Hình động học rô bốt

Sự ra đời của rô bốt song song đánh giá một bước phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp rô bốt.

Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 lời nói đầu Sự ra đời của rô bốt song song đánh dấu một bớc phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp rô bốt. Các nớc phát triển đã thấy đợc những lợi ích vợt trội mà rô bốt song song mang lại và nhanh chóng tiến hành nghiên cứu phát triển ngày càng mạnh mẽ và đa vào ứng dụng rộng rãi trong đời sống. Việc thiết kế và chế tạo các rô bốt song song với chất lợng kỹ thuật cũng nh yêu cầu thơng mại cao ở các nớc phát triển đợc thực hiện theo quy trình đòi hỏi vốn đầu t lớn và tốn nhiều công sức. Công đoạn khiến nhiều nhà sản xuất đổ nhiều công sức và chi phí nhất là thiết kế và chế tạo thử nghiệm trên nhiều mô hình để đạt đợc kết quả tối u. Giải pháp mà một số nhà chế tạo đa ra để khắc phục tình trạng này là áp dụng thành công của quá trình thiết kế và chế tạo với sự trợ giúp của các phần mềm máy tính nh : Phần mềm hỗ trợ thiết kế CAD (Computer Aided Design) và phần mềm hỗ trợ chế tạo sản xuất CAM (Computer Aided Manufacturing). Giải pháp này có u điểm nổi bật là tiết kiệm đợc chi phí sản xuất và thời gian thử nghiêm trên các mô hình. Đây cũng là giải pháp tốt nhất để áp dụng vào nền công nghiệp Việt Nam tiếp cận với một kiểu mô hình Rô bốt kỹ thuật cao: Rô bốt song song. Xuất phát từ ý tởng tính toán và mô phỏng động học Rô bốt song song nhờ sự hỗ trợ của máy tính em đã xây dựng một chơng trình tính toán động học ngợc và mô phỏng Rô bốt song song sáu bậc tự do bằng phần mềm ứng dụng OpenGL có sự hỗ trợ của CAD 3D. Chơng trình hỗ trợ ngời dùng tiếp cận với rô bốt song song 6 bậc tự do nói riêng và rô bốt song song nói chung từ đó nhanh chóng đa rô bốt song song vào đời sống. Ưu điểm của việc đa OpenGL vào mô phỏng trong bài toán này là hiện nay OpenGL đang đợc sử dụng rộng dãi trong kĩ thuật không chỉ ở Việt Nam mà còn trên toàn thế giới. Chơng trình đợc xây dựng thành các mô đun nhờ đó ngời dùng có thể sử dụng các mô đun ấy phát triển chơng trình theo những hớng khác nhau. Do thiếu kinh nghiệm thực tế, chơng trình không tránh khỏi còn những hạn chế. Rất mong đợc sự chỉ bảo tận tình của các thầy trong bộ môn Cơ Sở Thiết Kế Máy Và Rô bốt đặc biệt là thầy giáo Phạm Minh Hải ngời trực tiếp hớng dẫn em trong đề tài này. Em xin chân thành cảm ơn ! phần I 1 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 phân tích cấu trúc cơ học của rô bốt. Chơng i lịch sử phát triển rô bốt Thuật ngữ "robot" lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm " Russum's Universal Robot " của Karel Capek. Theo tiếng Séc thì robot là ngời làm tạp dịch. Trong tác phẩm này, nhân vật Rossum và con trai đã tạo ra những chiếc máy gần giống ngời để hầu hạ con ngời. Ước mơ viễn tởng đó của Karel Capek đã dần trở thành hiện thực. Nền công nghiệp Robot đã ra đời và không ngừng phát triển. Sự phát triển của Robot có thể tạm chia thành các thời kì sau: I. Thời kì đầu tiên (1947-1961): Năm 1947, Raymond Goetz đa ra ý tởng sản xuất thế hệ đầu tiên robot chép hình. Đến năm 1948, thế hệ M1 ra đời và không ngừng đợc cải thiện để hoàn chỉnh hơn. Đến năm 1954, thế hệ M4 ra đời dựa trên cơ sở song song cải tiến về mặt cơ học và phơng thức truyền động giữa phần điều khiển và tay máy. Năm 1954, ngời Mĩ đầu t vào dự án lớn về hàng không, thúc đẩy sử dụng năng lợng hạt nhân. Nhóm General Electric đã tạo ra những hệ thống điều khiển từ xa có hiệu quả rất cao, với bản mẫu là Handyman (1958). Trong giai đoạn này sự ra đời và phát triển của máy tính điện tử đã tạo tiền quan trọng thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của rô bốt. Những cơ sở đầu tiên của lĩnh vực điều khiển từ xa cũng bắt đầu xuất hiện trong giai đoạn này. II. Thời kì phát triển của Robot(1962-1975): Năm 1961, sản phẩm robot công nghiệp đầu tiên đợc xuất hiện có tên Vowtan của công ty AMF-Mỹ. Cùng trong năm này, sản phẩm mang tên Unimate lần đầu tiên đợc đa vào sử dụng trong nhà máy General Motors. Trong năm tiếp theo, ngời máy Daimber Benz xuất hiện ở Đức. Trong những năm tiếp theo, các nớc khác cũng bắt đầu sản xuất và ứng dụng robot trong sản xuất với quy mô ngày càng mở rộng: Anh từ năm 1967, Thuỵ Điển từ năm 1968, Pháp từ năm 1972, Italia từ năm 1973. 2 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 III. Thời kì từ năm 1975: Từ năm 1975, xu hớng chính của phát triển robot là nâng cao tính năng sử dụng bởi việc điều khiển bằng máy tính điện tử và gắn thêm các cảm biến để nhận biết và xử lí môi trờng làm việc. Các nhà khoa học tại truờng đại học Stanford đã chế tạo thành công robot lắp ráp các loại máy bơm nớc đièu khiển bằng máy vi tính PDP-10 trên cơ sở xử lí thông tin từ các cảm biến lực và hình ảnh. Cùng thời gian này, IBM chế tạo thành công robot có cảm biến xúc giác và cảm biến lực điều khiển bằng máy vi tính dùng để lắp ráp các máy có trên 20 cụm chi tiết. Vào giai đoạn này, ở nhiều nớc cũng tiến hành các công trình ngiên cứu chế tạo các loại rô bốt tổ hợp: các tay máy đợc điều khiển bằng máy vi tính có gắn các thiết bị cảm biến và các thiết bị giao tiếp ngời - máy. Đến những năm 80 của thế kỉ 20, sự phát triển của tin học và vi điều khiển đã thúc đẩy nền công nghiệp robot phát triển mạnh mẽ cả về chất luợng và só lợng. Cho đến nay, trên thế giới có rất nhiều phòng thí nghiệm, nhiều công ty sản xuất robot với trang thiết bị hiện đại. Rô bốt ngày càng trở nên thông minh hơn và gần gũi với con ngời hơn. Ngày nay, rô bốt không chỉ phục vụ trong công nghiệp mà ngày càng đi sâu vào đời sống hàng ngày của con ngời. IV. Lịch sử phát triển rô bốt song song: Năm 1962 các nhà khoa học đã bắt tay vào nghiên cứu một loại rô bốt khác hẳn với cấu trúc các rô bốt truyền thống đó là rô bốt chuỗi động kín đợc gọi là rô bốt song song. Các công trình ngiên cứu của: - Grough, của Stewart công bố năm 1965-1966. - Hunt công bố năm 1983. - Kolhi công bố năm 1988. - Behi công bố năm 1989. - Clavel công bố năm 1994.v.v. Và rất nhiều công trình nghiên cứu khác đã mang lại những thành công rực rỡ trong việc ứng dụng rô bốt phục vụ con ngời. Hexapod là một đại diện điển hình của rô bốt song song. 3 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 chơng II một số khái niệm cơ bản về hệ nhiều vật I. Khâu : Máy gồm nhiều bộ phận chuyển động tơng đối với nhau, mỗi bộ phận có chuyển đông riêng biệt gọi là khâu. Khâu có thể là một vật rắn không biến dạng hoặc có biến dạng. Trừ những trờng hợp cụ thể thì khâu thờng đợc xem là vật rắn không biến dạng. Khâu có thể là một chi tiết máy hay một số chi tiết máy ghép cứng lại với nhau. II. Khớp động học : Khớp là chỗ nối động giữa hai khâu. Tuỳ theo cấu trúc mỗi khớp hạn chế một số chuyển động giữa hai khâu. Bề mặt tiếp xúc của mỗi khâu tại mỗi khớp gọi là thành phần khớp. Hai thành phần của khớp tạo thành một khớp động. Có nhiều cách để phân loại khớp động học, dựa trên tính chất tiếp xúc của các loại khớp ta chia khớp động học làm hai loại: Khớp thấp và khớp cao. 1./ Khớp thấp : Các khớp động học tiếp xúc theo bề mặt gọi là khớp thấp. Các loại khớp thấp cơ bản : - Khớp quay (Revolute Joint - R): Là khớp để lại chuyển động quay của khâu này với khâu khác quanh một trục quay.Khớp quay hạn chế năm khả năng chuyển động tơng đối giữa hai thành phần khớp, khớp quay còn đợc gọi là khớp bản lề. - Khớp trợt (Prismatic Joint - P): Là khớp cho phép hai khâu trợt trên nhau theo một trục. Do đó khớp trợt cũng hạn chế năm khả năng chuyển động tơng đối giữa hai khâu. - Khớp trụ (Cylindrical Joint - C): Là khớp cho phép hai chuyển động độc lập gồm một chuyển động tịch tiến và một chuyển động quay. Do đó khớp trụ hạn chế bốn chuyển động tơng đối giữa hai khâu. - Khớp ren (Helical Joint - H): Là khớp cho phép chuyển động quay quanh trục đồng thời tịch tiến theo trục quay. Tuy nhiên chuyển động tịch tiến phụ thuộc vào bớc của ren vít. Do đó khớp ren hạn chế năm khả năng chuyển động. - Khớp cầu (Spherical Joint - S): Là khớp cho phép thực hiện chuyển động quay giữa hai khâu quanh tâm cầu theo tất cả các hớng, khớp cầu không có chuyển động tịch tiến nào. Vậy khớp cầu hạn chế ba chuyển động tơng đối. 4 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 - Khớp phẳng (Plane Joint - E): Là khớp cho phép thực hiện hai khả năng chuyển động tịch tiến theo hai trục trong mặt tiếp xúc và một chuyển động quay quanh trục vuông góc với mặt phẳng tiếp xúc.Khớp phẳng hạn chế ba chuyển động. Khớp cầu Khớp quay. Khớp phẳng Khớp trụ 2./ Khớp cao : Các khớp động học tiếp xúc theo đờng điểm đợc gọi là khớp cao. Các loại khớp cao cơ bản nh : 5 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 +) Khớp bánh răng (spur gear). +) Khớp bánh răng thanh răng (jack and pinion). +) Khớp cam (cam pair ). III. Cơ cấu : Khớp bánh răng Cơ cấu là tập hợp các vật rắn lập thành cơ hệ nhằm tạo ra một chuyển động xác định. Cơ cấu chỉ gồm các vật rắn chuyển động song phẳng với một mặt phẳng xác định gọi là cơ cấu phẳng Cơ cấu có các vật rắn chuyển động trong không gian gọi là cơ cấu không gian III. Chuỗi động học của cơ cấu : Các khâu trong cơ hệ nối với nhau bởi các khớp tạo thành một chuỗi động học. Một chuỗi động học có thể là chuỗi kín hoặc chuỗi hở. Chuỗi động hở là chuỗi một khâu chỉ đợc nối với một khâu khác. Chuỗi động học kín là chuỗi mà trong đó mỗi khâu ít nhất đợc nối với hai khâu khác. Thông thờng trong giải các bài toán động học thuận và bài toán động học ng- ợc đối với các cơ cấu có cấu trúc chuỗi động hở việc giải bài toán thuận là dễ dàng hơn việc giải bài toán ngợc và ngợc lại đối với các cơ cấu dạng chuỗi động kín giải bài toán động học ngợc lại dễ hơn bài toán động học thuận. Với cùng kích thớc chuỗi động kín có thể chịu tải trọng cao hơn chuỗi động hở do tải trọng không phải dồn hết vào một khâu đầu tiên. Vì vậy tuỳ từng tr- ờng hợp công việc cụ thể ngời ta quyết định dùng cấu trúc chuỗi động kín hay hở để thiết kế cơ cấu, chi tiết. 6 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 Chơng 3 Giới thiệu chung về rô bốt 7 Chuỗi động hở Chuỗi động kín Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 I. Hệ thống sản xuất FMS: FMS viết tắt của thuật ngữ:Flexible Manufactoring System tạm dịch là hệ thống sản xuất linh hoạt.Từ những năm 60 do sự xuất hiện của vi tính rô bốt đã có những thành tựu mới. Trong thời đại ngày nay, kinh tế thị trờng thúc đẩy cạnh tranh do đó các nhà sản xuất phải liên tục cải thiện chất lợng sản phẩm, cũng nh mẫu mã các sản phẩm. Nếu nh thay đổi cả dây truyền sản xuất là vô cùng tốn kém và không khả thi. Do đó một kiểu hệ thống sản xuất mới ra đời. Đó chính là phần mềm hoá quy trình sản xuất. Do đó khi cải tiến hay thayđổi mẫu mã, chất lợng sản phẩm, các nhà sản xuất chỉ việc thay đổi phần mềm một cách linh hoạt. Đó chính là hệ thống sản xuât FMS. Phát triển nền công nghiệp rô bốt chính là giải pháp mà các nớc phát triển chọn lựa và đã đạt đợc những thành công rực rỡ. Ngời ta chia rô bốt ra hai nhóm chính: rô bốt chuỗi hở và rô bốt song song. II. Rô bốt song song và rô bốt chuỗi hở : 1./ Rô bốt chuỗi hở : Là rô bốt có cấu trúc động học hở, một khâu chỉ nối tối đa với 1 khâu khác. Các rô bốt chuỗi hở thờng ở dạng tay máy. Rô bốt chuỗi hở đợc nghiên cứu sớm và nhanh chóng đa vào ứng dụng. Do tải trọng tác động lớn lên khâu cuối cùng nên muốn rô bốt chuỗi hở làm việc trong điều kiện tải trọng lớn thì đòi hỏi cấu trúc rô bốt cũng phải lớn theo. Tuy nhiên do cấu trúc dạng chuỗi hở, rô bốt loại này có làm việc trong những ngóc ngách, đòi hỏi cần xử lí một cách tinh tế. Một số ứng dụng của rô bốt chuỗi hở : Trong gia công cơ khí: Thờng ứng dụng trong các máy hàn tự động, máy khoan, trong các dây chuyền lắp ráp v.v Trong dây truyền sản xuất: Tham gia vào một số khâu trong dây truyền sản xuất nh: phun sơn, khâu bao bì, làm nguội v.v Trong vận tải thờng dùng để bốc xếp hàng hoá. 8 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 Rô bốt Hipo1 2./ Rô bốt song song: Là rô bốt có kiểu cấu trúc động học kín. Mỗi khâu đợc nối với ít nhất 2 khâu khác. Rô bốt song song thờng có cấu truc song song đối xứng gồm: một giá cố định một bàn động và các chân sắp xếp một cách đối xứng. Do cấu trúc nh vậy tải trọng đợc chia nhỏ ra san sẻ cho các chân do đó mỗi chân chịu tải trọng nhỏ hơn so với rô bốt chuỗi hở khi làm việc với cùng tải trọng. Độ cứng vững của rô bốt song song cũng cao hơn rô bốt chuỗi hở. Một số hình ví dụ của rô bốt song song: 9 Rô bốt Puma560 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 Việc điều khiển rô bốt song song cũng gần nh khác hoàn toàn điềukhiển rô bốt chuỗi hở. Ta phải thống nhất điều khiển phối hợp giữa các chân để đạt đợc chuyển động của giá động nh ý muốn. Việc điều khiển này cần đợc tính toán điều khiển song song giữa các chân. Việc ứng dụng rô bốt song song ngày càng rông rãi trong mọi lĩnh vực của cuộc sống: Trong gia công các sản phẩm cơ khí: ứng dụng làm bàn gá dao, bàn gá phôi, ứng dụng rộng rãi trong các máy gia công CNC. 10 Hexapod Tripod [...]... Chơng IV hình động học rô bốt I Cấu trúc hình học : Rô bốt Hexapod gồm một giá di động có thểchuyển động tự do trong không gian nối với giá cố định bởi 6 chân Các chân này có độ dài thayđổi gắn với giá động cũng nh giá cố định bởi cáckhớp cầu Trong thực tế đã có các mô hình rô bốt tơng tự nh các hình a,b,c,d dùng động cơ thuỷ lực gắn với các chân thay đổi độ dài các chân, hình e dùng các động cơ bớc... các chân: Hình a Hình b 14 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 Hình c Hình d Hình e 15 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 Trong đề tài của ta ta nghiên cứu rô bốt hexapod HexaPSS sơ đồ hình vẽ nh sau: Các khớp cầu thuộc giá động và giá cố định phân bố trên các đỉnh của các hình lục giác đều trên các giá Các chân nối giá động với giá... khớp cơ sinh Bản thân các khớp cơ sinh này là các mô đun rô bốt song song Loại rô bốt nhiều bậc tự do này linh hoạt nh con rắn Ngoài ứng dụng trong y học nó còn đợc ứng dụng khi thao tác trong các đờng hầmm trong cống ngầm v.v Trong nghiên cứu sinh học: Mô phỏng hoạt động của các động vật nhiều chân đối xứng v.v Trong công nghiệp lắp ráp: Rô bốt song song có thể đợc bố trí ở nhiều vị trí khác nhau,... lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 chơng V hình động học rô bốt song song hexapod 1./ Đặt hệ toạ độ : Ta đặt hệ toạ độ nh hình vẽ : Zd Yd Od Z Xd A2 Y A3 O A1 X A4 A0 A5 Cơ cấu không gian (Steward-Gough) Robot Hexapod Trên giá cố định đặt gốc toạ độ O tại tâm hình tròn đáy Hớng Ox hớng vào A0, Oz vuông góc với mặt phẳng đáy Trên giá động đặt gốc toạ độ Od trùng với tâm hình tròn đáy Hớng Odx hớng vào C0 Yd... 3./ Bài toán tìm miền làm việc của rô bốt: Để đạt đợc hiệu suất làm việc tối đa cho Rô bốt, khi thiết kế cũng nh khi sử dụng ngời ta cần phải giải bài toán tìm miền làm việc của rô bốt Từ đó có những điều chỉnh hợp lý theo ý mình Khi đã biết khoảng dịch chuyển của các chân con chạy ( toạ độ các chân Ai ), ta tính toạ độ các chân Bi, tức là tìm quỹ đạo của tâm mặt di động Od Đó chính là miền làm việc... cao nên khi đem ứng dụng trong vận tải rô bốt song song phát huy tính ổn định của nó Đợc ứng dụng khi chuyên chở, bốc dỡ, làm việc nơi các bến cảng Trong quân sự: Làm bệ phóng tên lửa, giá đỡ ra đa Trong y học: ứng dụng trong phẫu thuật, trong những ca khó đòi hỏi sự chính xác cao, làm giá đỡ đèn chùm Đặc biệt các nhà khoa học đã đa ra phơng án tao loại rô bốt n bậc tự do bằng cách ghép nối tiếp... vào cách ta chọn mặt cắt, phơng cắt và cách gắn hệ toạ độ lên bàn di động Trong bài toán này ta hãy xét vùng cắt là vùng lồi Trong quá trình làm việc, thông thờng bàn mang dao ít chịu những sự biến đổi đột ngột, để đảm bảo tối u bài toán thì góc xoắn bàn di động phải nhỏ do đó phơng của trục Odyd ít có sự thay đổi Ta có thể bố trí R bốt sao cho phơng của trục Odyd gần với phơng cắt thì đến đây ta có... tiến theo trục z một đoạn a ta đợc hệ toạ độ động Với a là chiều dài của dao cắt Khi đó hệ toạ độ tại điểm cắt sau các bớc chuyển trên đến đây sẽ trùng với hệ toạ độ bàn di động Khi đó ta có ma trận chuyển cơ sở : 1 0 A4 = 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 - a 0 1 (4) Ma trận chuyển toạ độ từ điểm cắt về bàn di động: C= A1*A2*A3*A4 Ma trận chuyển toạ độ từ bàn di động đến điểm cắt : B = C -1.Vì B hay C là các... có thể có các bậc tự do thừa Ví dụ nh ở cấu trúc hình dới đây (mỗi chân sẽ có 1 bậc tự do thừa là bậc tự do thụ động tự quay quanh trục của mỗi chân) Do bậc tự do thừa không có tác dụng truyền lực và mô men, vì vậy ta phải trừ khỏi cơ cấu Nếu gọi các bậc tự do này là t thì công thức (9) đợc viết : r 3 i =1 u= 1 u F= 3(2 i )hi + u -t 6 Thay vào rô bốt của ta : 12 (10) Website: http://www.docs.vn Email... trên các giá Các chân nối giá động với giá cố định ở hai đầu là các khớp cầu Độ dài của các chân có thể thay đổi đợc Sơ đồ các giá nh sau: Yd Y X Xd Giá động Giá cố định 16 Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368 II Hình học robot công nghiệp 1./ Hệ toạ độ Descartes Hệ toạ độ Descartes là một hệ toạ độ trực chuẩn thuận, đợc xác định bởi một điểm gốc và một cơ sở trực chuẩn