phân tích động học và mô phỏng đồ họa robot song song không gian 3rps

Ch ơng I. Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại Chơng I : Tổng quan về Robot có cấu trúc song song 1.1 Giới thiệu chung về Robot 1.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển Robot Từ thập niên 50, cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển theo chơng trình số NC (Numerical Control) với sự hỗ trợ của các cơ cấu Servo và các hệ điện toán (Computation), ý tởng kết hợp điều khiển NC với các cơ cấu điều khiển từ xa đợc hình thành và triển khai nghiên cứu. Vào giữa những năm 50, bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí, đã xuất hiện các loại tay máy chép hình thủy lực và điện từ nh tay máy Minotaur I hoặc tay máy Handyman của General Electric. Năm 1954 George C.Devo đã thiết kế một thiết bị có tên là Cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo chơng trình. Đến năm 1956 Devol cùng với Joseph F.Engelber, một kỹ s công nghiệp hàng không, đã tạo ra loại Robot công nghiệp đầu tiên năm 1969 ở công ty Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm Robot đầu tiên này. Từ năm 1972 bắt đầu thời kỳ của các Robot thế hệ thứ hai: Robot đợc điểu khiển bằng máy tính có các cơ quan cảm xúc là các cảm biến liên hệ ngợc. Đại diện cho thế hệ này là Robot Shakey của viện nghiên cứu Stanford. Nó là sự thể hiện tổng hợp của các thành tựu Khoa học - Kỹ thuật - Công nghệ Cơ khí - Điện - Điện tử - Điều khiển tự động - Tin học. Robot bắt đầu đợc ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực: từ sản xuất đến nghiên cứu khoa học,cả y tế và đời sống hàng ngày. Năm 1976 chiếc máy công cụ CNC sử dụng Microcomputer ra đời. Trong giai đoạn những năm 80 và 90 với sự phát triển vũ bão của Khoa học - Kỹ thuật - Công nghệ, quy mô sản xuất và nghiên cứu khoa học, thế giới đ- ợc thừa hởng nhiều thành quả của nó, đặc biệt về máy tính và tin học làm thay đổi về chất các trang thiết bị, tổ chức điều hành sản xuất và đời sống nh: + Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính - CAD. + Sản xuất với sự trợ giúp của máy tính - CAM. + Hệ thống sản xuất mềm, linh hoạt - FMS. + Sản xuất tích hợp máy tính - CIM. + Sản xuất đúng lúc JIT. + Điều hành quản lý chất lợng toàn diện - TQM + Sản xuất với chiến lợc toàn cầu - WCM. Những năm đầu tiên của thế kỷ 21, Robot đang bớc sang thế hệ mới. Từ các Robot điều khiển theo kiểu thao tác (Manual Input) rồi đến kiểu Dẫn - Dạy, các kiểu điều khiển này đựợc gọi chung là điều khiển có chơng trình dẫn đờng và các Robot kiểu này thờng đợc gọi là Robot khéo léo (Robot - 1 - Ch ơng I. Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại Habilis). Tiếp đến là các Robot có trình điều khiển thích nghi - thông minh, Robot có trí khôn (Robot Spiens). Sự tiến bộ của Khoa học - Kỹ thuật - Công nghệ gần nh thuộc mọi lĩnh vực Cơ học - Cơ khí - Điện - Điện tử - Điều khiển tự động - Máy tính - Tin học - Sinh vật học đều đợc thể hiện trên sự phát triển của Robot. Những ứng dụng mới nhất của Robot vào y học có thể kể nh Robot phẫu thuật và thay thế các cơ quan hoạt động của con ngời, để mô phỏng các loại sinh vật. Những kết qủa tiến bộ của Khoa học - Kỹ thuật - Sản xuất cho đến những năm 1970 đã hình thành khoa học Roboties và Cơ - Điện tử (Mechatronics), từ đó cũng bắt đầu đào tạo các chuyên gia kỹ thuật thuộc lĩnh vực Robot và Cơ - Điện tử. Trong những năm gần đây, robot công nghiệp chủ yếu đợc dùng cho các thao tác lặp lại nhiều lần và trong các môi trờng nguy hiểm. Xu hớng của con ngời là chế tạo ra các robot thông minh, giúp việc nhà, giúp ngời tàn tật, Mặc dù có nhiều lỗ lực để phát triển robot thông minh, nhng các loại robot có thể mô phỏng nhiều chức năng của con ngời vẫn còn những hạn chế nhất định, đòi hỏi sự phát triển của công nghệ và trí tuệ nhân tạo. 1.1.2 Robot có cấu trúc song song a) Giới thiệu chung Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hóa trong sản xuất, các cơ cấu Robot cũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú. Trong những thập niên gần đây, Robot cấu trúc song song đợc Gough và Whitehall nghiên cứu năm 1962 và sự chú ý ứng dụng của Robot cấu trúc song song đã đợc khởi động bởi Stewart vào năm 1965. Ông là ngời cho ra đời một buồng (phòng) tập lái máy bay dựa trên cơ cấu song song. Hiện nay cơ cấu song song đợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động đợc nối với giá cố định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân. Thờng số chân bằng số bậc tự do, đợc điều khiển bởi nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc ngay trên chân. Chính lý do này mà các Robot song song đôi khi gọi là các Robot có bệ. Các cơ cấu tác động điều khiển tải ngoài, nên cơ cấu chấp hành song song thờng có khả năng chịu tải lớn. Do tính u việt của Robot song song nên ngày càng thu hút đợc nhiều nhà khoa học nghiên cứu, đồng thời cũng đợc ứng dụng ngày càng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực: + 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. + Ngành Bu chính viễn thông : Giá đỡ Ăngten, vệ tinh địa tĩnh. + Ngành chế tạo ôtô : Hệ thống thử tải lốp ôtô, buồng tập lái ôtô. - 2 - Ch ơng I. Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại + Ngành quân sự : Robot song song đợc dùng làm bệ đỡ ổn định đợc đặt trên tàu thủy, các công trình thủy, trên xe, trên máy bay, trên chiến xa và 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. b) Một số u nhợc điểm của Robot song song Nhìn chung, tất cả các lọai Robot có cấu trúc song song đều có nhiều u điểm và có thể đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, các bộ mô hình máy bay, các khung đỡ kiến trúc có khớp nối điều chỉnh, các máy khai thác mỏ - Ưu điểm : + Khả năng chịu tải cao: các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên khối lợng của các thành phần cũng nhỏ hơn. + Độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng: Tât cả các lực tác động đồng thời đợc chia sẻ cho tất cả các chân. Cấu trúc động học một cách đặc biệt của các khớp liên kết cho phép chuyển tất cả các lực tác dụng thành các lực kéo/nén của các chân. + Có thể thực hiện đợc các thao tác phức tạp và họat 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 lũy. + Có thể thiết kế ở các kích thớc khác nhau. + Đơn giản hóa các cơ cấu máy và giảm số lợng phần tử do các chân và khớp nối đợc 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 l- ợng và kích thớc nhỏ gọn. + Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền. + Tầm hoạt động của Robot cơ cấu song song rất rộng từ việc lắp ráp các chi tiết cực nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao nh: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp + Các Robot cơ cấu song song làm việc không cần bệ đỡ và có thể di chuyển tới mọi nơi trong môi trờng sản xuất. Chúng có thể làm việc ngay cả khi trên thuyền và treo trên trần, tờng + Giá thành của các Robot song song ứng dụng trong gia công cơ khí ít hơn so với máy CNC có tính năng tơng đơng. - Nh ợc điểm: Tuy nhiên các Robot song song cũng có những nhợc điểm nhất định khi so sánh với các Robot chuỗi nh: + Khoảng không gian làm việc nhỏ và khó thiết kế. - 3 - Ch ơng I. Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại + Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp + Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian làm việc. 1.2 Cấu trúc Robot song song 1.2.1 Cấu trúc cơ cấu Cũng nh các Robot thông thờng, Robot song song là loại Robot có cấu trúc vòng kín trong đó các khâu (dạng thanh) đợc nối với nhau bằng các khớp động. Sơ đồ động cơ cấu tay máy thông thờng là một chuỗi nối tiếp các khâu động, từ khâu ra (là khâu trực tiếp thực hiện thao tác công nghệ) đến giá cố định. Còn trong Robot song song, khâu cuối đợc nối với giá cố định bởi một số mạch động học, tức là nối song song với nhau và cũng hoạt động song song với nhau. Sự khác nhau về sơ đồ động đó cũng tạo nên nhiều đặc điểm khác biệt về động học và động lực học. 1.2.2 Khâu, khớp, chuỗi động và máy trong cơ cấu Robot song song - Khâu : Là phần có chuyển động tơng đối với phần khác trong cơ cấu. Chúng ta coi tất cả các khâu là các vật rắn. Điều đó làm cho việc nghiên cứu các cơ cấu, Robot đợc dễ dàng và đơn giản hơn. Tuy nhiên, với các cơ cấu tốc độ cao hoặc mang tải lớn thì hiện tợng đàn hồi của vật liệu trở nên quan trọng đáng kể và chúng ta phải xét đến. - Khớp : Là chỗ nối động giữa hai khâu. Tùy theo cấu trúc, mỗi khớp hạn chế một số chuyển động giữa hai khâu. Bề mặt tiếp xúc của mỗi khâu tại khớp gọi là một thành phần khớp. Hai thành phần khớp tạo thành một khớp động. Khớp động có thể phân thành khớp thấp và khớp cao tùy thuộc vào dạng tiếp xúc. + Khớp thấp: Nếu hai thành phần tiếp xúc là mặt. + Khớp cao: Nếu hai thành phần tiếp xúc là điểm hoặc đờng. Có 6 loại khớp thấp và hai loại khớp cao cơ bản thờng dùng trong các cơ cấu máy và các Robot, đó là: + Khớp quay (Revolute Joint - R) : Khớp để lại chuyển động quay của khâu này đối với khâu khác quanh một trục quay. Nghĩa là khớp quay hạn chế 5 khả năng chuyển động giữa hai thành phần khớp và có một bậc tự do . Khớp quay thờng đợc gọi là khớp quay bản lề. + Khớp lăng trụ (Prismatic Joint - P) : Cho phép hai khâu trợt trên nhau theo một trục. Do đó, khớp lăng trụ hạn chế 5 khả năng chuyển động tơng đối giữa hai khâu và có một bậc tự do. Ngời ta cũng thờng gọi khớp lăng trụ là khớp tịnh tiến. - 4 - Ch ơng I. Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại + Khớp trụ (Cylindrical Joint - C) : Cho phép hai chuyển động độc lập, gồm một chuyển động quay quanh trục và chuyển động tịnh tiến dọc trục quay. Do đó, khớp trụ hạn chế 4 khả năng chuyển động giữa hai khâu và có hai bậc tự do. + Khớp ren (Helical Joint - H) : Cho phép chuyển động quay quanh trục đồng thời tịnh tiến theo trục quay. Tuy nhiên chuyển động tịnh tiến phụ thuộc vào chuyển động quay bởi bớc của ren vít. Do đó, khớp ren hạn chế 5 chuyển động tơng đối hai khâu và còn lại một bậc tự do. + Khớp cầu (Spherical Joint - S) : Cho phép thực hiện chuyển động quay giữa hai thành phần khớp quanh tâm cầu theo tất cả các hớng, nhng không có chuyển động tịnh tiến giữa hai thành phần khớp này. Do đó, khớp cầu hạn chế 3 khả năng chuyển động và có ba bậc tự do. + Khớp phẳng (Plane Joint - E) : Cho hai khả năng 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 3 bậc tự do và có ba bậc tự do. + Khớp bánh răng phẳng (Gear Pair - G) : Cho hai bánh răng ăn khớp với nhau. Các mặt răng tiếp xúc đẩy nhau, chúng thờng trợt trên nhau. Do đó, khớp bánh răng phẳng hạn chế 4 khả năng chuyển động tơng đối giữa hai thành phần khớp, còn lại hai bậc tự do. + Khớp cam phẳng (Cam Pair - Cp) : Tơng tự nh khớp bánh răng, hai thành phần khớp luôn tiếp xúc với nhau. Do đó, khớp cam phẳng có hai bậc tự do. Khớp quay, khớp lăng trụ, khớp trụ, khớp ren, khớp cầu và khớp phẳng là các khớp thấp. Khớp bánh răng phẳng và khớp cam phẳng là các khớp cao. - Chuỗi động : Là tập hợp các khâu đợc nối với nhau bằng các khớp động. Robot nối tiếp có cấu trúc chuỗi hở, còn Robot song song có cấu trúc là chuỗi kín. Chuỗi động học đợc gọi là cơ cấu khi một trong các khâu là giá cố định. Trong cơ cấu có thể có một hoặc nhiều khâu đợc ấn định là khâu dẫn với các thông số cho trớc. Sự chuyển động của các khâu dẫn là độc lập, sự chuyển động của các khâu khác sẽ phụ thuộc vào chuyển động của khâu dẫn. Cơ cấu là một thiết bị truyền chuyển động từ một hay nhiều khâu dẫn tới các khâu khác. - Máy móc : Gồm một hoặc nhiều cơ cấu, cùng với các thành phần điện, thủy lực và/hoặc khí nén, đợc dùng để biến đổi năng lợng bên ngoài thành cơ năng hoặc dạng năng lợng khác. Cơ cấu chấp hành của hệ thống robot là cơ cấu. Để cơ cấu này trở thành máy cần phải có bộ điều khiển dựa trên bộ vi xử lý, bộ mã hóa và/hoặc các cảm biến lực, cùng với các bộ phận khác, chẳng hạn hệ thống quan sát, phối hợp với nhau để chuyển đổi năng lợng bên ngoài thành công hữu ích. Mặc dù máy có thể gồm một hoặc nhiều cơ cấu, - 5 - Ch ơng I. Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại nhng cơ cấu không phải là máy, do không thực hiện công, chỉ có chức năng truyền chuyển động. 1.2.3 Bậc tự do của Robot cấu trúc song song Xét hai vật thể (hay hai khâu) A và B để rời nhau trong không gian. Gắn vào A một hệ tọa độ Đề các Oxyz (Hình I.1) thì B sẽ có 6 khả năng chuyển động tơng đối so với A, hay nói cách khác là giữa A và B có 6 khả năng chuyển động tơng đối, ta gọi là 6 bậc tự do tơng đối. Các khả năng chuyển động độc lập là : - Các chuyển động tịnh tiến dọc các trục Ox, Oy, Oz, kí hiệu là T x , T y , T z - Các chuyển động quay quanh các trục Ox, Oy, Oz, kí hiệu là R x , R y , R z Hình 1.1: Các khả năng chuyển động tơng đối giữa hai vật thể Định nghĩa: Bậc tự do của cơ cấu là số thông số độc lập tuyến tính cần thiết hoàn toàn xác định vị trí của cơ cấu. Ta có thể xác định đợc biểu thức tổng quát về số bậc tự do của cơ cấu theo số khâu, số khớp, và kiểu khớp trong cơ cấu. Để thông nhất cho việc tính toán số bậc tự do của cơ cấu,ta sử dụng các kí hiệu sau: c i : Số ràng buộc của khớp i. F: Số bậc tự do của cơ cấu. f i : Số chuyển động tơng đối đợc phép của khớp i. j: Số khớp trong cơ cấu. j i : Số khớp với i bậc tự do. L : Số vòng độc lập trong cơ cấu. n : Số khâu trong cơ cấu, kể cả khâu cố định. - 6 - B Y A Z X T z z R y T R y x R x T Ch ơng I. Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại : Số bậc tự do trong không gian làm việc của cơ cấu. Ta giả thiết tất cả các khớp đều là hai chiều, khớp ba chiều đợc coi là hai khớp hai chiều, khớp bốn chiều đợc coi là ba khớp hai chiều, Ngoài ra, còn giả thiết một giá trị đợc dùng cho các chuyển động của tất cả các khâu chuyển động, chúng đều vận hành trong không gian làm việc, do đó =6 đối với cơ cấu không gian, và = 3 đối với cơ cấu phẳng và cơ cấu cầu. Giá trị bậc tự do của cơ cấu chính bằng số bậc tự do của tất cả các khâu hoạt động trừ đi số ràng buộc bởi các khớp. Do đó, nếu các khâu đều tự do, số bậc tự do của cơ cấu n - khớp , với một khớp cố định, sẽ bằng ( n-1 ). Tuy nhiên, tổng các ràng buộc của các khớp là bằng 1 j i i c = , do đó giá trị bậc tự do của cơ cấu đợc tính theo phơng trình: 1 ( 1) j i i f n c = = (1.1) Số ràng buộc của một khâu và số bậc tự do của khâu đó bằng thông số chuyển động , do đó : i i c f = + (1.2) Do tổng các ràng buộc của các khâu là: 1 1 1 ( ) j j j i i i i i i c f j f = = = = = (1.3) Thay phơng trình ( 1.3) vào phơng trình (1.1) ta đợc: 1 ( 1) j i i f n j f = = (1.4) Phơng trình (1.4) đợc gọi là tiêu chuẩn Gr && u bler hoặc Kutzbach. Tiêu chuẩn Gr && u bler đúng cho trờng hợp các ràng buộc tại các khớp là độc lâp và không d. Ví dụ một khớp quay cầu liên kết chuỗi với khớp quay có trục xuyên qua tâm của khớp cầu sẽ tạo ra một bậc tự do thừa. Kiểu bậc tự do này gọi là bậc tự do thụ động, cho phép khâu trung gian quay tự do quanh trục đợc xác định từ hai khớp đó. Mặc dù khâu trung gian có khả năng truyền lực hoặc momen và chuyển động cho các khâu khác, nhng nó không có khả năng truyền momen cho trục thụ động. Nói chung, các khâu hai chiều vơi các cặp S-S, S-E, E-E đều có bậc tự do thụ động. Bảng sau thống kê sự phối hợp các khâu loại hai chiều với các khớp S-S, S-E, E-E với các khớp cuối cùng của chúng có một bậc tự do. - 7 - Ch ơng I. Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại STT Kiểu Bậc tự do thụ động (thừa) 1 S-S Quay quanh trục đi qua các tâm khớp cầu. 2 S-E Quay quanh trục đi qua tâm khớp cầu và vuông góc với mặt phẳng của khớp phẳng 3 E-E Trợt dọc trục song song với giao tuyến tạo bởi các mặt phẳng của khớp phẳng. Nếu hai mặt phẳng này song song sẽ có ba bậc tự do thụ động ( thừa ). Bậc tự do thụ động không thể truyền momen và chuyển động cho trục thụ động. Khi có một khớp loại này tồn tại trong cơ cấu, cần trừ đi một bậc tự do từ phơng trình tinh bậc tự do. Giả sử, f p là số bậc tự do thụ động trong cơ cấu thì số bậc tự do chủ động trong cơ cấu là: 1 ( 1) j i p i f n j f f = = (1.5) Ví dụ: Cơ cấu không gian Stewart - Gough. Hình 1.2: Cơ cấu không gian Stewart - Gough Là cơ cấu không gian gồm có một bàn máy động đợc nối với đế cố định bởi sáu chân trợt thông qua các khớp cầu. Mỗi chân đợc tạo thành từ hai khâu, và đợc nối với nhau bằng khớp lăng trụ. Cấu trúc này đợc gọi là cấu trúc S - P - S. Do sự phối hợp S - P - S, nên mỗi chân có một bậc tự do thừa. Từ hình vẽ ta có : =6, n=14, j i =6, j 3 = 12, f p =6 Số bậc tự do của cơ cấu đợc tính theo phơng trình (1.5) là : f =6(14 - 18 - 1) + (12x3 + 6) - 6 = 6 - 8 - S P S Khớp cầu Khớp lăng trụ Khớp cầu Bàn máy động Đế cố định Ch ơng I. Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại Sử dụng phơng trình (1.5) tính bậc tự do cho cơ cấu không gian có nói tới giá trị cho tất cả các khâu di chuyển, khi tính bậc tự do cho cơ cấu phẳng và cơ cấu cầu đợc xem nh hệ con của hệ không gian nên cần phải chú ý tới thông số này. Đặc biệt, =3 với cơ cấu phẳng và cơ cấu cầu, còn với cơ cấu không gian thì =6. Nói chung tiêu chuẩn Gr && u bler có f > 0 thì cơ cấu có f bậc tự do. Nếu f=0, cơ cấu không có bậc tự do, nghĩa là cơ cấu lúc này trở thành giàn tĩnh định. Nếu f < 0, cơ cấu sẽ có số ràng buộc thừa. Tuy nhiên, cũng có các cơ cấu không tuân theo tiêu chuẩn Grubler. Các cơ cấu này đòi hỏi chiều dài khâu đặc biệt để đạt đợc tính linh động cao đợc gọi là cơ cấu thắng ràng buộc. Đối với các cơ cấu vòng kín và cơ cấu chấp hành, số lợng và vị trí các khớp phát động phải đợc chọn một cách cẩn thận sao cho khâu tác động cuối phải đợc điều khiển theo yêu cầu. Nói chung số khớp phát động phải bằng số bậc tự do của cơ cấu, và vị trí của khớp phát động phải đợc chọn sao cho chúng có thể tạo thành tập hợp các toạ độ độc lập. Nếu số lợng khâu phát động nhỏ hơn số bậc tự do thì chuyển động của các khâu này phải theo toạ độ tơng ứng các ràng buộc động học của chúng. Một robot có bậc tự do d thì cho phép điều khiển linh hoạt hơn. 1.2.4 Các bài toán cơ bản về robot Robot là một ngành khoa học về công nghệ truyền thống, kết hợp với lý thuyết và ứng dụng của các hệ thống robot. Việc nghiên cứu bao gồm cả hai vấn đề là nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng, những vấn đề đó chia ra thành các lĩnh vực : công tác thiết kế robot, cơ học cơ cấu, thiết kế quĩ đaọ và điều khiển, công tác lập trình và tri thức cho máy Cơ học là một nhánh khoa học nghiên cứu các vấn đề về năng lợng, lực và tác dụng của chúng đối với chuyển động của hệ thống cơ khí. Việc nghiên cứu bao gồm hai vấn đề có quan hệ với nhau là : Động học và động lực học. a) Động học Động học nghiên cứu các đặc trng của chuyển động mà không quan tâm đến nguyên nhân gây ra chúng nh lực và mômen. Sự thay đổi của các khâu của robot liên quan đến hớng và vị trí của khâu chấp hành cuối cùng bởi sự ràng buộc của các khớp. Những quan hệ động học đó là trọng tâm của việc nghiên cứu động học robot. Bài toán phân tích động học đợc chia thành hai dạng : Bài toán động học thuận và Bài toán động học ngợc. Baì toán động học thuận : Từ các thông số vị trí, vận tốc và gia tốc của khâu dẫn ,yêu cầu lập trình tính toán vị trí và hớng, vận tốc và gia tốc của điểm tác động cuối cũng nh khâu trung gian bất kỳ. - 9 - Ch ơng I. Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại Bài toán động học ngợc : Từ yêu cầu về vị trí và hớng, vận tốc và gia tốc của khâu tác động cuối, tìm ra các thông số tơng ứng của các khâu trớc đó (bài toán động học ngợc). b) Động lực học Động lực học nghiên cứu về quan hệ giữa các lực tác dụng vào cơ cấu (lực, tải trọng và ma sát ) và chuyển động của cơ cấu. Động lực học robot là vấn đề rất phức tạp và hiện nay đang là đối tợng đợc nghiên cứu tiếp tục. 1.3 Phân loại robot Robot có thể đợc phân loại theo nhiều tiêu chuẩn, số bậc tự do, cấu trúc động học, hệ thống truyền động, dạng hình học của chi tiết gia công, các đặc tính chuyển động - Phân loại theo số bậc tự do Sơ đồ phân loại robot thờng dùng là theo số bậc tự do. Một cách lý tởng, cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để xử lý đối tợng một cách tự do trong không gian ba chiều. Theo quan điểm này, robot đa năng có 6 bậc tự do, robot d có hơn 6 bậc tự do và robot thiếu có ít hơn 6 bậc tự do. Robot d có thêm một bậc tự do để di chuyển qua các chớng ngại vật hoặc vận hành trong các không gian hẹp. Mặt khác, đối với một số ứng dụng đặc biệt, chẳng hạn lắp giáp các chi tiết trên mặt phẳng, robot bốn bậc tự do là đủ. Hình 1.3: Robot loại Fanuc 4 bậc tự do - 10 - [...]... về không gian làm việc Thứ nhất là không gian có thể với tới, thể tích không gian trong đó cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm theo ít nhất là một chiều Thứ hai là không gian linh hoạt, thể tích không gian trong đó cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm theo mọi chiều có thể Không gian linh hoạt là một phần của không gian có thể với tới - 12 - Chơng I Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân. .. để tác động song song với bệ chuyển động Trong trờng hợp này, số nhánh, kể cả nhánh với khớp cầu thụ động bằng 0, khác với số bậc tự do 1.5.4 Các robot song song không gian Đối với robot song song không gian, thay = 6 vào phơng trình (1.8) và (1.9) ta có: - 16 - Chơng I Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại m C k = 7F 6 (1.10) k 6 Ck F (1.11) Giải đồng thời (1.10) và (1.11) với các... quan về Robot cấu trúc song song và phân loại Bàn máy động Bàn máy động S R S P R C R Bàn máy động C R Giá Giá (a) Giá (b) (c) Bàn máy động Bàn máy động S R S R R R Giá Giá (d) (e) Bàn máy động Bàn máy động S Bàn máy động S S P S C S R S Giá (f) Giá (g) Giá (h) Hình 1.8 Tám kiểu chân hay sử dụng 1.5 kết cấu của Robot song song 3 RPS Trong đề tài, yêu cầu tính toán và mô phỏng số Robot song song 3 RPS,... Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại 2 3 F 2 F 3 B B 1 1 A A Tay máy REVOLUTE F Tay máy POLAR 3 A 2 B 1 1 B 2 A Tay máy CYLINDRICAL Tay máy CARTERSIAN A 1 B 2 F 3 Tay máy SCARA Hình 1.4: Mô hình một số loại tay máy thông dụng - 11 - Chơng I Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại - Phân loại theo cấu trúc động học Robot đợc gọi là robot nối tiếp nếu cấu trúc động học có dạng... chuyển động có thể của chân fi : Số khả năng chuyển động của cơ cấu hay bậc tự do của khớp thứ i j : Số khớp trong cơ cấu, bao gồm tất cả các khớp : Số bậc tự do của không gian mà cơ cấu hoạt động 1.5.2 Các robot song song phẳng - 14 - Chơng I Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại Với các robot song song phẳng ta có =3, m =f =3 thay vào phơng trình (1.8) ta đợc: C1+C2+C3 = 4f -3 =9 Đồng... vòng hở, robot song song nếu có chuỗi vòng kín, và robot lai nếu có cả chuỗi vòng hở và vòng kín - Phân loại theo hệ thống truyền động Có ba hệ truyền động phổ biến là điện, thuỷ lực, và khí nén đợc dùng cho robot Hầu hết các cơ cấu chấp hành đều sử dụng động cơ bớc hoặc động cơ trợ động DC, do chúng tơng đối dễ điều khiển Tuy nhiên, khi cần tốc độ cao và khả năng mang tải cao, thờng dùng truyền động thuỷ... trong môi trờng độc hại, nguy hiểm tới sức khoẻ con ngời, dễ xảy ra tai nạn 1.5 Phân loại robot song song Một robot song song đợc gọi là đối xứng nếu nó thoả mãn các điều kiện sau: + Số chân bằng số bậc tự do của bàn máy động + Số khớp và loại khớp trong tất cả các chân đợc sắp xếp giống nhau + Số khâu hoạt động và vị trí của khâu hoạt động trong tất cả các chân là nh nhau Khi các điều kiện trên không. .. E Bệ chuyển động P I R A G B P D Hình 1.6: Cơ cấu chấp hành song song 3 PRP - 15 - Đế cố định Chơng I Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại Hình 1.5 minh họa cơ cấu chấp hành song song phẳng ba bậc tự do dùng cấu trúc chân 3 PRP; Hình 1.6 minh hoạ cơ cấu chấp hành song song 3 bậc tự do phẳng có cấu trúc nhánh 3 PRP, trong đó 3 trục khớp quay vuông góc với mặt phẳng chuyển động trong khi... tự do và độ chính xác cao - 18 - Chơng I Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại Tất cả các thành phần cơ khí đợc lựa chọn và thiết kế càng nhỏ gọn càng tốt và không có khe hở theo chiều dọc trục của các chân, các chân đợc điều khiển của Robot đợc dẫn động bằng các cơ cấu chấp hành tuyến tính Hình 1.9 mô tả sơ đồ của robot này 1 : Bàn di động 1 6 2 3 2 : ống truợt trong 3 : ống truợt ngoài... định vị phục vụ công tác căn chỉnh, lắp đặt Robot - Chi tiết 6 : Khớp cầu, nối chân với bàn máy di động Chơng 2: Cơ sở lý thuyết chung về phân tích động học vật rắn không gian - 19 - Chơng I Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại 2.1 Ma trận cosin chỉ hớng 2.1.1 Định nghĩa ma trận cosin chỉ hớng của vật rắn r(0) r(0) r(0) r r r Cho vật rắn B và hệ qui chiếu R0= { e1 , e2 , e3 } Trong đó . số mạch động học, tức là nối song song với nhau và cũng hoạt động song song với nhau. Sự khác nhau về sơ đồ động đó cũng tạo nên nhiều đặc điểm khác biệt về động học và động lực học. 1.2.2. nghiên cứu động học robot. Bài toán phân tích động học đợc chia thành hai dạng : Bài toán động học thuận và Bài toán động học ngợc. Baì toán động học thuận : Từ các thông số vị trí, vận tốc và gia. Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại - Phân loại theo cấu trúc động học Robot đợc gọi là robot nối tiếp nếu cấu trúc động học có dạng chuỗi vòng hở, robot song song nếu có chuỗi