Hcmute thiết kế và chế tạo robot song song đa dạng delta sử dụng trong việc phân loại sản phẩm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG DELTA SỬ DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM Mã số: T2013-28TÐ Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 12/2013 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG TRỌNG ĐIỂM THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG DELTA SỬ DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM Mã số: T2013-28TĐ Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Nguyễn Trƣờng Thịnh TP HCM, 12/2013 Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG TRỌNG ĐIỂM THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG DELTA SỬ DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM Mã số: T2013-28TĐ Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Nguyễn Trƣờng Thịnh Thành viên đề tài: PGS.TS Nguyễn Ngọc Phƣơng ThS Tƣởng Phƣớc Thọ TP HCM, 12/2013 Luan van DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG DELTA SỬ DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM Cá nhân phối hợp thực Họ tên PGS.TS Nguyễn Trƣờng Thịnh Đơn vị công tác lĩnh vực chuyên môn Nội dung nghiên cứu cụ thể giao ĐH SPKT – BM CĐT Thiết kế phận điều khiển ĐH SPKT – BM CĐT Chế tạo phần khí máy PGS.TS Nguyễn Ngọc Phƣơng Tên đơn vị nƣớc Nội dung phối hợp nghiên cứu Họ tên ngƣời đại diện đơn vị Thời gian thực hiện: 2/2013 – 12/2013 i Luan van Mục lục DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH i Mục lục ii DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU vii PHẦN 1: MỞ ĐẦU I TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI Ở TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC I.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc I.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc II TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI III MỤC TIÊU ĐỀ TÀI IV ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU V PHẠM VI NGHIÊN CỨU VI NỘI DUNG NGHIÊN CỨU PHẦN 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN 10 Chƣơng 1: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CƠ KHÍ 10 1.1 Các phƣơng án thiết kế truyền động cho robot 10 1.1.1 Phƣơng án 10 1.1.2 Phƣơng án 11 1.1.3 Phƣơng án 11 1.1.4 Lựa chọn phƣơng án chuyển động tối ƣu 13 1.1.5 Tính số bậc tự cho kết cấu robot 13 1.2 Mô kết cấu robot 14 1.3 Lựa chọn cấu truyền động 17 1.4 Chọn động thông số truyền cho robot 18 1.5 Phân tích động học, Jacobi động lực học cho robot cấu hình song song 20 ii Luan van 1.6 Động học thuận 20 1.7 Động học nghịch 22 1.8 Chuyển động vi phân (chuyển động Jacobi) 24 1.9 Động lực học 25 Chƣơng 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN ĐIỆN 28 2.1 Các thiết bị điện động lực hệ thống: 28 2.1.1 Bộ điều khiển trung tâm 29 2.1.2 Driver động (Motor) 29 2.1.3 Các thiết bị điện khác 29 2.2 Thiết kế mạch điện điều khiển trung tâm 30 2.2.1Tổng quan mạch điều khiển 30 2.2.2 Các module mạch điều khiển trung tâm 30 2.3 Cấu trúc điều khiển 34 2.3.1 Tổng quan điều khiển 34 2.3.2 Sơ đồ tổ ng quát về nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng của bô ̣ điề u khiể n 35 2.4 Vi điều khiển 37 2.4.1 Tổng quan vi điều khiển 37 2.4.2 Các module vi điều khiển 37 2.4.3 Truyền thơng máy tính vi điều khiển 38 CHƢƠNG : QUỸ ĐẠO VÀ CẤU TRÚC PHẦN MỀM 43 3.1 Bài toán Quỹ đạo nội suy 43 3.1.1 Tổng quan toán quỹ đạo 43 3.1.2 Bài toán quỹ đạo robot song song 44 3.1.3 Bài toán nội suy 48 3.2 Cấu trúc phần mềm 52 CHƢƠNG : XỬ LÝ BÁM VẬT TRÊN BĂNG CHUYỀN 56 4.1Các phƣơng án phát hiên vật băng chuyền chuyển động 56 4.1.1 Sử dụng cảm biến 56 4.1.2Camera thu nhận xử lý ảnh xác định vị trí vật 57 4.2 Giới thiệu ứng dụng xử lý ảnh phục vụ hoạt động robot 57 4.3 Cấu trúc hệ thống 58 iii Luan van 4.4 Quá trình xử lý ảnh cho việc phân loại bám vật băng chuyền 59 4.4.1 Mơ hình hệ thống robot song song Delta 59 4.4.2 Thu nhận ảnh nâng cao chất lƣợng ảnh 60 4.4.3 Phân đoạn ảnh để phân loại xác định đối tƣợng 61 4.4.4 Xác định vị trí đối tƣợng thuật tốn dán nhãn (labeling) 63 4.4.5 Tính diện tích tâm vật 66 4.6 Lƣu đồ trình robot gắp sản phẩm 67 CHƢƠNG : KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM 69 5.1 Các phận cấu trúc khí 69 5.2 Hệ thống điều khiển 71 5.3 Hệ thống camera phát bám vật 75 5.4 Giao diện điều khiển 76 5.5 Robot song song Delta 77 PHẦN : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84 I KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC 84 II KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 Phụ lục 1: Bài báo khoa học Phụ lục 2: Bản thuyết minh đƣợc phê duyệt Phụ lục 3: Tính số bậc tự cấu Phụ lục 4: Động học thuận Phụ lục 5: Động học nghịch Phụ lục 6: Động Lực Học Robot Phụ lục 7: Chuyển động vi phân (chuyển động Jacobi) iv Luan van DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Đặc điểm phƣơng án di chuyển robot 12 Bảng 1.2: Thông số khối lƣợng phận robot 14 Bảng 2.3: Mô tả chân cổng COM máy tính 40 Bảng 5.4: Kết thử nghiệm hệ thống camera 76 Bảng 5.5: Thông số kỹ thuật Robot 79 Bảng 5.6: Kết thực nghiệm robot gắp sản phẩm 81 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT MPa Mega Pascal USART The Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter D.O.F Degree of Freedom v Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Đơn vị: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG DELTA SỬ DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM     Mã số: T2013-28TD Chủ nhiệm: ThS Tƣởng Phƣớc Thọ Cơ quan chủ trì: Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM Thời gian thực hiện: từ 2/2013 đến 12/2013 Mục tiêu: Mục tiêu đề tài thiết kế chế tạo robot song song chân bậc tự dựa nguyên lý Delta Platform cho mục đích phân loại thực phẩm kết hợp với việc xử lý ảnh, có khả đáp ứng nhanh dây chuyền đóng gói sản phẩm Tính sáng tạo: Kết hợp với hệ thống xử lý ảnh để tạo thiết bị công nghệ cao để tiến tới làm chủ công nghệ cao lĩnh vực chế biến thực phẩm Kết nghiên cứu: Robot song song chân bậc tự dựa nguyên lý Delta Platform cho mục đích phân loại thực phẩm Sản phẩm: Robot song song chân bậc tự với tính nhƣ sau : Mơ hình Robot song song Thơng số kỹ thuật Độ xác, Khả lặp lại vị trí Tốc độ đáp ứng Khơng gian làm việc Các trục hoạt động Khả tải Kích thƣớc máy Số bậc tự 01 0.1mm chu kỳ/ giây Đƣờng kính 200 mm x 60 mm trục kg 1.5 x 1.5 x 1.8 m dof (x,y,z,Ф) Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: Khả áp dụng vào thực tiễn đề tài cao Địa ứng dụng: Các doanh nghiệp sản xuất bán, kẹo, thực phẩm Ngày tháng năm 2013 Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) Cơ quan chủ trì (ký, họ tên, đóng dấu) vi Luan van INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information: Project title: DESIGN AND DEVELOPMENT DELTA-PLATFORM ROBOT FOR SORTING FOOD Code number: T2013-28TD Coordinator: Tƣởng Phƣớc Thọ Implementing institution: The University of Technical Education Ho Chi Minh City Duration: from 2/2013 to 12/2013 Objective(s): Finding out technology design and manufacturing Delta Platform Robot that is able to sorting food Creativeness and innovativeness: Creating the ability to develop delta-platform parallel robot can be used in food processing industry Combine with image processing system to create high-tech equipment in the field of food processing Research results: Delta-platform parallel robot can be used in food processing industry Products: Delta-platform parallel robot with specification: Parallel Robot Specification Accuracy Workspace Number of axis Payload Force End effector Dimension Number of D.O.F 01 0.1 mm Đƣờng kính 200 mm x 60 mm kg 40 N 1.5 x 1.5 x 1.8 m dof (x,y,z,Ф) Effects, transfer alternatives of research results and applicability: The application field of the subject is very large Address applications: Food processing company vii Luan van Phụ lục 5: Động học nghịch Theo số tài liệu tham khảo [1], [2]…………….từ ta giải tốn động học nghịch robot song song cấu hình Delta sau: x O da xi y Fi q1 i z yi Fi zi L2 L2 Ji q3 i Ji q 2i L1 L1 rb A Bi Bi Hình P4.1: Mơ hình cánh tay robot (cánh tay 1) Từ ký hiệu thơng số (hình P4.1) ta tính tốn toán động học nghịch robot sau: Đặt r = - rb Giá trị góc quay động thứ 1(cánh tay 1) phụ thuộc vào hệ phương trình sau:  X A  L2 cos q1  L1 sin q3 cos(q1  q )  r  X A  L2 cos q1  r  L1 sin q3 cos(q1  q ) (1)   (2)  YA  L1 cos q3 YA  L1 cos q3 Z  L sin q  L sin q sin(q  q )  d  Z  L sin q  d  L sin q sin(q  q ) (3) 1 A A  A  A (I) Bình phương hai vế hệ phương trình (I) ta phương trình sau:  ( X A  L2 cos q1  r )2  YA2  (Z A  L2 sin q1  d A )2  L12 (4)  X A2  ( L2 cos q1 )2  r  X A L2 cos q1  X Ar  L2 r cos q1  YA2  Z A2  ( L2 sin q1 )2  d A2  2Z A L2 sin q1  2Z Ad A  2d A L2 sin q1  L12   X A2  YA2  Z A2  L2  L12  r  d A2  X Ar  2Z Ad A 2 X A L2 cos q1  L2 r cos q1  2Z A L2 sin q1  2d A L2 sin q1   X A2  YA2  Z A2  L22  L12  r  d A2  X Ar  2Z Ad A  (2 X A  2r )L2 cosq1  2(Z A  d A )L2 sin q1  Đặt: (5) f1  X A2  YA2  Z A2  L22  L12  r  d A2  X Ar  2Z Ad A 94 Luan van f  (2 X A  2r ) L2 f3  2(Z A  d A ) L2 t  tan q1 cos q1  1 t2 1 t2 sin q1  2t 1 t2 Thay tất biến ta vừa đặt vào phương trình (5) ta phương trình sau:  f1  f 1 t2 2t  f3 0 1 t 1 t2 (6)  f1  f1t  f  f 2t  f3t   ( f1  f )t  f3t  f1  f     f32  ( f1  f )( f1  f )  f32  f 22  f12 Sau quy đồng giải phương trình (6) ta có nghiệm là: t  f3  f32  f 2  f12 f1  f Sau thay thông số đặt vào nghiệm tìm ta có góc quay động sau:  q1  arctan(t )  q1  2arctan(t ) Từ hệ phương trình (I) ta có:  YA    L1  q3  arccos  Thay q1 ,q3 vào phương trình (2) hệ phương trình (I) ta có góc q Quay hệ trục tọa độ ban đầu quanh trục Z 1200 ta phương trình xác định điểm A(của tâm đế dưới) theo cánh tay thứ hệ phương trình sau: 95 Luan van  1 L1 cos q3  X A   r  L2 cos q1  L1 cos(q1  q ) sin q3  2 2   3 r L2 cos q1  L1 cos q3  L1 cos(q1  q ) sin q3 YA  2 2   Z A  L2 sin q1  L1 sin(q1  q ) sin q3  d A    1 L1 cos q3  X A  r  L2 cos q1   L1 cos(q1  q ) sin q3  2 2   3   YA  r L2 cos q1   L1 cos q3  L1 cos(q1  q ) sin q3 2 2   Z A  L2 sin q1  d A  L1 sin(q1  q ) sin q3    1 3  ( X A  r  L2 cos q1 )2  (YA  r L2 cos q1 )2  ( Z A  L2 sin q1  d A )2  L12 2 2 1  X A2  r  ( L2 cos q1 )  X A r  X A L2 cos q1  rL2 cos q1 4 3 YA2  r  ( L2 cos q1 )  3YA r  3YA L2 cos q1  L2 r cos q1 4 2 2  Z A  ( L2 sin q1 )  d A  2Z A L2 sin q1  2Z Ad A  2d A L2 sin q1  L12   X A2  YA2  Z A2  L2  L12  r  d A2  X Ar  3YAr  2Z Ad A ( X A L2  L2 r  3YA L2 ) cos q1  2( Z A  d A ) L2 sin q1  f1'  X A2  YA2  Z A2  L22  L12  r  d A2  X Ar  3YAr  2Z Ad A Đặt: f 2'  X A L2  2L2 r  3YA L2 f3'  2(Z A  d A ) L2 t  tan q1 cos q1  1 t2 1 t2 sin q1  2t 1 t2 1 t2 2t  f  f2  f 3' 0 1 t 1 t2 ' '  f1'  f1't  f 2'  f 2't  f3't   ( f1'  f 2' )t  f3't  f1'  f 2'     ( f3' )2  ( f1'  f 2' )( f1'  f 2' ) 96 Luan van  ( f3' )2  ( f 2' )2  ( f1' )2 t   q1  f3'  ( f3' )2  ( f 2' )2  ( f1' ) f1'  f 2'  arctan(t )  q1  2arctan(t ) => Giá trị góc quay cánh tay thứ Quay hệ trục tọa độ ban đầu quanh trục Z 2400 ta phương trình xác định điểm A(của tâm đế dưới) theo cánh tay thứ hệ phương trình sau:  1 L1 cos q3  X A   r  L2 cos q1  L1 cos(q1  q ) sin q3  2 2   3  r L2 cos q1  L1 cos q3  L1 cos(q1  q ) sin q3 YA   2 2   Z A  L2 sin q1  L1 sin(q1  q ) sin q3  d A     1 L1 cos q3  X A  r  L2 cos q1   L1 cos(q1  q ) sin q3  2 2   3   YA  r L2 cos q1   L1 cos q3  L1 cos(q1  q ) sin q3 2 2   Z A  L2 sin q1  d A  L1 sin(q1  q ) sin q3    2 => ( X A  r  L2 cos q1 )2  (YA  3 r L2 cos q1 )2  ( Z A  L2 sin q1  d A )2  L12 2 1  X A2  r  ( L2 cos q1 )  X A r  X A L2 cos q1  rL2 cos q1 4 3 YA  r  ( L2 cos q1 )  3YA r  3YA L2 cos q1  rL2 cos q1 4 2 2  Z A  ( L2 sin q1 )  d A  2Z A L2 sin q1  2Z A d A  2d A L2 sin q1  L12  X A2  YA2  Z A2  r  d A2  L2  L12  X A r  3YAr  2Z Ad A  3YA L2 cos q1  rL2 cos q1  X A L2 cos q1  rL2 cos q1  2Z A L2 sin q1  2d A L2 sin q1  2 Đặt: f1"  X A2  YA2  Z A2  r  d A2  L22  L12  X Ar  3YAr  2Z Ad A 97 Luan van f 2"  X A L2  2L2 r  3YA L2 f3"  2(Z A  d A ) L2 t  tan  f1"  f 2" q1 cos q1  1 t2 1 t2 sin q1  2t 1 t2 1 t2 2t  f3" 0 1 t 1 t2 Giải tương tự ta có: t  q1   f3"  ( f3" )2  ( f 2" )2  ( f1" ) f1"  f 2"  q1  2arctan(t ) => Giá trị góc quay cánh tay thứ 98 Luan van Phụ lục 6: Động Lực Học Robot Theo trang 388 sách “cơ sở nghiên cứu sáng tạo robot” – NXB Thống Kê Phương pháp lagrange dựa cân lượng hệ thống trạng thái chuyển động Trong trình làm việc, lượng hệ thống gồm: động năng, lượng ngoại lực tác dụng phải cân Hơn nữa, tay máy song song tồn tọa độ thừa, nghĩa số tọa độ n lớn số bậc tự cấu Với yếu tố trên, phương trình Lagrange có dạng: d  L  dt  q j k  L   Q j   i i với j   n   q j i 1  q j (1) Trong đó: - L - hàm Lagrange, T – tổng động năng, U – tổng hệ L  T U q  [q1 , q2 , qn ]T - vecto tọa độ tổng quát Q  [Q1 , Q2 , Qn ]T - vecto ngoại lực tác động lên di động i - hàm liên kết thứ i k - số hàm liên kết, hiệu số tọa độ n số bậc tự cấu i - nhân tử Lagrange Để thuận tiện cho trình giải, phương trình hệ (1) chia thành hai nhóm Nhóm chứa ẩn nhân tử Lagrange Nhóm chứa ẩn lực tổng quát cấu phát động sinh Giả thiết tọa độ thừa đầu có dạng: nk   q i 1 phương trình liên quan đến phương trình cịn lại liên quan đến biến khớp nhóm phương trình  k k i j  d  L  L ˆ     Qj dt  q  q (2) Trong Qˆ j - lực tổng quát sinh ngoại lực (nếu có) Đối với tốn ngược, Qˆ j biết, nên vế phải hệ (2) biết Hệ có trình với k k phương ẩn nhân tử Lagrange i Sau biết nhân tử Lagrange, lực phát động xác định nhờ nhóm phương trình thứ hai: Qj  d  L  dt  q j k  L    i i với j  k   n    q j i 1 q j (3) 99 Luan van q1i x i xi Ji Fi yi y a zi z dA b Bi xA A yA zA Hình P5.1: Cơ cấu robot song song dạng Delta có bậc tự tịnh tiến Phương trình (1) đại diện cho hệ phương trình có ẩn: ẩn nhân tử Lagrange: i  i  1, 2,3 ẩn lực phát động Q j với  j  4,5,6 Chú ý lực Q j với j  1, 2,3 thành phần x, y, z ngoại lực tác động trọng tâm A di động Có thể nhận hàm liên kết i với ý khoảng cách khớp J i Bi chiều dài b cánh tay dưới: i  J i Bi  b2  (4) Hay i  ( Ax  hci  rci  aci cq1i )2  ( Ay  hsi  rsi  asi cq1i )2  ( Az  asq1i )2  b2  với i  1, 2,3 Để đơn giản, giả thiết trọng tâm thân cánh tay nằm trục đối xứng đầu J , B Chúng ta xây dựng hàm Lagrange sau: Tổng động tay máy bằng: T  TA   (Tai  Tbi ) (5) i 1 Trong đó: TA - động di động Tai - rotor động khâu phát động 100 Luan van Tbi - động phần cánh tay thứ i TA  mA ( A x  A y  A z ) Tai  1 ( I m  ma a )q1i 2 Tbi  1 mb ( A x  A y  A z )  mb a 2q1i 2 Với: mA , ma , mb - khối lượng đế di động, cánh tay trên, phần cánh tay I m - momen quán tính hướng trục rotor gắn cánh tay Vậy ta có T bằng: 1 mA ( A x  A y  A z )  ( I m  ma a )(q112  q12  q132 ) 2 3  mb ( A x  A y  A z )  mb a (q112  q12  q132 ) 2 T 1 T  (mA  3mb )( A x  A y  A z )  ( I m  ma a  mb a )(q112  q12  q132 ) 2 Giả thiết gia tốc trọng trường hướng theo trục z Tương tự tay máy mặt phẳng cố định xOy sau: U  U A   (U  U bi ) (6) i 1 Trong đó: U A  mA gc Az U  ma gc asq1i (tính dựa vào trọng tâm cánh tay trên) Ubi  mb gc ( Az  asq1i ) Thay vào phương trình (6) ta có U bằng: U  mA gc Az  ma gc a(sq11  sq12  sq13 )  3mb gc Az  mb gc a(sq11  sq12  sq13 ) U  (mA  3mb ) gc Az  ( ma  mb ) gc a( sq11  sq12  sq13 ) 101 Luan van Thay biểu thức (5) (6) với i  1, 2,3 vào hàm Lagrange L ta nhận được: 1 (mA  3mb )( A x  A y  A z )  ( I m  ma a  mb a )(q112  q12  q132 ) 2 (mA  3mb ) gc Az  ( ma  mb ) gc a( sq11  sq12  sq13 ) L (7) Lấy đạo hàm Lagrange tương ứng với tọa độ tổng quát, ta nhận được: d  L  dt  A x   ,   (mA  3mb ) A x  L 0 A x d  L  dt  A y   ,   (m p  3mb ) A y  L 0 A y d  L  dt  A z   ,   (m p  3mb ) A z  L  (mA  3mb ) gc A z d  L  2     ( I m  ma a  mb a )q11 , dt  q11  L  ( ma  mb ) gc acq11 q11 d  L  2     ( I m  ma a  mb a )q12 , dt  q12  L  ( ma  mb ) gc acq12 q12 d  L  2     ( I m  ma a  mb a )q13 , dt  q13  L  ( ma  mb ) gc acq13 q13 Lấy dạo hàm riêng hàm liên kết i theo tọa độ tổng quát, ta được: i  2( Ax  hci  rci  aci cq1i ) Ax với i  1, 2,3 i  2( Ay  hsi  rsi  asi cq1i ) Ay với i  1, 2,3 i  2( Az  asq1i ) Az với i  1, 2,3 1  2a(s q11 ( Ax c1  Ay s1  h  r )  Az cq11 ) q11 i  với i  2,3 q11   2a(s q12 ( Ax c2  Ay s2  h  r )  Az cq12 ) q12 102 Luan van i  với i  1,3 q12 3  2a(s q13 ( Ax c3  Ay s3  h  r )  Az cq13 ) q13 i  với i  1, q13 Thay tất đạo hàm vào phương trình (2) (3), ta nhận hệ phương trình động lực học Với j  1, 2,3 ta có:   f 2 i ( Ax  hci  rci  aci cq1i )  (mA  3mb ) A x Ax (8) i 1   f 2 i ( Ay  hci  rci  aci cq1i )  (mA  3mb ) A y Ay (9) i 1   (m  3m ) g  f 2 i ( Az  asq1i )  (mA  3mb ) A z A b c Az (10) i 1 Trong f Ax , f Ay , f Az thành phần x, y, z ngoại lực đặt lên đế di động Với j  4,5, ta có: 1 1  ( I m  a  mb a )q11  ( ma  mb ) gc acq11  2a1[( Axc1  Ay s1  h  r )sq11  Az cq11 ] (11) 1   ( I m  a  mb a )q12  ( ma  mb ) gc acq12  2a2 [( Axc2  Ay s2  h  r )sq12  Az cq12 ] (12) 1   ( I m  a  mb a )q13  ( ma  mb ) gc acq13  2a3[( Axc3  Ay s3  h  r )sq13  Az cq13 ] (13) 103 Luan van Phụ lục 7: Chuyển động vi phân (chuyển động Jacobi) x O da xi y q1 i z yi Fi Fi zi Ji q3 i Ji q 2i rb A Bi Bi Hình P6.1 Với:  L2i  Fi J i , bi  L1i  J i Bi , Từ cấu chấp hành robot song song cấu (cơ cấu chấp hành Maryland) khai triển ma trận Jacobi khảo sát số cấu hình đặc biết Cơ cấu có bậc tự tịnh tiến Ta có phương trình vịng kín nhánh i là: OA  ABi  OFi  Fi J i  J i Bi (1) Lấy vi phân pt (1) theo thời gian: vA  1i   2i  bi (2) Với v A vận tốc tuyến tính bệ di động,  ji vận tốc góc khâu j nhánh thứ i Khâu Fi J i nhánh thứ , Khâu J i Bi nhánh thứ hai Trong vector đầu vào q  [q11 ,q12 ,q13 ]T vector đầu vA  [vAx , vAy , vAz ]T Tất tỷ suất khớp khác biến thụ động Để khử chúng, cần nhân hai vế pt(2) với bi : bi  vA  1i  (ai  bi ) (3) Biểu diễn vector phương trình (3) theo hệ tọa độ  xi , yi , zi  : cq1i  i  a 0   sq1i   sq3i c(q1i  q 2i )    i bi  b 0   sq3i s(q1i  q 2i )  0    i 1i  a  q1i  0    104 Luan van i v Ax ci  v Ay si    v A   v Ax si  vAy ci  v   Ax  Thay biểu thức vào pt(3) rút gọn: J ix vAx  J iy vAy  J iz vAz  asq2i sq3iq1i (4) Với Jix  c(q1i  q2i )sq3i ci  cq3i si J iy  c(q1i  q2i )sq3i si  cq3i ci J iz  s(q1i  q2i )sq3i Với ji  [ jix , jiy , jiz ]T vector đơn vị có hướng từ J i đến Bi tính hệ tọa độ cố định  x, y, z  Phương trình (4) viết ba lần theo i  1, 2,3 có phương trình vơ hướng, tổ hợp theo ma trận: J x vA  J q q (5) Với  j1x  J x   j2 x  j3 x  j1 y j2 y j3 y  sq 21sq31 J x  a   j1z   j2 z  j3 z  sq 22 sq32    sq 23 sq33  0 Trạng thái đặc biệt động học nghịch, từ pt (5), trạng thái đặc biệt động học nghịch xảy thỏa điều kiện sau: q2i   (6) q3i   (7) Trong i  1, 2,3 Về mặt vật lý, trạng thái thỏa pt (6) khớp nối nhánh khâu vào mặt phẳng trạng thái (7) xảy tất khâu cấu bốn khâu lề chứa nhánh đồng tuyến tính 105 Luan van Trạng thái đặc biệt động học thuận trạng thái xảy det( J x )  Tuy khó giải tất trạng thái đặc biệt khả dĩ, nhiều trạng thái cấu thỏa điều kiện nhận diện theo cách sau Mỗi hàng J x biểu thị vector đơn vị ji có chiều theo hướng khâu kép J i Bi cấu bốn khâu lề J x có trạng thái đặc biệt ba vector đơn vị trở nên phụ thuộc tuyến tính, nghĩa là: 1 j1  2 j2  3 j3  (8) Đối với vài giá trị thực 1 , 2 , 3 tất giá trị  Cấu hình thứ thỏa pt(8) vector đơn vị ji với i  1, 2,3 nằm mặt phẳng Ví dụ, ba cấu bốn khâu lề mặt phẳng song song với mặt phẳng Oxy, thành phần z phương trình (8) Do ln ln tìm giá trị 1 , 2 , 3 khác Trạng thái là: s(q11  q21 )sq31  s(q12  q22 )sq32  s(q13  q23 )sq33  (9) Phương trình (9) cho thấy cấu chấp hành trạng thái đặc biệt động học thuận tất nhánh bố trí theo điều kiện: q1i  q2i   Hoặc q3i   Với i  1, 2,3 , điều kiện q3i   trạng thái động học đặc biệt hỗn hợp Sự diễn dịch hình học điều kiện cấu chấp hành có trạng thái đặc biệt động học thuận cấu bốn khâu lề ba nhánh có mặt phẳng bệ di động tác động khơng thể chịu lực tác dụng lên bệ di động theo chiều z Kiểu cấu hình xảy a   b  rb Cấu hình thứ thỏa pt(8) hai liên kết nhánh song song với nhau, nghĩa là: ji   jk với i  k (10) Cơ cấu chấp hành chịu lực tác dụng lên mặt phẳng đế di động với ba liên kết nhánh phía song song với nhau, cần hai ba liên kết song song 106 Luan van Trạng thái đặc biệt hỗn hợp trạng thái xảy đồng thời thỏa hai điều kiện sau: (1) Dạng hình học đế di động đồng với đế cố định (2) Cả ba khâu ngõ vào vng góc với đế cố định  Ai Bi  Oi Ai  với i  1, 2,3 Bệ di động lúc nhận thêm bậc tự khâu đầu vào hồn tồn bị khóa, điểm P định vị bề mặt cầu có tâm cách phía tâm đế cố định đoạn a mặt khác bệ di động đứng yên, khâu đầu vào quay vi phân 107 Luan van Luan van ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG TRỌNG ĐIỂM THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG DELTA SỬ DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI... THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG DELTA SỬ DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI SẢN PHẨM Cá nhân phối hợp thực Họ tên PGS.TS... DỤC VÀ ĐÀO TẠO Đơn vị: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG DẠNG DELTA SỬ DỤNG TRONG VIỆC PHÂN LOẠI