ROBOT CÓ CẤU TRÚC SONG SONG ppsx

1.2 Một số ưu nhược điểm của Robot song song: Nhìn chung, tất cả các lọai Robot có cấu trúc song song đều có nhiều ưu điểm và có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, các bộ mô hình

ROBOT CÓ CẤU TRÚC SONG SONG 1.1 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 được Gough và Whitehall nghiên cứu năm 1962 và sự chú ý ứng dụng của Robot cấu trúc song song đã được khởi động bởi Stewart vào năm

1965 Ông là người cho ra đời một buồng (phòng) tập lái máy bay dựa trên cơ cấu song song Hiện nay cơ cấu song song được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động được nối với giá cốđịnh, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi

là số chân Thường số chân bằng số bậc tự do, được 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 thường có khả năng chịu tải lớn

Do tính ưu việt của Robot song song nên ngày càng thu hút được nhiều nhà khoa học nghiên cứu, đồng thời cũng được 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 Bưu chính viễn thông : Giá đỡ Ăngten, vệ tinh địa tĩnh

+ Ngành chế tạo ôtô : Hệ thống thử tải lốp ôtô, buồng tập lái ôtô

+ Ngành quân sự : Robot song song được dùng làm bệ đỡ ổn định được 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, tàu chiến

1.2 Một số ưu nhược điểm của Robot song song:

Nhìn chung, tất cả các lọai Robot có cấu trúc song song đều

có nhiều ưu điểm và có thể được 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 lượng 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 được 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 được 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 thước khác nhau

+ Đơn giản hóa các cơ cấu máy và giảm số lượng phần tử do các chân và khớp nối được 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 lượng và kích thước 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 như: 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 trường sản xuất Chúng có thể làm việc ngay cả khi trên thuyền và treo trên trần, tường

+ Giá thành của các Robot song song ứng dụng trong gia công

cơ khí ít hơn so với máy CNC có tính năng tương đương

- Nhược điểm:

Tuy nhiên các Robot song song cũng có những nhược điểm nhất định khi so sánh với các Robot chuỗi như:

+ Khoảng không gian làm việc nhỏ và khó thiết kế

+ Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp + Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian làm việc

1.3 Cấu trúc Robot song song:

1.3.1 Cấu trúc cơ cấu :

Cũng như các Robot thông thường, Robot song song là loại Robot có cấu trúc vòng kín trong đó các khâu (dạng thanh) được nối với nhau bằng các khớp động

Sơ đồ động cơ cấu tay máy thông thường 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 được 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

1.3.2 Khâu, khớp, chuỗi động và máy trong cơ cấu Robot song song:

- Khâu : Là phần có chuyển động tương 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 được dễ dàng và đơn giản hơn Tuy nhiên, với các cơ cấu tốc độ cao hoặc mang tải lớn thì hiện tượng 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 đường

Có 6 loại khớp thấp và hai loại khớp cao cơ bản thường 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 hạnchế 5 khả năng chuyển động giữa hai thành phần khớp và có một bậc tự do Khớp quay thường được gọi là khớp quay bản lề

+ Khớp lăng trụ (Prismatic Joint - P) : Cho phép hai khâu trượt trên nhau theo một trục Do đó, khớp lăng trụ hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa hai khâu và có một bậc tự do Người ta cũng thường gọi khớp lăng trụ là khớp tịnh tiến

+ 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 bước của ren vít Do

đó, khớp ren hạn chế 5 chuyển động tương 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 hướng, nhưng 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 thường trượt trên nhau Do đó, khớp bánh răng phẳng hạn chế 4 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thành phần khớp, còn lại hai bậc tự do

+ Khớp cam phẳng (Cam Pair - Cp) : Tương tự như 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 được 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 được gọi là cơ cấu khi một trong các khâu là giá cố định Trong cơ cấu có thể có một hoặc nhiều khâu được ấn định là khâu dẫn với các thông số cho trước 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, được dùng để biến đổi năng lượng bên ngoài thành cơ năng hoặc dạng năng lượng 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 lượng bên ngoài thành công hữu ích Mặc dù máy có thể gồm một hoặc nhiều cơ cấu, nhưng cơ cấu không phải là máy, do không thực hiện công, chỉ có chức năng truyền chuyển động

1.3.3 Phân loại Robot:

Robot có thể được 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 thường dùng là theo số bậc tự do Một cách lý tưởng, cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để xử lý đối tượng một cách tự do trong không gian ba chiều Theo quan điểm này, robot đa năng có 6 bậc tự do, robot dư có hơn 6 bậc tự do và robot thiếu có ít hơn 6 bậc tự do Robot dư có thêm một bậc tự do để

di chuyển qua các chướng 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

- Phân loại theo cấu trúc động học:

Robot được gọi là robot nối tiếp nếu cấu trúc động học có dạng chuỗi 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 được dùng cho robot Hầu hết các cơ cấu chấp hành đều sử dụng động cơ bước hoặc động cơ trợ động DC, do chúng tương đối dễ điều khiển Tuy nhiên, khi cần tốc độ cao và khả năng mang tải cao, thường dùng truyền động thuỷ lực hoặc khí nén Nhược điểm của truyền động thuỷ lực là khả năng rò rỉ dầu Ngoài ra, truyền động khí nén có tính linh hoạt khá cao Mặc dù truyền động khí nén sạch và nhanh nhưng khó điều khiển do không khí là lưu chất nén được

Trong cơ cấu nối tiếp, nói chung một bộ tác động được dùng

để điều khiển chuyển động của từng khớp Nếu từng khâu chuyển động được truyền động bằng một bộ tác động lắp trên khâu trước đó thông qua hộp giảm tốc, sự dịch chuyển của khâu này về mặt động học là độc lập với khâu khác, đây là cơ cấu chấp hành nối tiếp qui ước Mặt khác, nếu mỗi khớp được truyền động trực tiếp bằng bộ tác

động không có hộp giảm tốc, cơ cấu đó được gọi là cơ cấu chấp hành truyền động trực tiếp

Việc dùng hộp giảm tốc cho phép sử dụng động cơ nhỏ hơn,

do đó làm giảm quán tính của cơ cấu chấp hành Tuy nhiên, độ lệch khớp của các bánh răng trong hộp giảm tốc có thể gây ra sai số vi trí

ở bộ phận tác động Kỹ thuật truyền động trực tiếp khắc phục được vấn đề bánh răng và có thể tăng tốc độ cho cơ cấu chấp hành Tuy nhiên, các động cơ truyền động trực tiếp tương đối lớn và nặng Do

đó, chúng thường được dùng để truyền động khớp thứ nhất của cơ cấu chấp hành, động cơ được lắp ở đế Nói chung, động cơ cũng có thể được nắp ở đế để truyền động khớp thứ hai hoặc khớp thứ ba thông qua đai kim loại hoặc khâu thanh đẩy

Một số cơ cấu chấp hành sử dụng bộ các bánh răng, xích và đĩa xích để truyền động các khớp Khi sử dụng hệ thống truyền động này cho cơ cấu chấp hành qua nhiều khớp, độ dịch chuyển của khớp

sẽ phụ thuộc lẫn nhau

Các cơ cấu chấp hành kiểu đó được gọi là vòng kín

- Phân loại theo dạng hình học không gian làm việc:

Không gian làm việc của cơ cấu chấp hành được xác định là thể tích không gian đầu tác động có thể với tới Nói chung, thường

sử dụng hai định nghĩa 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

Mặc dù đây không phải là điều kiện cần, nhưng nhiều cơ cấu chấp hành nối tiếp được thiết kế với ba khâu đầu dài hơn các khâu còn lại Do đó ba khâu này được dùng chủ yếu để thao tác vị trí, các khâu còn lại được dùng để điều khiển hướng của đầu tác động Vì lý

do đó, ba khâu đầu được gọi là cánh tay, các khâu còn lại được gọi

là cổ tay Trừ các cơ cấu chấp hành với số bậc tự do lớn hơn 6, cánh tay thường có ba bậc tự do, cổ tay có 1-3 bậc tự do Hơn nữa, bộ cổ tay thường được thiết kế với các trục khớp cắt nhau tại một điểm chung được gọi là tâm cổ tay Bộ cánh tay có thể có nhiều kiểu

cấu trúc động học, tạo ra các biên làm việc khác nhau, được gọi là vùng không gian làm việc Không gian do nhà sản xuất robot cung cấp thường được xác định theo vùng không gian làm việc

Tay máy được gọi là robot trụ nếu khớp thứ nhất hoặc khớp thứ hai của robot Decartes được thay bằng khớp quay(Hình 1.4)

Tay máy được gọi là robot cầu nếu hai khớp đầu là khớp quay

khác nhau và khớp thứ ba là khớp lăng trụ (Hình 1.4 - tay máy

SCARA) Vị trí tâm cổ tay của robot cầu là tập hợp các tọa độ cầu

liên quan với ba biến khớp nối Do đó không gian làm việc robot cầu được giới hạn theo hai khối cầu đồng tâm

Tay máy được gọi là robot quay nếu cả ba khớp đều là khớp quay Không gian làm việc của robot này rất phức tạp thường có tiết diện

hình xuyến Nhiều robot công nghiệp là loại robot quay(Hình 1.4 - tay

máy REVOLUTE).

Robot Song Song Delta

Vào đầu thập niên 80, Reymond Clavel (giáo sư của EPFL)

đã nảy ra một ý tưởng độc đáo là sử dụng các hình bình hành

để tạo ra một robot song song có ba bậc tự do tịnh tiến và một bậc tự do quay Không như một số bài báo đã xuất bản đâu đó,

ý tưởng này hoàn toàn là của Reymond Clavel chứ không phải bắt chước từ cơ cấu song song đã được Willard L Polard đăng

ký bản quyền vào năm 1942, và vào thời điểm đó Willard L Polard cũng không hề biết đến giáo sư Clavel Robot song song Delta đã được đánh giá là một trong những thiết kế robot song song thành công nhất với hàng trăm robot đang hoạt động trên toàn thế giới Vào năm 1999, tiến sĩ Clavel đã nhận được giải thưởng Golden Robot Award do hiệp hội ABB Flexible Automation trao tặng để tôn vinh những hoạt động sáng tạo của ông về robot song song Delta.

Sơ đồ robot delta.

Thiết kế của robot Delta:

Ý tưởng căn bản của thiết kế robot Delta là sử dụng các hình

bình hành Các hình bình hành cho phép khâu ra duy trì một hướng

cố định tương ứng với khâu vào Việc sử dụng ba hình bình hành hoàn toàn giữ chặt hướng của bệ di động duy trì chỉ với ba bậc tự do tịnh tiến Các khâu vào của 3 hình bình hành được gắn với các cánh tay quay bằng các khớp quay Các khớp quay của tay quay được truyền động theo 2 cách: hoặc sử dụng các động cơ quay (DC hoặc

AC servo), hoặc bằng các bộ tác động tuyến tính Cuối cùng, cánh tay thứ tư được dùng để chuyển truyền chuyển động quay từ đế đến khâu tác động cuối gắn trên tấm dịch chuyển

Việc sử dụng các bộ tác động gắn trên đế và các khâu có khối lượng nhẹ cho phép tấm dịch chuyển đạt được gia tốc lên đến 50 G trong phòng thí nghiệm và 12 G trong các ứng dụng công nghiệp chính điều này làm cho robot Delta trở thành một ứng cử viên sáng giá cho các hoạt động nâng – đặt đối với các đối tượng nhẹ (từ 10 gr đến 1 kg) Vùng làm việc của nó là sự giao nhau của 3 đường gờ