Mô hình hoá và mô phỏng robot song song loại hexapod

Trang 1

Người HD khoa học: PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang

Ngày giao đề tài: 01 / 12 / 2007 Ngày hoàn thành:

PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Trần T.T Hải

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Học viên: Trần Thị Thanh Hải

Người HD khoa học: PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang

THÁI NGUYÊN 2008

Trang 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

2008

Trang 4

1.1.2.1 Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động 10

2.1.2.1 Chuyển động và trạng thái chuyển động 34

Trang 5

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.1.2.2 Chuyển động của thân trong SimMechanics 34 2.1.2.3 SimMechanics thay thế sự định hướng của thân 36

2.1.2.2 Thư viện các khối hạn chế và truyền động 40

2.1.2.5 Thư viện cơ cấu chấp hành và thiết bị đo 42

Chương 3- Khảo sát hoạt động của Robot song song loại Hexapod 71 3.1 Khảo sát hoạt động của Hexapod ở chế độ động học ngược 72

Trang 6

3.3.2.4 Khối điểm đặt trước 89

Trang 7

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn đã hoàn thành trong thời gian, mặc dù trong quá trình làm luận văn gặp rất nhiều khó khăn trong việc tìm kiếm thông tin và tài liệu nghiên cứu nhưng được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang đề tài đã đạt được một số kết quả sau:

- Nghiên cứu tổng quan về Robot nói chung và Robot song song nói riêng Đưa ra được mô hình toán học của đối tượng Hexapod (bậc tự do cơ cấu, phương trình động học ngược và một số thông số kỹ thuật của Hexapod)

- Tìm hiểu bộ công cụ SimMechanics trong Matlab / Simmulink với các ứng dụng của bộ công cụ này trong việc mô hình hoá các cơ cấu cơ khí Trên cơ sở đó tiến hành mô hình hoá Robot song song lo ại Hexapod bằng SimMechanics

- Khảo sát hoạt động của Robot song song loại Hexapod ở 2 chế độ động học ngược và động học thuận Xây dựng một số sơ đồ Simulink phục vụ mô phỏng toàn bộ hệ thống Hexapod khi muốn hệ thống được điều khiển theo một quỹ đạo định trước

Bên cạnh những kết quả đạt được, đề tài còn tồn tại một số hạn chế, tác giả mới chỉ đưa ra thuật toán điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển Hướng phát triển của đề tài là sẽ nâng cấp thuật toán điều khiển để đạt độ chính xác cao hơn trong quá trình điều khiển

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu làm luận văn Vì lý do thời gian, trình độ cũng như những hạn chế đã kể trên, luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến nhận xét, đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn

Xin chân thành cảm ơn!

Trang 8

KEYWORDS

Hexapod

Parallel Kinematic SimMechanics Spherical Prismatic

Trang 9

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Mặt nền di động chứa điểm tác động cuối End Effector

Trang 10

Hình 1.6 Một loại Robot sơn thực hiện đường dẫn liên tục 16

Hình 1.9 Thiết bị mô phỏng chuyển động do James Swinnett đăng ký sáng chế năm 1931

20

Hình 1.10 Robot sơn với kết cấu động học song song do V Willard, V.Pollard đăng ký sáng chế năm 1942

21

Hình 1.13 Thiết bị mô phỏng bay đầu tiên được thương mại hoá do Klan Cappel phát triển vào giữa những năm 60

23

Hình 1.15 Nguyên lý Hexapod ứng dụng trong thiết bị mô phỏng bay 24

Trang 11

Hình 1.21 Phân tích hình học các chi tiết của Hexapod 29

Hình 2.1 Hệ toạ độ toàn thể và hệ toạ độ tương đối

Hình 2.25 Bảng tham số khối Upper leg ở modul Orientation 59

Trang 12

Hình 2.26 Bảng tham số khối Lower leg 59

Hình 2.28 Mô hình hoàn chỉnh của Leg 1 trong SimMechanics 61

Hình 2.33 Mô hình SimMechanics hoàn chỉnh của Hexapod 65

Hình 3.2 Mô hình SimMechanics của Hexapod ở chế độ động học ngược

68

Hình 3.3 Cấu trúc chân Hexapod ở chế độ động học ngược 69

Hình 3.7 Bảng tham số khối Machine Environment đối với modul Constraint

72

Hình 3.10 Mô hình SimMechanics của Hexapod ở chế độ động học thuận

74

Trang 13

Hình 3.23 Đồ thị chuyển động của điểm tác động cuối End Effector 85

Trang 14

MỞ ĐẦU

Ý tưởng về những cơ cấu với các khâu động học song song đã xuất hiện và được thực hiện bởi Gough và Steward vào những năm 50 - 60 của thế kỷ XX Những cơ cấu loại này được gọi là nền tảng Steward - Gough Nền tảng Steward - Gough về cơ bản được sử dụng để mô phỏng Sau đó, vào năm 1983 Hunt đã đưa ra hệ thống nghiên cứu về cấu trúc động học song song Kể từ đó cấu trúc động học song song được nghiên cứu trên một phạm vi rất rộng lớn Chúng có ưu điểm là độ cứng vững cao hơn, khả năng chịu tải lớn hơn và quán tính thấp hơn cơ cấu động học nối tiếp

Thông thường một cơ cấu động học song song gồm một mặt nền di động (moving / mobile platform) và một mặt nền cố định được nối với nhau bởi các ch ân Về cơ bản số chân của Robot bằng số bậc tự do của cơ cấu Mỗi khâu làm việc với một bộ điều khiển

Còn ở Việt Nam, trong những năm gần đây, ở các cơ sở gia công cơ khí tại các nhà máy, xí nghiệp, trung tâm sản xuất vẫn còn sử dụng nhiều máy công cụ truyền thống Các máy này thường chỉ có 3 chuyển động phối hợp, vì vậy không thể gia công các sản phẩm có biên dạng phức tạp thay đổi trong không gian 3 chiều như khuôn mẫu có dạng trụ tròn, biên dạng cam để điều khiển, khuôn mẫu đột, dập, khuôn ép nhựa dùng cho sản xuất các vật dụng hàng ngày … Để giải quyết tình trạng này, các nhà máy phải lựa chọn 1 trong 2 phương án: mua máy CNC hiện đại để thay thế, tuy hơi đắt tiền Phương án thứ hai là cải tạo các máy công cụ truyền thống Từ đây, phương pháp ứng dụng Robot song song loại Hexapod được đưa ra để nghiên cứu, chế tạo

Đáp ứng nhu cầu của thực tế này, nhiệm vụ đề ra trong đề tài luận văn mang

tên “Mô hình hoá và mô phỏng Robot song song loại Hexapod” của em là đi sâu

Trang 15

chi tiết, nghiên cứu và phân tích cơ cấu động học song song với 6 bậc tự do Trên cơ sở đó xây dựng mô hình Simmechanics và khảo sát hoạt động của Robot Bước đầu đi vào xây dựng sơ đồ Simulink phục vụ điều khiển hoạt động của Robot theo một quỹ đạo cho trước

Được sự hướng dẫn của PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang, em đã tiến hành nghiên cứu và viết bản thuyết minh luận văn với 3 chương:

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về Robot

Chương 2: Mô hình hoá Robot song song lo ại Hexapod bằng bộ công cụ SimMechanics

Chương 3: Khảo sát ho ạt động của Robot song song lo ại Hexapod

Hoàn thành bản luận văn này em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, chỉ bảo của thầy giáo PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang

Mặc dù đã rất cố gắng song bản luận văn của em chắc chắn không tránh khỏi sai sót Kính mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo và góp ý của các bạn

Thái Nguyên ngày 01 tháng 06 năm 2008

Học viên Trần Thị Thanh Hải

Trang 16

CHƯƠNG I

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ROBOT

Trang 17

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT

1.1.1 KHÁI NIỆM VỀ ROBOT

Các nhà khoa học đã đưa ra nhiều cách định nghĩa khác nhau về Robot như: “Robot là một tay máy nhiều chức năng, thay đổi được chương trình hoạt động, được dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng” (Schlussel, 1985) hay “Robot công nghiệp là những máy, thiết bị tổng hợp hoạt động theo chương trình có những đặc điểm nhất định tương tự như ở con người”; rộng hơn nữa M.P.Groover đưa ra định nghĩa về robot không dừng lại ở tay máy mà mở rộng cho nhiều đối tượng khác có những đặc tính tương tự con người như suy nghĩ, có khả năng đưa ra quy định và có thể nhìn thấy hoặc cảm nhận được đặc điểm của vật hay đối tượng mà nó phải thao tác hoặc xử lý, đó là “Robot công nghiệp là những máy hoạt động tự động được điều khiển theo chương trình để thực hiện việc thay đổi vị trí của những đối tượng thao tác khác nhau với mục đích tự động hoá các quá trình sản xuất”

Sự thống nhất trong tất cả các định nghĩa nêu trên ở đặc điểm “điều khiển theo chương trình” Đặc điểm này của robot được thực hiện nhờ sự ra đời của những bộ vi xử lý (microprocessors) và các vi mạch tích hợp chuyên dùng được là “chip” trong những năm 70

Không lâu sau khi xuất hiện robot được điều khiển theo chương trình, người ta đã thực hiện được những robot tự hành Hơn nữa, với những bước phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử và tin học, hiện nay người ta đã sáng tạo nhiều robot cảm xúc và có khả năng xử lý thông tin Do đó định nghĩa robot cũng có những thay đổi bổ sung

Những robot hay tay máy dùng các cơ cấu cam trong hệ thống điều khiển có được thừa nhận hay không là không quan trọng; điều quan trọng là chúng đã đóng vai trò đáng kể trong việc tự động hoá sản xuất ở các nhà máy Những robot, tay máy nói trên còn được gọi một cách hình tượng là “tự động hoá cứng”, ngược lại

Trang 18

với “tự động hoá linh hoạt”, mà đại diện của chúng là những robot được điều khiển bằng chương trình, thay đổi được nhiệm vụ thao tác đặt ra một cách nhanh chóng

Các Robot đóng góp vào sự phát triển công nghiệp dưới nhiều dạng khác nhau: tiết kiệm sức người, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng sản phẩm và an toàn lao động và giải phóng con người khỏi những công việc cực nhọc và tẻ nhạt Tất nhiên, trong tương lai còn nhiều vấn đề nảy sinh khi Robot ngày càng thay thế các hoạt động của con người, nhưng trong việc đem lại lợi ích cho con người, khám phá vũ trụ, và khai thác các nguồn lợi đại dương, Robot đã thực sự làm cho cuộc sống của chúng ta tốt đẹp hơn

1.1.2 PHÂN LOẠI ROBOT

Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản nhất của robot để giúp cho việc nhận xét được dễ dàng Robot thường được phân loại theo các yếu tố như: theo dạng hình học của không gian hoạt động, theo thế hệ robot, theo bộ điều khiển, theo nguồn dẫn động hoặc theo kết cấu

1.1.2.1 Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động

Để dịch chuyển khâu tác động cuối cùng của robot đến vị trí của đối tượng thao tác được cho trước trong không gi an làm việc cần phải có ba bậc chuyển động chuyển dời hay chuyển động định vị (thường dùng khớp tịnh tiến và khớp quay loại 5) Những robot công nghiệp thực tế thường không sử dụng quá bốn bậc chuyển động chuyển dời (không kể chuyển động kẹp của tay gắp) và thông thường với ba bậc chuyển động định vị là đủ, rất ít khi sử dụng đến bón bậc chuyển động định vị

Robot được phân loại theo sự phối hợp giữa ba trục chuyển động cơ bản rồi sau đó được bổ sung để mở rộng thêm bậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt Vùng giới hạn tầm hoạt động của robot được gọi là không gian làm việc

* Robot toạ độ vuông góc (cartesian robot):

Robot loại này có ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba chuyển động tịnh tiến

dọc theo ba trục vuông góc

Trang 19

* Robot toạ độ trụ (cylindrical robot):

Ba bậc chuyển động cơ bản gồm hai trục chuyển động tịnh tiến và một trục quay (hình 1.2)

* Robot toạ độ cầu (spherical robot):

Ba bậc chuyển động cơ bản gồm một trục tịnh tiến và hai trục quay (hình 1.3)

Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động, không gian làm việc và

sơ đồ động học của robot toạ độ vuông góc

sơ đồ động học của robot toạ độ trụ

Trang 20

* Robot khớp bản lề (articular robot):

Ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba trục quay, bao gồm cả kiểu robot SCARA (hình 1.4)

1.1.2.2 Phân loại theo thế hệ

Theo quá trình phát triển của robot, ta có thể chia ra theo các mức độ sau đây:

* Robot thế hệ thứ nhất

Bao gồm các dạng robot hoạt động lặp lại theo một chu trình không thay đổi (playback robots), theo chương trình định trước Chương trình ở đây cũng có hai dạng; chương trình “cứng” không thay đổi được như điều khiển bằng hệ thống cam

sơ đồ động học của robot toạ độ cầu.

sơ đồ động học của robot liên kết bản lề.

Trang 21

và điều khiển với chương trình có thể thay đổi theo yêu cầu công nghệ của môi trường sử dụng nhờ các panel điều khiển hoặc máy tính

Robot thế hệ này bao gồm các robot sử dụng cảm biến trong điều khiển (sensor - controlled robots) cho phép tạo được những vòng điều khiển kín kiểu servo

Đặc điểm:

Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy

Có thể tự ra quyết định lựa chọn chương trình đáp ứng dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến nhờ các chương trình đã được cài đặt từ trước

Hoạt động của robot có thể lập trình được nhờ các công cụ như bàn phím, pa-nen điều khiển

* Robot thế hệ thứ ba

Trang 22

Đây là dạng phát triển cao nhất của robot tự cảm nhận Các robot ở đây được trang bị những thuật toán xử lý các phản xạ logic thích nghi theo những thông tin và tác động của môi trường lên chúng; nhờ đó robot tự biết phải làm gì để hoàn thành được công việc đã được đặt ra cho chúng Hiện nay cũng đã có nhiều công bố về những thành tựu trong lĩnh vực điều khiển này trong các phòng thí nghiệm và được đưa ra thị trường dưới dạng những robot giải trí có hình dạng của các động vật máy Robot thế hệ này bao gồm các robot được trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh trong điều khiển (Vision - controlled robots) cho phép nhìn thấy và nhận dạng các đối tượng thao tác

Đặc điểm:

Có những đặc điểm tương tự như thế hệ thứ hai và thứ ba, có khả năng tự động lựa chọn chương trình hoạt động và lập trình lại cho các hoạt động dựa trên các tín hiệu thu nhận được từ cảm biến

Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tương đối lớn để giải các bài toán tối ưu với điều kiện biên không được xác định trước Kết quả của bài toán sẽ là một tập hợp các tín hiệu điều khiển các đáp ứng của robot

* Robot thế hệ thứ năm

Là tập hợp những robot được trang bị trí tuệ nhân tạo (artificially intelligent robot)

Trang 23

Đặc điểm:

Robot được trang bị các kỹ thuật của trí tuệ nhân tạo như nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tượng qua tiếp xúc, v.v để ra quyết định và giải quyết các vấn đề hoặc nhiệm vụ đặt ra cho nó

Robot được trang bị mạng Neuron có khả năng tự học

Robot được trang bị các thuật toán dạng Neuron Fuzzy/Fuzzy Logic để tự suy nghĩ và ra quyết định cho các ứng xử tương thích với những tín hiệu nhận được từ môi trường theo những thuật toán tối ưu một hay nhiều mục tiêu đồng thời

Hiện nay trong lĩnh vựcgiải trí, nhiều dạng robot thế hệ này đang được phát triển như robot Aibo - chú chó robot của hãng Sony hay robot đi trên hai chân và khiêu vũ được của hãng Honda

Nhật Bản là đất nước có số lượng robot sử dụng trong công nghiệp nhiều nhất thế giới Người Nhật có quan niệm khá khác biệt về robot so với các nước công nghiệp phát triển Theo Hiệp hội robot Nhật - JIRA (Japanese Robot Associasion), robot được chia thành sáu loại, theo mức độ thông minh như sau:

1- Robot hoạt động nhờ người điều khiển trực tiếp từng động tác, bằng pendant hay pa-nen điều khiển

2- Robot hoạt động theo chu trình cố định (fixed sequence robots)

3- Robot hoạt động theo chu trình thay đổi được (variable sequence robots): người điều khiển có thể dễ dàng chỉnh sửa trình tự hoạt động

4- Robot hoạt động theo chương trình vả lặp lại chương trình (playback robots): người điều khiển có thể lập trình cho robot trong chế độ huấn luyện (teaching mode)

5- Robot điều khiển theo chương trình số (numerically controlled robots) 6- Robot thông minh intelligent robots): robot có thể hiểu, nhận biết và tương tác với môi trường xung quanh

1.1.2.3 Phân loại theo bộ điều khiển

* Robot gắp - đặt

Trang 24

Robot này thường nhỏ và sử dụng nguồn dẫn động khí nén Bộ điều khiển phổ biến là bộ điều khiển lập trình (PLC) để thực hiện điều khiển vòng hở Robot hoạt động căn cứ vào các tín hiệu phản hồi từ các tiếp điểm giới hạn hành trình cơ khí đặt trên các trục của tay máy

* Robot đường dẫn liên tục

Robot loại này sử dụng bộ điều khiển servo thực hiện điều khiển vòng kín Hệ thống điều khiển liên tục là hệ thống trong đó robot được lập trình theo một đường chính xác Trong hệ thống điều khiển này, đường dẫn được biểu điễn bằng một loạt các điểm rời rạc gần nhau và được lưu vào bộ nhớ robot, sau đó robot sẽ thực hiện lại chính xác đường dẫn đó

1.1.2.4 Phân loại robot theo nguồn dẫn động

* Robot dùng nguồn cấp điện

Nguồn điện cấp cho robot thường là DC để điều khiển động cơ DC Hệ thống dùng nguồn AC cũng được chuyển đổi sang DC Các động cơ sử dụng thường là động cơ bước, động cơ DC servo, động cơ AC servo Robot loại này có thiết kế gọ n, chạy êm, định vị rất chính xác Các ứng dụng phổ biến là robot sơn, hàn

* Robot dùng nguồn khí nén

Hệ thống cán được trang bị máy nén, bình chứa khí và động cơ kéo máy nén Robot loại này thường được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng nhỏ có tay máy là các xy-lanh khí nén thực hiện chuyển động thẳng và chuyển động quay Do khí

Hình 1.5 Một dạng robot gắp đặt

Hình 1.6 Một loại robot sơn

thực hiện đường dẫn liên tục

Trang 25

nén là lưu chất nén được nén robot loại này thường sử dụng trong các thao tác gắp đặt không cần độ chính xác cao

* Dùng nguồn thuỷ lực

Nguồn thuỷ lực sử dụng lưu chất không nén được là dầu ép Hệ thống cần trang bị bơm để tạo áp lực dầu Tay máy là các xy - lanh thuỷ lực chuyển động thẳng và quay động cơ dầu robot loại này được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng lớn

1.1.2.5 Phân loại theo kết cấu động học

* Robot nối tiếp

Trong một cấu trúc động học nối tiếp thông thường thì tất cả các trục chuyển động được bố trí nối tiếp với nhau Mỗi khâu động là một vật rắn chỉ được liên kết hay nối động với một khâu khác nhờ các khớp động Các loại khớp thường được sử dụng là những khớp chỉ cho phép thực hiện một chuyển động tương đối giữa hai khối liên kết Ví dụ, trục xoay đầu tiên đỡ trục xoay thứ hai, trục xoay thứ hai lại đỡ trục chuyển động thẳng Mỗi trục tiếp theo sẽ làm cho kết cấu có thêm một bậc tự do Vì vậy thông thường cơ cấu có bao nhiêu khâu động thì sẽ có bấy nhiêu bậc tự do Đây là một chuỗi động học hở với một khâu cố định gọi là đế và các khâu động Mỗi động cơ sẽ phải tải khối lượng của các bộ phận và động cơ ở phía sau

Hình 1.7 Cấu trúc nối tiếp

Trang 26

Bởi vậy với yêu cầu ngày càng cao đối với tính chất động lực của máy sẽ sinh ra một số hạn chế: nếu sử dụng động cơ với công suất lớn hơn và để kết hợp tăng thêm sức bền thì khối lượng cần điều khiển chuyển động sẽ tăng lên Điều này dẫn đến phải tăng công suất động cơ, mà tăng công suất động cơ lại gắn liền với việc tăng khối lượng, cứ tiếp tục như vậy

* Robot song song

Robot loại này có thể xem như một chuỗi động học kín, ở đó mỗi khâu luôn luôn được liên kết với ít nhất hai khâu khác

Thực ra cơ cấu động học song song không có những cấu kiện song song với nhau theo ý nghĩa hình học Mà trong cấu trúc động học song song tất cả các trục chuyển động sẽ tác động trực tiếp hoặc gián tiếp lên bàn công tác cần chuyển động Để thực hiện một chuyển động theo ý muốn thì tất cả các động cơ đều phải hoạt động Như vậy sẽ xuất hiện chuỗi động học được gọi là động học kín- mà ở đó độ cứng của từng chuỗi riêng lẻ có tác dụng song song Trong loại kết cấu song song thuần tuý thì mỗi chuỗi chỉ nhận được đúng một động lực, cho nên số lượng của chuỗi khớp nối đúng bằng bậc tự do của cấu trúc Người ta gọi những cấu trúc mà trong một chuỗi khớp nối có nhiều động cơ là cơ cấu động học song song kết hợp (hybrid)

So với cơ cấu động học nối tiếp thì cơ cấu động học song song có một loạt ưu điểm Nổi bật là khối lượng cần chuyển động nhỏ cũng như những tính chất động học ưu việt Nếu chọn khớp nối thích hợp thì các chi tiết máy chủ yếu chỉ phải chịu tải nén hoặc tải kéo Đặc biệt cần nhấn mạnh là nếu so sánh với Robot công nghiệp thì chúng có độ chính xác lập lại cao hơn

Hình 1.8 Cấu trúc song song

Trang 27

Tất nhiên ở đây cũng có nhược điểm, ví dụ trường công tác tương đối nhỏ so với không gian cấu tạo, góc quay bị hạn chế một phần và bộ điều khiển tốn kém do phải chuyển đổi toạ độ Một nhược điểm nữa so với máy công cụ chính xác là độ chính xác định vị tuyệt đối còn quá thấp Trong việc phát triển và tối ưu hoá các chi tiết máy thích hợp như khớp Kardan, khớp cầu vẫn còn nhu cầu phải hành động

Các thiết bị gia công hiện đại ngày càng phát triển trở thành hệ cơ điện tử, gắn kết cơ học và điện tử với nhau và được làm cho “thông minh” Do đó kết cấu theo modul với nhiều đầu đo (sensor) và bộ phận hành động (actor) nên cơ cấu động học song song tạo ra cơ sở gần như lý tưởng cho những thiết bị sản xuất cơ điện tử Tuỳ thuộc vào kết quả khắc phục những nhược điểm còn tồn tại mà cơ cấu động học song song sẽ có cơ hội trở thành phương tiện sản xuất hiệu quả và không thể

không nghĩ tới trong kỹ thuật công nghệ

Trang 28

1.2 TỔNG QUAN VỀROBOT SONG SONG LOẠI HEXAPOD

1.2.1 VÀI NÉT CHUNG VỀ ROBOT SONG SONG

Trong khi những công trình lý thuyết về cơ cấu động học song song đã có từ hàng trăm năm nay thì những ứng dụng thực tế mới chỉ biết đến trong thế kỷ XX Cũng không rõ rằng hệ động học song song mô tả ở hình 1.2 có thực sự là hệ đầu tiên và đã được chế tạo hay không Chắc chắn hồi đó người phát minh ra nó - James Gwinnett - là một người đi tiên phong

Kết cấu động học song song không gian đầu tiên cho ứng dụng công nghiệp là Robot sơn có 5 bậc tự do, được thiết kế bởi L.W Willard Đáng tiếc là thiết kế này không bao giờ được thực hiện Năm 1934 Pollards Sohn, L.Willard và G Pollard đã đăng ký một sáng chế có cơ cấu được biểu diễn trên hình 1.3 cùng với bộ điều khiển điện; sáng chế được công nhận năm 1942 Việc thực hiện kỹ thuật c ho cơ chế này bị thất bại Thực ra công ty Devilis - sau này là nhà chế tạo Robot công nghiệp đầu tiên - đã mua bản quyền nhưng cuối cùng chỉ sử dụng bộ phân điều khiển

Hình 1.9 Thiết bị mô phỏng chuyển động do James Gwinnett

đăng ký sáng chế năm 1931 ( US Patent 1789680 )

Trang 29

Sau đó vài năm một cơ cấu động học song song được phát triển, trở thành nổi tiếng và được chế tạo hàng nghìn phiên bản: đó là thiết bị kiểm tra lốp dựa trên nguyên lý Hexapod (hồi đó đã nổi tiếng) của người Anh Eric Gough, nhân viên làm việc cho công ty Rubber Co Birmingham Mục đích của sự phát triển là có thể kiểm tra được tính chất của lốp máy bay trong những điều kiện tải hết sức khác nhau

Hình 1.10 Robot sơn với kết cấu động học song song do V Willard;

V Pollard đăng ký sáng chế 1942 ( US Patent 2.2286571)

Hình 1.11 Mặt bàn công tác Gough nguyên bản:

a) 1954 b) 2000

Trang 30

Năm 1965 D.Stewart mô tả trong tạp chí “Institution of mechmical Engineers - IMECHE” một bàn chuyển động cho thiết bị mô phỏng bay dựa trên cơ sở của cơ cấu song song Tuy nhiên thiết bị này không liên quan gì đến một nguyên lý mà ngày nay vẫn gọi là bàn công tác Steward (Steward Plattform)

Cùng thời gian đó, người Mỹ Klaus Cappel, một nhân viên của Franklan Institue Research Labratories ở Philadelphia với sự khích lệ của công ty United Technology đã phát triển một thiết bị mô phỏng bay cho máy bay lên thẳng và đăng ký sáng chế năm 1964 Trên cơ sở này, hàng chục năm tiếp theo nhiều hãng đã phát triển và chế tạo những thiết bị mô phỏng bay

Trong những năm 80 và 90 cơ cấu chuyển động song song được phát triển chủ yếu cho thiết bị vân hành và được sử dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp

Khởi xướng đầu tiên có sử dụng cơ cấu động học song song trong máy công cụ bắt nguồn từ Liên Xô cũ vào cuối những năm 70 (64, 65) ở viện kỹ thuật điện Novosibirsk Đầu những năm 90 đã xuất hiện nhiều phiên bản mẫu Vào cuối những

Hình 1.12 Steward Gough platform

Trang 31

năm 80 việc phát triển máy công cụ có kết cấu động học song song cũng được đẩy mạnh ở Mỹ (81)

Trong những năm tiếp theo do có sự hỗ trợ khá mạnh của chương trình nghiên cứu quốc gia và quốc tế nên luôn luôn có những phiên bản mẫu mới được phát triển, chế tạo và giới thiệu trên các hội chợ, hội thảo quốc gia và quốc tế Cho tới nay trên thế giới có một số máy gia công và thiết bị vận hành đã được xác nhận là tốt, góp phần tạo ra đột phá trong thực tế công nghiệp

Một số ứng dụng của Hexapod:

Hình 1.13 Thiết bị mô phỏng bay đầu tiên được thương mại hoá

do Klan Cappel phát triển vào giữa những năm 60

Trang 32

Hình 1.14 Quan sát giao thoa nhờ Hexapod

Hình 1.15 Nguyên lý Hexapod ứng dụng trong thiết bị mô phỏng bay

Trang 33

1.2.2 ROBOT SONG SONG LOẠI HEXAPOD

Hexapod theo ngô n ngữ Hy Lạp được hiểu là: “hexa” = 6, “po dus” = foot hay còn được gọi là Steward-Gough-Platform Nhìn chung c ấu trúc Hexapod bao gồm: mặt nền trên upper platform (mặt bàn gá phôi); c ác khớp (joints); 6 thanh dẫn động song song có thể thay đổi chiều dài và mặt nền dưới (lower platform).

Hình 1.17 Sơ đồ nguyên lý Hexapod đề tài lựa chọn Hình 1.16 Nguyên lý Hexapod ứng dụng trong y học

Trang 34

1.2.2.1 CẤU TRÚC HÌNH HỌC

Robot này có sáu chân (hình minh họa) Mỗi chân gồm chân trên (upper leg) và chân dưới (lower leg) Chân trên được gắn với mặt bàn gá phôi bởi một khớp xoay dạng bi Chân trên và chân dưới nối với nhau nhờ khớp trượt Thông qua sáu khớp trượt này, sáu động cơ truyền động cho robot Chân dưới có dạng hình trụ tròn rỗng trong không gian với mỗi đầu là một khớp xoay dạng bi gắn ở mặt nền cố định

Từ cấu trúc hình học của Hexapod, ta có sơ đồ khối các khớp của Hexapod là:

Hình 1.18 Sơ đồ khối các khớp của Hexapod

Trong đó các khớp có màu đậm là khớp chủ động (khớp được truyền động trực tiếp bởi động cơ), S (Spherical) đại diện cho khớp cầu, P (Prismatic) đại diện cho khớp trượt

1.2.2.2 MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA ĐỐI TƢỢNG HEXAPOD a, Bậc tự do

Xuất phát từ ý tưởng thiết kế đối xứng, với sơ đồ nguyên lý (hình 1.17) và sơ đồ khối các khớp (hình 1.18) của Hexapod, 6 thanh S-P-S cung cấp cho chúng ta tổng số bậc tự do là:

Trang 35

Trong đó: ni là số khớp

Sử dụng công thức tính bậc tự do của Chebychev - Grubler - Kutzbach trong

“Development of Reconfigurable Parallel Kinematic Machines using Modular Design Approach”cho một cơ cấu cơ khí:

g - tổng số khớp (joints) của cơ cấu Từ hình 1.18 ta thấy: g = 3*6 = 18 (joints)

Vậy số bậc tự do của End Effector là:

Dof = f + d (n - g -1)

nii=1

Trang 36

cùng với ma trận quay R Trong đó u, v, w là các vector đơn vị trong hệ toạ độ B(u,

Hình 1.20 Mô hình Robot Hexapod trong không gian

A4 A5

B1

B2

w

v u

Trang 37

với các phần tử của ma trận R phải thoả mãn đồng thời các điều kiện:

Ký hiệu ai = [aix, aiy, aiz] và bi b ,b ,biuiviw là các vector biểu diễn vị trí của tâm khớp xoay dạng bi Ai, Bi (với i = 1, 2, 3, 4, 5, 6) trong hệ toạ độ A(x, y, z) có thể viết phương trình vector vòng kín tương ứng với chân thứ i như sau:

= l l = p + R * b - a p + R * b - a

6A6B5B

Trang 38

Thay i = 1 6 ta thu được hệ 6 phương trình biểu diễn thế của mặt bàn gá phôi so với đế trong đó bi và ai là các vector hằng phụ thuộc vào kết cấu của tay máy

Vậy chiều dài của các chân được xác định bởi:

Đây chính là phương trình động học ngược của Hexapod

Lấy đạo hàm của li theo thời gian ta được tốc độ Nhưng vì chiều dài này lấy từ khớp cầu dưới Ai đến khớp cầu trên Bi nên tốc độ chuyển động của li cũng chính là tốc độ của khớp cầu trên Bi

Mặt khác, theo “ Model based control of a flight simulator motion system ” ta

Trang 39

c, Thông số kỹ thuật của Hexapod

Trên cơ sở sơ đồ nguyên lý cấu trúc Hexapod gồm mặt nền cố định nối với mặt nền di động thông qua 6 chân Hexapod, mỗi chân gồm chân trên và chân dưới, hai đầu có 2 khớp xoay dạng bi (hình 1.22) với thông số cụ thể như sau:

Chân trên của robot có chiều dài 1.0m, là ống rỗng tiết diện tròn đường kính 7mm, được làm bởi nhôm có bề dày lớp nhôm là 2 mm, khiến chúng khá nhẹ, khối lượng là 51.812g Mô men quán tính các chân trên quanh các trục là 24.169 kgm2

Chân dưới gồm 6 thanh đều là ống nhôm rỗng tiết diện tròn có đường kính 8mm, bề dày lớp nhôm là 3mm Chiều dài các thanh là 1m Phần thân ống có khối lượng 92.111g, mômen quán tính là 43.024 kgm2

; mỗi khớp cầu có khối lượng 10g, khớp trượt là 20g do đó toàn bộ khối lượng của chân là 183.923g

Mặt bàn gá phôi làm bằng nhôm, hình tròn bán kính 0.25m nặng 1216.9g Chân dưới

Chân trên

Khớp cầu dưới Khớp cầu trên

Hình 1.22 Sơ đồ nguyên lý chi tiết của Hexapod

Trang 40

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH HOÁ ROBOT SONG SONG LOẠI HEXAPOD

BẰNG BỘ CÔNG CỤ SIMMECHANICS