Tính toán và mô phỏng robot song song cao tốc ba bậc tự do

TÓM TẮT Cách đây hai thập kỷ, trên thế giới, lónh vực robot song song đã được nghiên cứu khá phổ biến. Quả thật những con robot này tỏ ra nổi bật hơn so với robot nối tiếp trong một số lónh vực. Cụ thể là, chúng có thể đạt được tốc độ cao hơn (do quán tính của cả hệ thống dòch chuyển thấp) và độ chính xác cao hơn (do không có sai số do các khớp dồn lại). Cho đến nay, những đặc điểm này vẫn được quan tâm trong công nghệ sản xuất, đó là việc lắp ráp và chế tạo sản phẩm với độ chính xác cao hơn và tốc độ nhanh hơn. Một lónh vực ứng dụng khá thích hợp cho loại robot này là công nghệ điện tử, ở đó robot có thể được ứng dụng rộng rãi. Vì thế, đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là Robot song song cao tốc ba bậc tự do. SUMMARIZE Two decade ago, in the world, the field of parallel robot has been popularly researched. Really these robots have proved more remarkable than these serial counterparts in some fields. Namely, they can achieve higher speeds (due to low moving inertia of the system) and higher precision (due to non – cumulative joint errors). Nowadays, these properties are very considerrable in the manufacturing industrial; such as manufacturing and assembling of products with higher accuracy and faster pace. A pertinent application area for this kind is the electronics industry, where by such robot can be extensively untilized. As a result, the object of study in this thesis is a three – degree of freedom parallel robot for high speed. LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, công nghệ Robot đã trở thành một bộ phận quan trọng trong môi trường sản xuất linh hoạt. Hệ thống dây chuyền sản xuất tự động hóa là động lực thúc đẩy việc ứng dụng Robot để thay thế cho cho con người làm việc ở môi trường độc hại, nguy hiểm, và đặc biệt là thay con người thực thi các công việc mang tính đơn điệu, nhàm chán nhưng đòi hỏi cường độ làm việc cao và độ chính xác phải lớn, điển hình là các công việc lắp ráp các linh kiện điện tử trên board mạch, vận chuyển vật liệu, … Trước đây, hầu hết những con Robot được ứng dụng trong nền sản xuất công nghiệp là Robot nối tiếp. Tuy nhiên, nhược điểm của loại Robot này là khó có thể đạt được tốc độ và độ chính xác cao, khi chòu tải lớn thì độ cứng vững kém, gia tốc của bộ tác động cuối cũng bò hạn chế do quán tính dòch chuyển cao và do tồn tại các sai số do các khâu nối tiếp nhau. Bên cạnh đó, việc phân tích động học cũng khó khăn. Thế nhưng, theo nghiên cứu thì Robot song song lại có nhiều ưu điểm hơn so với Robot nối tiếp trong một số lónh vực. Các ưu điểm điển hình của Robot song song là : khả năng tải lớn, độ cứng vững cao và quán tính dòch chuyển thấp. Chính vì thế, người ta đã đưa ra nhiều giải pháp để tận dụng các ưu điểm của Robot song song thay thế robot nối tiếp trong một số lónh vực. Do thế, đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là Robot song song cao tốc ba bậc tự do. Loại robot này đơn giản nhưng khá phổ biến trong gia đình Robot song song cao tốc. Nó có thể được nhiên cứu thêm để có thể thực hiện một số công việc như: dùng trong các máy công cụ, lắp ráp sản phẩm, vận chuyển hàng hoá, … Và trong tương lai nó còn có thể được nghiên cứu để ứng dụng trong nhiều lónh vực khác. MỤC LỤC Quyết đònh Lời cảm ơn Tóm tắt Lời nói đầu NỘI DUNG TRANG CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu 1 1.2. Nhu cầu sử dụng Robot song song cao tốc 5 1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 5 1.3.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 6 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 6 1.4. Đối tượng nghiên cứu 7 1.5. Phương pháp nghiên cứu 7 1.5.1. Phương pháp tiếp cận hệ thống 8 1.5.2. Phương pháp mô phỏng 8 1.6. Nội dung của đề tài 8 1.7. Đònh nghóa một số thuật ngữ 8 CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU VỀ ROBOT 2.1. Giới thiệu 11 2.2. Robot nối tiếp 13 2.3. Robot song song 14 2.4. Robot song song và hướng nghiên cứu 16 2.5. Giới thiệu về Robot song song cao tốc 19 CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC 3.1. Giới thiệu 21 3.2. Mô tả cấu trúc của Robot 21 3.3. Hình học của của Robot 24 3.4. Động học nghòch 26 3.5. Động học thuận 29 3.6. Phân tích ma trận Jacobi 35 3.6.1. Giới thiệu 35 3.6.2. Ma trận Jacobi 35 3.6.3. Các điều kiện đặc biệt 36 3.7. Phân tích ma trận Jacobi của cơ cấu 37 3.7.1. Trạng thái đặc biệt động học đảo 40 3.7.2. Trạng thái đặc biệt động học thuận 40 3.7.3. Trạng thái đặc biệt hỗn hợp 41 CHƯƠNG 4 ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƠ CẤU 4.1. Giới thiệu 44 4.2. Phương pháp Lagrăng 44 4.3. Động lực học của cơ cấu bằng phương pháp lagrăng 46 TỔNG KẾT 53 Tài liệu tham khảo 55 PHỤ LỤC Phụ lục 1 : Sơ đồ cơ cấu robot song song cao tốc 56 Phụ lục 2 : Cấu hình của robot khi mô phỏng 57 Phụ lục 3 : Giao diện và chương trình tính toán động học nghòch 58 Phụ lục 4 : Giao diện và chương trình tính toán động học thuận 68 Phụ lục 5 : Giao diện và chương trình tính toán ma trận Jacobi 78 Phụ lục 6 : Giao diện và chương trình tính toán động lực học 90 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH - Trang 1- CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1. GIỚI THIỆU Từ trước thập niên 90, thuật ngữ Robot hầu như còn xa lạ đối với người dân Việt Nam. Nhưng kể từ khi nhà nước thực hiện chính sách công nghiệp hóa và hiện đại hóa cho đến nay thì tên gọi Robot đã trở nên quen thuộc với mọi người. Mặc dù là đất nước nghiên cứu Robot khá muộn (sau các nước trên thế giới gần nửa thế kỷ) nhưng ở Việt Nam đã có một sân chơi rất sôi động và hấp dẫn đang được các bạn học sinh – sinh viên khối kỹ thuật nhiệt tình hưởng ứng, đó là cuộc thi “Robocon” được tổ chức hàng năm. Thế nhưng, ít ai biết rằng, thuật ngữ Robot lại được xuất hiện lần đầu tiên trong một tác phẩm khoa học viễn tưởng “Rosum’s Universal Robot” của nhà soạn kòch người Tiệp Karen Kapek. Theo tiếng Sec thì Robot có nghóa là người tạp vụ. Và trong tác phẩm này, nhân vật Rosum cùng với con trai ông ta đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để phụ vụ con người. Vậy mà, chỉ hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karen Kapek đã trở thành hiện thực. Giờ đây, kế thừa những thiết kế ban đầu, Robot đã ngày càng được nâng cao về khả năng hoạt động, linh hoạt hơn, chính xác hơn, thông minh hơn, cấu trúc hình học thì đa dạng hơn và phạm vi ứng dụng thì rộng rãi hơn. Thật vậy, trong ngành chế tạo máy thì các máy công cụ đã từng bước được cơ khí hóa và tự động hóa, riêng công việc cấp phôi cho các máy công cụ hiện nay đã được thực hiện bằng robot. Đặc biệt, việc ứng dụng Robot làm việc trong các môi trường độc hại, không an toàn đã đem lại hiệu quả rất cao. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH - Trang 2- Cho đến những năm gần đây, các nhà sản xuất đã ứng dụng các cơ cấu chấp hành Robot để nâng cao tính linh động trong việc chế tạo. Ưu điểm của phương pháp này, các Robot có thể thực hiện được nhiều nguyên công như : chuyển tải vật tư, hàn điểm, sơn phu, lắp ráp, … mà không tốn thêm chi phí thiết kế lại hệ thống. Hiện nay, công nghệ hiện đại đang phát triển theo hướng chất lượng cao và đem lại hiệu quả kinh tế lớn hơn. Tự động hóa robot hiện đang là động lực cơ bản trong việc cải tiến nền sản xuất hiện đại. Phạm vi ứng dụng của Robot ngày càng mở rộng trong nhiều lónh vực khác nhau, nhưng trong luận văn này chỉ trình bày một số ứng dụng của Robot song song : 1. Làm việc ở những nơi nguy hiểm hoặc ở những nơi mà con người không thể trực tiếp làm được : sao hoả, miệng núi lửa, lò hạt nhân … 2. Ứng dụng trong việc đóng gói sản phẩm. Hình 1.1 : Robot song song dùng trong hệ thống thu tín hiệu Hình 1.2 : Robot song song cao tốc dùng để đóng gói sản phẩm LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH - Trang 3- 3. Dùng trong các máy công cụ. 4. Dùng trong lónh vực y học. Hình 1.6 : Robot phẫu thuật dùng trong y học 5. Dùng để thay thế con người thực hiện các công việc trong môi trường khắc nghiệt như xưởng hàn. Hình 1.7 : Robot song song cao tốc ứng dụng trong công nghệ hàn điểm hay hàn đường. Hình 1.3 : Máy cưa CNC dùng Robot song song cao tốc Delta 5 bậc tự do Hình 1.4 : Robot Tornado dùng trong máy phay 5 trục được ứng dụng trong Sản xuất tự động LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH - Trang 4- 6. Dùng trong công nghệ chế biến thực phẩm Hình 1.8 : Robot song song dùng trong công việc ướp thòt gà 7. Dùng trong môi trường đảm bảo yêu cầu vệ sinh cao. Hình 1.9 : Ứng dụng Robot song song cao tốc Delta trong dây chuyền sản xuất bánh kẹo của công ty Demaure 8. Dùng để vận chuyển hàng hóa. Hình 1.10 : Robot song song cao tốc vận chuyển thùng phuy LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH - Trang 5- Mặc dù mục đích ban đầu của Robot là tự động hóa cấp phôi trong ngành cơ khí. Nhưng hiện nay, Robot còn được ứng dụng trong nhiều lónh vực khác như : công tác cứu hộ, an ninh quốc phòng, phá mìn, rà bom, thăm dò khoáng sản, … 1.2. NHU CẦU SỬ DỤNG ROBOT SONG SONG CAO TỐC Kể từ khi bùng nổ cuộc cách mạng công nghệ thông tin cùng với sự phát triển như vũ bão của ngành công nghiệp điện tử đã thúc đẩy các nhà sản xuất phát triển dây chuyền sản xuất hiện đại dùng nhiều loại Robot song song cao tốc. Vì Robot song song cao tốc có các ưu điểm sau : Có khả năng thực hiện công việc mang tính đơn điệu với tốc độ cao, độ chính xác cao, khả năng tải lớn, độ cứng vững cao, … Do vậy, việc ứng dụng Robot để thực hiện các công việc đơn điệu dễ gây nhàm chám cho người lao động nhưng đòi hỏi cường độ làm việc cao cũng như độ chính xác cao đang được đón nhận ở nhiều lónh vực công nghệ do Robot có ưu điểm nổi bật hơn con người là không bò mệt mỏi cũng như nhàm chán khi chỉ thực hiện một công việc lặp đi lặp lại. Các công việc điển hình như là : đóng gói, lắp ráp và phân loại sản phẩm. 1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ROBOT TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.3.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài  Robot công nghiệp bắt đầu được phát triển vào năm 1940. Ban đầu được dùng để chuyển tải các loại vật liệu nguy hiểm, được dùng trong thám hiểm không gian và sau đó được dùng trong công nghệ tự động hóa linh hoạt.  Vào những năm 90, đã có nhiều công ty của Nhật, Bắc Mỹ, Châu Âu đã ứng dụng Robot rộng rãi trong nhiều lónh vực công nghiệp.  Trong những năm gần đây, Robot công nghiệp chủ yếu được dùng cho các thao tác lặp lại nhiều lần như : chuyển tải vật tư, xếp dỡ các chi tiết máy, lắp ráp các bộ phận thành cụm máy và làm việc trong các môi trường nguy hiểm như : LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH - Trang 6- chuyển tải vật liệu phóng xạ, thám hiểm không gian và đáy biển, hàn điểm, sơn phun, … Đặc biệt hiện nay Robot còn được ứng dụng trong lónh vực y khoa để giải phẫu cho con người. Ngoài ra, các nhà sản xuất còn quan tâm đến các loại robot thân thiện với con người như : là Robot giúp việc nhà, giúp người tàn tật, Robot làm hướng dẫn viên du lòch, … 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Với mục tiêu là tiếp cận kỹ thuật Robot, trong nước đã triển khai nhiều đề tài cấp nhà nước, như : Đề tài 58.01.03 trong giai đoạn 81 – 85 và đề tài 52B.03.01 trong giai đoạn 86 – 89. Kết quả nghiên cứu của các đề tài này không những đáp ứng được yêu cầu tiếp cận mà còn có những ứng dụng ban đầu trong kỹ thuật bảo hộ lao động và phục vụ cán bộ kỹ thuật ở nước ta. 1.3.2.1. Về Robot nối tiếp Trong những năn gần đây, đã có rất nhiều loại Robot được nghiên cứu bởi :  Trung tâm nghiên cứu Kỹ thuật Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nghiên cứu tính toán thiết kế Robot RP. Loại Robot này bắt chước cơ cấu tay người.  Trung tâm nghiên cứu Kỹ thuật Đại học Bách Khoa Hà Nội đã thiết kế và chế tạo Robot SCA mini, dùng để giảng dạy, học tập, đồng thời có thể sử dụng để lắp ráp hoặc xắp xếp các vật nhỏ có khối lượng dưới 1 Kg.  Ngoài ra, Trung tâm nghiên cứu Kỹ thuật Đại học Bách Khoa Hà Nội còn thành công trong việc nghiên cứu xây dựng chương trình tính toán điều khiển Robot bằng phần mềm Matlab. 1.3.2.2. Về Robot song song  Khoa cơ khí Đại học Bách Khoa TP.HCM, đã thực hiện đề tài cấp nhà nước KC0312 là Robot Hexapod dùng trong máy phay 5 trục ảo do TS Thái Thò Thu Hà thực hiện. [...]... ứng dụng Robot song song cao tốc trong tương lai của Việt Nam có tiềm năng rất lớn Song, để thiết kế và chế tạo Robot thì bước đầu tiên cần phải tiến hành tính toán và mô phỏng để khảo sát hoạt động của Robot Đó là lý do tôi chọn đề tài chọn đề tài : “TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG ROBOT SONG SONG CAO TỐC 3 BẬC TỰ DO 1.4 ĐỐI TƯNG NGHIÊN CỨU Trong các loại Robot song song cao tốc thì loại ba bậc tự do là khá... với tốc độ cao Hình 1.3 : Robot song song cao tốc dùng cable Hình 1.4 : Robot song song cao tốc Dưới đây là một số hình ảnh về Robot song song cao tốc đã được thiết kế Cấu trúc hình học của Robot song song cao tốc có thể là dùng cable hoặc có thể dùng các thanh liên kết lại có dạng hình bình hành Tuy nhiên, đặc điểm của Robot song song dùng cable là : vận tốc và gia tốc bò hạn chế, cần phải tính toán. .. robot khá mới mẻ trong lónh vực robot ở Việt Nam Hướng nghiên cứu trong luận văn này gồm các bước sau : Trình bày các ưu điểm của robot song song cao tốc Lựa chọn cấu trúc robot song song cao tốc với ba bậc tự do Phân tích động học thuận, động học nghòch, ma trận Jacobi và động lực học Mô phỏng hoạt động của robot 2.5 GIỚI THIỆU ROBOT SONG SONG CAO TỐC Kỹ thuật tự động hóa Robot đã trở thành động lực chính... xác và cường độ làm - Trang 19- LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH việc rất cao nên cần được thay thế người lao động bằng một loại Robot song song cao tốc để có thể đạt được hiệu suất cao nhất So với Robot nối tiếp thì Robot song song cao tốc có những ưu điểm : độ cứng vững cao, moment quán tính thấp, khả năng tải trọng cao Còn so với Robot song song thường thì Robot song song cao tốc được... loại theo ba kiểu sau : Robot song song, Robot nối tiếp và Robot lai (Hình 2.1.) Bộ tác động cuối (End - Effector) Khớp (Joint) Khâu (Rigid Body) Đế (Fixed Base) (a) (b) (c) Hình 2.1 : Ví dụ về a) Robot nối tiếp ; b) Robot song song và c) Robot lai Trong đó, Robot nối tiếp và Robot song song đã được các tổ chức cũng như các nhà sản suất quan tâm nghiên cứu nhiều nhất, do chúng có những ưu và nhược điểm... 13 khâu và 15 khớp quay Do vậy, số bậc tự do là : W = 6n – 5p5 Trong đó : n là số khâu và p5 là số khớp - Trang 22- LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH W = 6.18 – 5.15 = 3 Tay máy trong luận văn này có ba bậc tự do tònh tiến theo ba phương x, y và z Ba bậc tự do còn lại quay quanh trục x, y, z bò khống chế Ba khớp quay được đặt tại A1, A2, A3 Đặc điểm của Robot song song là tấm động và đế... khí có nhiều bậc tự do đểø đạt được độ chính xác và tốc độ cao Đặc điểm của Robot song song là độ cứng vững cao, quán tính thấp và khả năng tải trọng lớn nhưng nhược điểm của chúng là không gian làm việc nhỏ và khó thiết kế Có thể nói một trong những tay máy song song nổi tiếng là Stewart platform (Hình 2.4), nó được chế tạo bởi Stewart vào năm 1965 và được dùng trong công việc mô phỏng máy bay Sau này,... CERT Robot 3 trục 9 Tetrapod CAT Cơ cấu Robot 10 Trường ĐH Kỹ thuật Robot song song 3 DOF Nanyang 11 M–850, F–206 Physik Instrumente 12 F – 100i Fanuc - Trang 17- Hệ thống đònh vò 6 trục Robot đònh vò 6 trục LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KS : PHẠM THỊ HẠNH 13 Cyber Air Base Virtogo 14 Delta Demaurex Mô phỏng 6 DOF Robot song song cao tốc có 3 hoặc 4 trục 15 SMS, Skycam August design Mô phỏng máy bay 16... y Ai φ1i z x Fixed - Base (Đế cố đònh) Hình 3.1 : Sơ đồ nguyên lý của cơ cấu BẬC TỰ DO CỦA CƠ CẤU : Một vật thể trong không gian có 6 bậc tự do, như thế có n vật thể trong không gian sẽ có 6n bậc tự do Tuy nhiên, đối với khớp loại thấp (như khớp lăng trụ, khớp bản lề, … ) sẽ bò khống chế 5 bậc tự do, vì thế nếu có p5 khớp loại 5 sẽ bò khống chế 5p5 bậc tự do Gọi W là số bậc tự do, ta có : W = 6n –... hiện Thiết kế và thí nghiệm Robot (với kết cấu mới) để lực kiểm tra xem có phù hợp với các ứng dụng tiềm năng không HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG LUẬN VĂN NÀY Do không chế tạo mô hình cũng như không thiết kế một loại robot song song cao tốc ứng dụng cho riêng một lónh vực cụ thể nào, mà mục đích của luận văn này chỉ khảo sát một loại robot song song cao tốc ba bậc tự do, để giới thiệu thêm một loại robot khá . cần phải tiến hành tính toán và mô phỏng để khảo sát hoạt động của Robot. Đó là lý do tôi chọn đề tài chọn đề tài : “TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG ROBOT SONG SONG CAO TỐC 3 BẬC TỰ DO 1.4. ĐỐI TƯNG. CỨU Trong các loại Robot song song cao tốc thì loại ba bậc tự do là khá cơ bản và thông dụng, cho nên đối tượng nghiên cứu của luận văn này Robot song song cao tốc ba bậc tự do. 1.5. PHƯƠNG. các ưu điểm của Robot song song thay thế robot nối tiếp trong một số lónh vực. Do thế, đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là Robot song song cao tốc ba bậc tự do. Loại robot này đơn giản