Tài liệu Thiết kế và chế tạo Robocrane doc

Đặng Văn Nghìn Bộ môn Cơ Điện Tử - Khoa Cơ Khí - Đại học Bách Khoa TPHCM Email: tdcthanh@dme.hcmut.edu.vn Tóm tắt Bài báo giới thiệu tổng quan RoboCrane và ứng dụng của cơ cấu song so

thiết kế và chế tạo ROBOCRANE

KS Từ Diệp Công Thành, PGS.TS Đặng Văn Nghìn

Bộ môn Cơ Điện Tử - Khoa Cơ Khí - Đại học Bách Khoa TPHCM

Email: tdcthanh@dme.hcmut.edu.vn

Tóm tắt

Bài báo giới thiệu tổng quan RoboCrane và ứng dụng của cơ cấu song song, ưu nhược của cơ cấu, khả năng làm việc, thiết kế và nêu một số giải pháp điều khiển RoboCrane bao gồm: Phân tích vị trí, phân tích Jacobian, phân tích lực tĩnh và độ cứng vững, phân tích động học, phân tích động lực học, thiết kế kết cấu chân và đưa ra một giải pháp điều khiển song song các cơ cấu chấp hành

Abstract

The paper introduces the general of RoboCrane and the application of parallel control mechanics Main terms are design compositions and lodge a solution to control RoboCrane Some main subjects are studied: Position Analysis, Jacobian Analysis, Statics and Stiffness Analysis, Kinematics Analysis, Dynamics Analysis, Design climb compositions and lodge a solution to parallel control actuators

tổng quan

Cần cẩu được dùng rất nhiều trong lĩnh vực sản xuất lớn nhưng khả năng sử dụng không

được rộng rãi trong những lĩnh vực đòi hỏi sự chính xác cao Để khắc phục điều đó, một loại cần cẩu mới đã ra đời, nó được điều khiển khống chế cả sáu bậc tự do bằng máy tính Cần cẩu đó được gọi là cần cẩu Robot hay là RoboCrane

RoboCrane được thiết kế dựa trên ý tưởng tay máy liên kết song song của Stewart Platform

sử dụng các dây cáp là phần nối song song và trục tời là bộ phận vận hành Sàn làm việc

được treo lơ lửng và giữ căng bởi sáu sợi dây cáp, tải trọng là lực cưỡng bức

Trong những năm gần đây, Viện Tiêu Chuẩn và Kỹ Thuật Quốc Gia Hoa Kỳ (NIST) đã nghiên cứu rất nhiều về RoboCrane vì RoboCrane là một cuộc cách mạng mới của cần cẩu

tự động, có thể điều khiển vị trí, tốc độ một cách chính xác theo cả sáu bậc tự do

Dưới đây là một số hình ảnh RoboCrane của NIST được áp dụng vào thực tế

(a) (b)

Hình 1: a) RoboCrane vận chuyển hàng hóa

b) RoboCrane xây cầu c) RoboCrane xây dựng dân dụng và kinh doanh d) RoboCrane hàn trong đóng tàu

2 PHÂN TíCH Vị TRí

- Xác định bậc tự do của cơ cấu

Một đầu của mỗi sáu sợi cáp của RoboCrane được nối với tấm di chuyển, khớp nối này

được xem như là khớp cầu Đầu dây còn lại nối với giá qua các puly, cũng được xem như là khớp cầu Độ dài của mỗi sợi dây được thay đổi bởi các động cơ Với độ dài của mỗi sợi dây khác nhau ta có thể tạo ra vị trí và hướng bất kỳ của tấm di chuyển trong không gian ở

đây có tổng cộng 14 khâu (6 sợi dây, 6 puly, giá và tấm di chuyển), 18 khớp, 6 bậc tự do thừa

Số bậc tự do của cơ cấu: F = λ(n-j-1) + Σfi – fp (1) Với:

λ : là bậc tự do của khâu bất kỳ trong không gian (λ=6)

n : là tổng số khâu trong cơ cấu

j : là tổng số khớp trong cơ cấu

fi : là tổng số bậc tự do của khớp trong cơ cấu

fp : là tổng số bậc tự do thừa của cơ cấu

Vậy F = 6(14 – 18 - 1) + (12x3 + 6x1) – 6 = 6

Như vậy bậc tự do của RoboCrane là 6, điều đó có nghĩa là nó có thể thực hiện các chuyển

động tịnh tiến theo phương x, y, z, xoay, gập, lắc (quay quanh trục x, y,z) Tuy nhiên trong phạm vi của bài báo thì RoboCrane được xây dựng theo yêu cầu tấm di chuyển phía dưới luôn luôn chuyển động trong mặt phẳng song song với mặt phẳng Oxy Từ yêu cầu đó ta xác định mô hình toán học của RoboCrane (hình 2)

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý Robocrane

- Ma trận xoay của RoboCrane

Với mô hình và yêu cầu làm việc của RoboCrane, ta có được ma trận xoay chuyển đổi tọa

độ giữa tấm di chuyển và giá Ma trận xoay có được từ việc xoay quanh trục Oz một góc υ Khi đó

ARB = cosθ -sinθ 0

3 BàI TOáN ĐộNG HọC NGƯợC

Đối với bài toán động học ngược thì độ dịch chuyển ∆, ma trận ARB và vị trí ban đầu po đã biết Ta phải tìm chiều dài các đoạn dây cáp tại điểm phân tích Từ mô hình của RoboCrane

ta xác định tọa độ các chân tại vị trí làm việc như sau:

A1 A2

A3 A4

A5 A6 a

B6 B1

B2 B3

B4 B5 b

X

Z O

4 Bài toán động học thuận biết,12(2.2(a)4898( phải xá)5.5-c )5.3(định )5.3(đ.2( )]TJ1TT12 135ậ)7152489 0 gs0 Tc0<0086>

Vector đơn vị si trong hệ tọa độ chân i được cho bởi si = [0, 0, 1]

Tọa độ si trong hệ tọa độ cố định được tính si = ARiisi (6)

Giải phương trình trên cho ta kết quả các góc υi, φi như sau

Từ đó các góc Euler của chân thứ i đã được xác định

5 PHÂNTíCH JACOBIAN Và Độ CứNG VữNG

Giả sử rằng sự thay đổi của sợi cáp chủ động được biểu diễn bởi vector q và vị trí của tấm

di chuyển được biểu diễn bởi vector x Khi đó các ràng buộc động học có thể được viết

dưới dạng tổng quát sau:f (x, q) = 0

ở đây f là một hàm ẩn của q và x, và 0 là vector 0

Đạo hàm phương trình theo thời gian, ta có quan hệ giữa giá trị vào là tốc độ khớp và giá trị

ra là vận tốc tác động đầu cuối như sau:

Phép lấy đạo hàm trên dẫn đến hai ma trận Jacobian độc lập

Nhóm các ma trận Jacobian lại, có thể viết như sau ở đây J = Jq-1.Jx

























θ

θ φ

θ φ

=

i

i i

i i

i

cos

sin

sin

sin

cos

s

i

Gọi f = [f1, f2, , f6] là vector lực của các chân, δq = [δd1, δd2, , δd6] là vector chuyển vị tại đầu của mỗi chân tương ứng Khi đó ta có thể liên kết δ

tác dụng của tải Cấu trúc nh− vậy cung cấp sức mạnh và độ cứng cực đại cho ROBOCRANE-2001

Về mặt điều khiển, ROBOCRANE-2001 đ−ợc điều khiển bằng máy tính thông qua mạch giao tiếp kết hợp với bộ điều khiển để đảm bảo khả năng quản lý các khâu động học độc lập và khả năng mở rộng port điều khiển, giám sát quá trình điều khiển

Kết quả thử nghiệm cho thấy tấm di chuyển đ−ợc điều khiển linh hoạt, chính xác và ổn

định theo yêu cầu của mô hình

TàI LIệU THAM KHảO

[1] K.S.FU, R.C.GONZALEZ, C.S.G.LEE, Robotics - International Edition 1987

[2] LUNG WEN TSAI - Robot Analysis - Department of Mechanical Engineering and

Institute for Systems Research University of Maryland - 1999

[3] T D BURTONM, Introduction to Dynamic Systems Analysis, McGraw-Hill, Inc

1994

[4] FRANCIS C MOON, Applied Dynamics With Applications to Multibody and

Mechatronics Systems, John Willey& Sons, Inc 1998

[5] K.S FU, R.C GONZALEZ, C.S.G LEE, Robotics Control, Sensing, Vision, And

Intelligene, McGraw-Hill, Inc 1987

[6] LORENZO SCIAVICCO, BRUNO SICILIANO, Modeling And Control of Robot

Manipulators, McGraw-Hill, Inc 1996

[7] DEVDAS SHETTY, RICHARD A KOLK, Mechatronics System Design, PWS

Publishing Company, 1997

50

60

85

40 20 20

120

3

4