y Các: t h iế t k ế R o b o t b o l s o n g s o n g h o a n to à n e fítm (in (liK 'V s il ( lụ n g v à i n a m trư ớ c t r o n g c á c m á y th ử tủ i lố p x e đ ư ợ c ( ỉ o u g l t g h i I t li; ỉii l ) o

v ậ y , n g ư ờ i ta th ư ờ n g g ọ i tê n m ô h ìn h S t e w a it - G o u g h d ể c h ỉ cả h a i th u m Mèn

và c lu in g th ô n g th ư ờ n g c ó c ó 6 b ậ c tự d o H ì n h 2 - 7

ỉỉìtĩìt 2-8 M ộ t sô m ỏ h ìn h H e x a p o d dư ợc s ứ d ụ n g tro n g crììig niỉliièp

2 3 3 R o b o lai g h é p (Hybrid R obot)

H ìn h 2 -9 M ô h ìn h R o b o t la i g h é p 2 4 -D O F (Logabex)

- C ơ c â u s o n g s o n g g h é p v ớ i c ơ c ấ u c h u ỗ i: M ộ t ta y m á y c ơ c ấ u c h u ỗ i g ắ n trê n m ộ t h ệ t h ố n g c ơ c ấ u s o n g s o n g M ộ t R o b o t 6 - D O F c ó th ể cỉư ợc c ấ u

đ ư ờ n g liê n tụ c ) là m c h o lo ạ i R o b o t n à y c ó ưu th ế tr ê n c á c đ ịa h ìn h p h ứ c tcip

là sự m ở r ộ n g (lơ n g iả n c ủ a c ấ u tr ú c c h u ỗ i cá v ề m ứ c đ ộ p h ứ c tạ p Im n íi, tlm ậ t

t o á n m ô h ìn h lio á lẫ n đ iề u k h iể n

2 3 6 Robot tái cấu trúc áp dụng nguyên lắc module hóa

M ộ t h ệ th ố n g c h ế tạ o c ô n g n g h iệ p tự đ ộ n g th ư ờ n g g ồ m n h iề u t h iế t b ị u ia CÙIIÜ

v à v â n c h u y ể n v ậ t liệ u n h ư m á y C N C , R o b o t, c ấ p p h ô i, g iá d ữ C á c l l i i è i b ị

n à y th ư ờ n g đ ư ợ c c h ế tạ o c h u y ê n đ ù n g v ớ i m ụ c d ic h p h ụ c v ụ m ộ t c ò n g v iẹ c 1)1 lấ t đ ịn h k h i s ả n p h ẩ m c h ế tạ o t r o n g d â y c h u y ề n k h ô n g t h a y đ ổ i C á c t lu iy d ổ i Illic it đ ịn h đ ư ợ c th ự c h iệ n b ằ n g c á c h th a y d ổ i c á c c h ư ơ n g trì II 11 đ iề u k lii è n và

t á i c ấ u t r ú c c ó th ể c ó d ạ n g là R o b o t c ơ c ấ u c h u ỗ i h a y R o b o t c ơ c ấ u s o n g s o n g

t ù y th u ộ c v à o c á c h b ố t i í c á c m o d u le t iê u c h u ẩ n V ớ i m ộ t s ò lư ợ n g I i l i ó c á c

l o ạ i m o d u le , m ộ t R o b o t t á i c ấ u t r ú c c ó th ể đ ư ợ c n h a n h c h ó n g t h iế t k ế , c lic ' tạ o

v ớ i c ấ u h ìn h d ơ n g iả n , k h ả n ă n g c h ịu tả i lớ n v à li ê u h a o ít lu ln g lư ợ n g ( lo v ậ y

c ỏ th ể th ự c h iệ n c á c c ô n g v iệ c c ó h iệ u q u ả h ơ n

- Đ ơ n g iả n lio á c á c c ơ c ấ u m á y v à g iả m s ố lư ợ n g p h á n tử d o c á c c h â n và

k h ớ p n ố i đ ư ợ c t h iế t k ế s ẩ n t h à n h c á c c ụ m c h i t iế t tiê u c lu iẩ n

N h u tr ê n d ã p h â n t í c h , R ô b ố t c ư c ấ u s o n g s o n g c ó n h iề u th ế m ạ n h lio n k o h o l

c h u ô i, I 1 Ó c ó k h a n ă n g ứ n g d ụ n g t r o n g n h iề u n g à n h ử V iệ t N a m Iiliiiìm l i i ẹ i i

n a y c á c c ơ sở t r o n g n ư ớ c m ớ i b ắ t đ ầ u n g h iê n cứ u v à c h ư a c h ế tạ o ra R ỏ h ố l co'

c ấ u s o n g s o n g c ụ th ổ D o v ậ y m ụ c đ íc h c ủ a đ ề tà i d ặ t ra là I h i ế t k ế R o b o t ca

c ấ u SOI IU s o n g ứ n g ( lụ n g t r o n g th ự c tế Đ ể th ự c h iệ n đ ề tà i, tá c g iả đ ã k c l h ọ p

v ớ i n h ó m n g h iê n c ứ u th u ộ c P h ò n g C ơ đ iệ n tử - V iệ n C ơ h ọ c t lu iộ c t n m u tâ m

Hình 3-1 H ình dọng chi tiết gia công

I I i ộ n n a y , v iệ c g ia c ô n g k h u ô n m ẫ u th ư ờ n g đ ư ợ c th ự c h iệ n t iê n m á y C N C

n h u n g c ó n h iề u c h i t i ế t v iệ c g ia c ô n g k h ô n g (h ự c h iệ n đ ư ợ c lio ặ c lliự c lii ệ n

c h o c á c ứ n g d ụ n g k h á c

R o b o t CƯ c ấ u s o n g s o n g c ó c ấ u t r ú c d ộ n g h ọ c d ạ n g c h u ỗ i k í n T u y n h iê n l i o n g lliự c t ế t u y v à o lừ n g k h ả n ă n g c ủ a m ỗ i lo ạ i R o b o t , s ố b ậ c lự đ o C íiii llũ ế t m à

c ấ u t r ú c R o b o t c ơ c ẩ u s o n g s o n g t h a y đ ổ i th e o : T r i p o d (3 b ậ c tự đ o ) , I le x í tp o t l (6 bẠ c tự d o ) , v ớ i h ì n h d á n g k í c l i th ư ớ c k h á c n h a u T r o n g đ ề tà i c liọ n c â u trú c R o b o t m ô p h ỏ n g là 6 b ậ c tụ đ o ( ỉl e x a p o c ỉ ) v ớ i v a i t r ò b ộ gá c ủ a k h u ô n

m ẫ u Ir ê n m á y p h a y g ia c ô n g CƯ k h í v ớ i c á c n g u y ê n n h â n c h í n h s a u :

ỉ l e x a p o d là c ơ c ấ u s o n g s o n g v ớ i p h á n là m v iệ c ( p l a t f o r m ) c ó 6 b ậ c lự

d o (3 c h u y ể n d ộ n g t ịn h tiế n v à 3 c h u y ể n đ ộ n g x o a y q u a n h 3 tr ụ c )

I le x a p o d c ó k ế t c ấ u k h á c ũ n g v ũ n g ( v ì c ó 6 c h â n c u n g c h ịu u ii) ra l p h ù liự p v ớ i v a i t r ò d ụ n g c ụ c ắ t, tạ o h ìn h c á c b ề m ặ t p h ứ c lạ p

V iệ c đ iề u k h iể n H e x a p o d sẽ m a n g t í n h tổ n g q u á t, d ầ y đ ủ v à p l i i i c lạ p

h ơ n s o v ớ i c á c lo ạ i b ậ c tự d o n h ó tạ o đ iề u k iệ n , tiề n d ề p h á t Iiirn v iệ c

s e rv o , b ộ t r u y ề n đ ộ n g v à c ụ m CƯ c ấ u t r ụ c v í t - c líii ố c h i C á c c liâ n

Trong phần này, luận văn dề cập đến một sô phương pháp về nuil lý lliuyèỉ xác địnli các đặc tính động lực học của Hexapod để làm tiền để cho việc nubien cứu và đánh giá kết quả phương pháp mô phỏng trên máy tính cũng nhu iiiới

Động học chỉ quan tâm đến khía cạnh chuyển dộng (vị trí, vạn tốc, gia lốc) mà không dể ý đến các lực hoặc các moment gây ra các chuyển động đó l)o vậy động học chỉ quan tâm đến các đặc trưng hình học và thời gian của chuyển động Các toạ độ suy rộng của Robot có quan hệ với vị trí và hướng của thành phần thực hiện cuối bằng các ràng buộc tại các khớp Các quan hệ động học

liến hành theo hai phương pháp: phân tích động học và tổng hợp động học Phân tícli động học quan tâm đến việc đưa ra các chuyển động, tương dối tron ụ các liên kết khác nhau của một cấu hình Robot nhất định Có hai chum, bài toán pliíui tích động học: dộng học thuận và dộng học ngược Bài toán đạt ra khi cần úm tất cả các tập có thể của các toạ độ suy lộng của cơ cấu chấp hành

và các đạo hàm thời gian tương ứng của chúng mà có thể làm cho khâu chuyển dộng cuối đạt được các vị trí và hướng theo các đặc tính chuyên dộng mong muốn Ỉ3ài toán này dược gọi là bài toán động học ngược (4 2) Mặt khác, đôi khi ta có thể nhận được giá trị các toạ độ suy rộng của các cơ cấu chấp hành và các dạo hàm tlico thời gian của chúng thông qua các bộ cảm biến và chúng ta muốn tìm tất cả các tập có thể của các vị trí, hướng và các dạo liàni theo thời gian của khâu chuyển dộng cuối Bài toán này dược uọi là động học thuận (4-I) Cả hai bài toán này đều có thể giải (lược lumg các phương pháp phân tích khác nhau như: phân tích véctơ hình học, ma trận đại số

Phương trình động học chung của Robot:

q: toạ độ suy rộng của Robot

Từ quỹ dạo chuyển dộng cho trước của Robot, cho bài toán động học ngược ta

có hàm:

Động lực học quan tâm đến lực và moment cần thiết dể làm cho l)ệ nhiều vật chuyển động theo yêu cầu Động lực học của Robot là một vấn đổ lất phức tạp

và bao gồm cả các trọng lực Khi khâu chuyển dộng cuối cần dược dẫn di theo một quỹ dạo nhất định tlico một chuyển dộng có đặc tính cho trước, cần tác động vào các khớp của các cơ cấu chấp hành một tạp các lực và moment Các hàm lực và moment đỏ không chỉ phụ thuộc vào các dặc (ruìig không gian và thời gian mà còn phụ thuộc vào các đặc tính khối lượng của các lien kết, cơ câu chấp hành, khối lượng tải và ngoại lực tác động ((4-3))

Bài toán động lực học Robot nhìn chung được mô tả theo pill rơn ÍĨ trình:

q: Toạ độ suy rộng

Q a: Lực suy rộng

ẽ a b : Ma trận khối lượng suy lộng

^abc '■ Các lực Criolis và lực ly tâm suy rộng

Phân tích động lực học quan tâm đến việc thiết lập các phương trình chuyển động của một Robot nhất định Khi có một tập các hàm lực và moment của các cơ cấu chấp hành ta cần tính toán chuyển động của khâu chuyển dộng cuối như là một hàm của thời gian - dây là bài toán động lực học trực tiếp Bài toán động lực học Iigược là cần tìm tập các lực và moment tác dộng tại các cư cấu chấp hành để đảm bảo khâu chuyển động cuối di chuyển di chuyển thao một hàm theo thời gian cho trước Hiện nay có một số phương pháp phan lích như các phương trình Newton-Euler, các phương trình chuyển động Lagrange hay phương pháp Kane có thể được áp dụng để giải các bài toán dộng lực học Robot

4.2 Co sỏ lý thuyết động học và động / ụ t I ì ọ c H exapod

4.2.1 Phân tích động học Hexapod

Trong thiết k ế Robot, ta quan lâm đến việc đảm bảo bệ di động mang dầu (lao gia công hoặc chi tiết chuyển động theo một quĩ đạo và dặc tính chuyển động

xác định đặc trưng chuyển động của các cơ cấu chấp hành và các dạo hàm thời gian tưưng ứng của chúng Do vậy bài toán động học ngược trở nên ral quan trọng trong việc điều khiển Robot theo thời gian thực Trong nghiên cứu ITexapod, các toạ độ suy rộng được chọn là chuyển dộng của các khớp trượt trên mõi chân (các cơ cấu chấp hành)

Theo câu trúc dã dược lựa chọn ở pliđn 3.2 dạng 6-tlof, 6SPS I Icxapocl bao gồm 6 khớp tnrợt (chân), mỗi (lầu của mộl khớp (rượt liên koi với bệ (li dòng

và clế thông qua một khớp cầu tương ứng Nhu' vû> hộ có 14 kliílu đưực lien kết bởi 6 khớp trượt và 12 khớp cầu Sô bậc tự đo của hệ là 13 1:

F = Ả ( n - j - 0 + Ẹ / , = 6(14 - 1 8 - I) + (6 + 3*12) = 12 (4.4)

/

r[\iy nhiên do có 6 bạc tự do phụ thuộc liên kết với 6 chân SPS nên sô bậc lự

do của hệ là 6 Ta thấy rằng, có thể thay 6 chân dạng SPS bằng 6 chân chum SPU mà vẫn không ảnh hưởng đến số bậc tự do của hệ

Do các chân được nối với bệ đi động và đ ế thông qua các khứp cầu đo vậy không có moment xoắn hoặc moment uốn được truyền đến các chân Các lực tác (lộng lên mỗi chân được hướng theo đường tâm của chân Các chân (khớp trượt) di chuyển theo một bậc tự do theo đường tâm di qua tân ì liai kl lóp cấu

và chiều dài chùn đuực xác định qua tâm hai khớp cầu đó

4.2.1.1 Phân tích lùn/ì học Hexapod

Đổ đặt bài toán phân tích hình học Hexpaod, ta dựa trên cấu trúc của I lexpod

dã được lựa chọn dạng 6-dof, 6SPS như trong 3.2 theo vị trí và hướng thực của

bệ di động Hầu hết các phương pháp đều sử dụng ba toạ độ vị trí của một điểm cô định trên bệ di động và ba góc quay thể hiện hướne; của điểm dó Hình 4-1 mô tả sơ clồ và các hệ toạ độ của Hexapođ Trên dế uắn liẹ to ạ (lộ

{lì} và trôn bệ di dộng gắn hệ toạ độ {P}. Các vectơ tham chiếu trên hộ loạ (lộ

vectơ nq :

và các góc quay ụ/, 0, (Ị) theo các trục A, V, z tương ứng Mỏ liìnlt 1 lình lioc CIU1

1 lexapod được xác định theo 12 toạ độ khớp trên d ế và bệ di động:

íIong dỏ /, J , K l à các cosill chỉ phưưng: véctơ đưn vị theo trục: x r có các l l t à n l i

ỤXJ Jz) trong hệ toạ độ {B}, và véctơ đơn vị dọc theoZp có các thành phần (Kx

Ky K.) trong hệ toạ độ {B} ; y/, 0, ộ \à các tham số góc quay (còn được gọi là các góc quay Euler) lần lượt theo các trục z, X , z tương ứng: l n r ứ n g c u a hệ toạ

độ {P} có thể nhận được bằng cách đầu tiên quay hệ toạ {13} một g ó c ộ t l i c o

z của hộ toạ độ mới nhận nliư trong Hình 4-3

H ình 4-3 So đồ quay theo các góc Elder theo ZA Z

vào trong các vectơ như sau:

Vứi bài loán phân tích động học ngược, ta dã biết vị trí của bọ (li (lộng lức l;'i

l'il (4-12) la xác định chiều dài chân thứ i theo công thức sau:

L ,= ± 4 ^ + v * Â , ' p , ï rk ç + v , * , , 4 / = / ( 4-' <!