Tính toán động học, động lực học và thiết kế chế tạo mô hình robot song song delta rostock

Với đề tài luận văn là: "Tính toán động học, động lực học và thiết kế chế tạo mô hình robot song song Delta Rostock", tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới

MỤC LỤC Trang

MỤC LỤC i

LỜI CẢM ƠN v

HỆ THỐNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vi

HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH VẼ vi

MỞ ĐẦU - 1 -

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG - 3 -

1.2.1 Ưu điểm - 4 -

1.2.2 Nhược điểm - 4 -

1.3.1 Ứng dụng trong công nghiệp - 4 -

1.3.2 Ứng dụng trong mô phỏng - 6 -

1.3.3 Ứng dụng trong y tế - 7 -

Chương 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO CƠ KHÍ ROBOT - 12 -

SONG SONG DELTA ROSTOCK - 12 -

2.1.1 Robot song song Delta dạng 3RRR - 12 -

2.1.2 Robot song song Delta dạng 3PRS - 12 -

2.2.1 Yêu cầu chung - 14 -

2.2.2 Phương án thiết kế - 14 -

1.1 Lịch sử phát triển của robot song song - 3 -

1.2 Ưu nhược điểm của robot song song so với robot chuỗi - 4 -

1.3 Ứng dụng của robot song song - 4 -

1.4 Các hướng nghiên cứu mở rộng về robot song song - 8 -

1.5 Tình hình nghiên cứu robot song song tại Việt Nam - 9 -

1.6 Nghiên cứu robot song song ở Trường Đại học Kinh doanh và Công nghệ Hà Nội và Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - 11 -

2.1 Đặt vấn đề - 12 -

2.2 Phân tích và lựa chọn kết cấu - 14 -

2.2.3 Yêu cầu đặt ra của đề tài - 15 -

2.3.1 Tính toán lựa chọn động cơ - 15 -

2.3.2 Lựa chọn bộ truyền cho robot - 17 -

2.4.1 Thiết kế khung máy - 17 -

2.4.2Thiết kế bộ truyền động tịnh tiến - 19 -

2.4.3 Thiết kế khâu hình bình hành - 20 -

2.4.4 Thiết kế cụm giá di động - 20 -

Chương 3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN ROBOT - 25 -

3.3.1 Nguồn điện - 30 -

3.3.2 Modun điều khiển - 31 -

3.3.3 Thiết kế mạch trên Orcad - 36 -

Chương 4 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC ROBOT SONG SONG DELTA ROSTOCK - 46 -

4.1.1 Mô hình robot song song Delta Rostock - 46 -

4.1.2 Xác định số bậc tự do - 47 -

4.1.3 Các kích thước từ mô hình Robot - 47 -

4.2.1 Chọn hệ tọa độ khảo sát - 48 -

4.2.2 Chọn các tọa độ suy rộng - 50 -

2.3 Tính toán và lựa chọn bộ truyền động cho robot - 15 -

2.4 Thiết kế cụm chi tiết - 17 -

2.5 Chế tạo cơ khí robot - 21 -

2.6 Các thông số kích thước sau khi thiết kế chế tạo - 23 -

3.1 Đặt vấn đề - 25 -

3.2 Nguyên lý điều khiển động cơ bước - 26 -

3.3 Thiết kế hệ điều khiển - 30 -

4.1 Kết cấu động học robot song song Delta Rostock - 46 -

4.2 Xây dựng mô hình cơ học gần đúng cho robot - 48 -

4.3 Thiết lập phương trình liên kết - 50 -

4.4.1 Vận tốc các khối tâm - 52 -

4.4.2 Tính toán vận tốc góc các khâu - 54 -

4.6.1 Kết quả bài toán động học ngược - 62 -

4.6.2 Mô phỏng đối với các khối tâm và vận tốc góc, gia tốc góc các khâu - 69 -

4.7.1 Sơ đồ mô phỏng - 76 -

4.7.2 Xây dựng mô hình - 76 -

4.7.3 Kết quả mô phỏng - 77 -

Chương 5 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC NGƯỢC ROBOT - 78 -

SONG SONG DELTA ROSTOCK - 78 -

5.1.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của chân A1 trong hệ tọa độ cố định Ox1ay1az1a gắn với chân A (Hệ tọa độ (A1)) - 79 -

5.1.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của bàn máy động - 85 -

KẾT LUẬN - 89 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 90 -

PHỤ LỤC - 93 -

4.5 Bài toán động học ngược - 56 -

4.6 Mô phỏng số bài toán động học robot song song Delta Rostock - 61 -

4.7 Mô phỏng robot vẽ đường tròn - 76 -

5.1 Thiết lập phương trình động lực học - 78 -

5.2 Thí dụ mô phỏng bài toán động lực học ngược - 85 -

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Mai Trọng Dũng, học viên cao học khóa 2012B.CĐT.KH chuyên ngành Cơ Điện Tử Sau gần 2 năm học tập, nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo, đặc biệt là GS.TSKH Nguyễn Văn Khang, tôi đã hoàn thành xong luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

Với đề tài luận văn là: "Tính toán động học, động lực học và thiết kế chế

tạo mô hình robot song song Delta Rostock", tôi xin cam đoan đây là công trình

nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của GS TSKH Nguyễn Văn Khang

và chỉ tham khảo các tài liệu được liệt kê Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dưới bất kỳ hình thức nào Nếu có, tôi xin hoàn thành chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 29 tháng 3 năm 2015

Người cam đoan

Mai Trọng Dũng

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện đề tài "Tính toán động học, động lực học và

thiết kế chế tạo mô hình robot song song Delta Rostock", em đã đạt được một số

kết quả nhất định: Nghiên cứu các loại robot song song, tính toán động học, động lực học robot, các phương thức lập trình, điều khiển hoạt động robot, cũng như hiểu thêm về cách thiết kế, chế tạo cơ khí robot Em xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của GS TSKH Nguyễn Văn Khang và các thầy trong bộ môn Cơ học ứng dụng, Viện Cơ khí đã tạo điều kiện để em hoàn thành đề tài này Tuy nhiên, với kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên luận văn không thể tránh được những thiết sót và chưa thể hoàn thiện một cách hoàn hảo như mong đợi Kính mong quý thầy cô đóng góp những ý kiến để đề tài được hoàn thành tốt hơn

Hà Nội, ngày 29 tháng 3 năm 2015

Tác giả luận văn

Mai Trọng Dũng

Bảng 1 Bảng danh sách các chi tiết chế tạo

Bảng 2 Bảng thông số kích thước robot

Hình 1.9 Mô hình thiết bị đồ gá và thiết bị thực tế tại Viện Cơ học

Hình 1.10 Sơ đồ khối bộ điều khiển Robot song song

Hình 2.1 Robot song song Delta 3RRR

Hình 2.2 Robot song song Delta 3PRS

Hình 2.3 Mô hình robot song song Delta Rostock

Hình 2.4 Vị trí phân tích lực

Hình 2.14Mô hình robot sau khi chế tạo

Hình 3.1 Động cơ bước của SANYO DENKI

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý tổng quát

Hình 3.3 Hình ảnh nguyên lý cấu tạo động cơ bước

Hình 3.4 Giản đồ phương pháp điều khiển full-step

Hình 3.5 Giản đồ phương pháp điều khiển half-step

Hình 3.6 Nguồn sử dụng chạy động cơ

Hình 3.7 Nguồn sử dụng cho mạch Main

Hình 3.8 Vi điều khiển ATmega 128

Hình 3.9 Sơ đồ chức năng ATmega128

Hình 3.10Mạch chip ATmega128

Hình 3.11 Các phím chức năng

Hình 3.12 Màn hình LCD

Hình 3.13 Sơ đồ chân của LCD

Hình 3.14 LCD thiết kế trên Orcad

Hình 3.15 Jam cắm mở rộng thiết kế trên Orcad

Hình 3.16 Nguồn cấp cho vi điều khiển

Hình 3.17IC công suất L298N

Hình 3.18 Sơ đồ khối L298

Hình 3.19 Dùng L298 để điều khiển 2 động cơ 1 chiều Hình 3.20 Dùng L298 để điều khiển 1 động cơ bước 4 dây Hình 3.21 Sơ đồ chân L298

Hình 3.22 Ảnh chụp L297

Hình 3.23 Mạch công suất điều khiển động cơ bước

Hình 3.24 Chế độ HALF STEP của L297

Hình 4.6 Tọa độ suy rộng khớp bị động θ ,θ ,θ1 2 3 (rad)

Hình 4.7 Tọa độ suy rộng khớp bị động γ , γ , γ (rad) 1 2 3

Hình 4.8 Vận tốc suy rộng các khớp chủ động (m/s)

Hình 4.9 Vận tốc suy rộng các khớp bị động θ ,θ ,θ& & &1 2 3 (rad/s)

Hình 4.10 Vận tốc suy rộng các khớp bị động γ , γ , γ& & & (rad/s) 1 2 3

Hình 4.11 Gia tốc suy rộng các khớp chủ động (m/s 2 )

Hình 4.12 Gia tốc suy rộng các khớp bị động θ ,θ ,θ&&&1 & &2 &3 (m/s 2 )

Hình 4.13 Gia tốc suy rộng các khớp bị động γ , γ , γ&& &1 & &2 & (m/s3 2 )

Hình 4.14 Sai số vị trí của tâm bàn máy động theo trục X(m)

Hình 4.15 Sai số vị trí của tâm bàn máy động theo trục Y(m)

Hình 4.16 Sai số vị trí của tâm bàn máy động theo trục

Hình 4.17 Sai số vận tốc của tâm bàn máy động (m/s)

2

Hình 4.20Tọa độ khối tâm C2c của chân A2 (m)

Hình 4.21 Tọa độ khối tâm C3c của chân A3 (m)

Hình 4.22 Quỹ đạo các tâm C1, C2, C3 trong không gian Hình 4.23 Vận tốc tâm C1 của chân A1 (m/s)

Hình 4.24 Vận tốc tâm C2 của chân A2 (m/s)

Hình 4.25 Vận tốc tâm C3 của chân A3 (m/s)

Hình 4.26 Vận tốc góc của chân 1c (rad/s)

Hình 4.27 Vận tốc góc của chân 2c (rad/s)

Hình 4.28 Vận tốc góc của chân 3c (rad/s)

Hình 4.29 Gia tốc góc của chân 1c (rad/s 2 )

Hình 4.30 Gia tốc góc của chân 2c (rad/s 2 )

Hình 4.31 Gia tốc góc của chân 3c (rad/s 2 )

Hình 4.32 Mô hình robot trên phần mềm mô phỏng Hình 4.33 Hình ảnh mô phỏng robot

Hình 5.1 Chân A 1 và bàn máy động

Hình 5.2 Đồ thị lực dẫn động các khớp chủ động

Hình 5.3 Đồ thị các phản lực liên kết của chân A1

Hình 5.4 Đồ thị các phản lực liên kết tại chân A2

Hình 5.5 Đồ thị các phản lực liên kết tại chân A3

MỞ ĐẦU

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Thế kỷ21 chứng kiến sự phát triển vượt bậc của nhân loại cả về khoa học kỹ thuật lẫn kinh tế Ngày nay, Robot không còn là cái gì đó quá xa lạ với mọi người Chúng là sự kết tinh những thành tựu to lớn về khoa học kỹ thuật của nhân loại Robot được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, y tế, nghiên cứu khoa học, giải trí, phục vụ đời sống con người Trong các họ robot, chúng ta không thể không nhắc tới robot song song với những đặc thù riêng mà các loại robot khác không có Robot song song có nhiều ưu điểm về độ cứng vững, độ chính xác cũng như khả năng ứng dụng trong thực tế và cho đến nay nó đã dần khẳng định vai trò quan trọng không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực dân sự và quân sự, thu hút được rất nhiều sự đầu tư nghiên cứu của các nhà khoa học, doanh nghiệp Do đó em đã chọn

đề tài : “Tính toán động học, động lực học và thiết kế chế tạo mô hình robot

song song Delta Rostock” làm luận văn tốt nghiệp

II MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN

- Tính toán thiết kế và chế tạo mô hình robot song song Delta Rostock

- Thiết kế chế tạo mạch điện tử và lập trình điều khiển robot

- Tính toán động học, động lực học và mô phỏng chuyển động robot

- Tạo tiền đề cho việc áp dụng robot song song vào các lĩnh vực như máy in 3D, máy gia công, robot lắp đặt sản phẩm

III Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA LUẬN VĂN

Luận văn nghiên cứu và chế tạo mô hình robot song song Các kết quả nghiên cứu về động học ngược robot, động lực học ngược robot sẽ bổ sung vào một phần lý thuyết về robot song song

IV Ý NGHĨA THỰC TIỄN

khả năng thao tác trong các nhiệm vụ như phẫu thuật Trong lĩnh vực công nghiệp, robot song song có thể thao tác nhanh với gia tốc lớn đảm bảo trong qúa trình lắp đặt sản phẩm Robot song song ứng dụng trong máy in 3D là một sản phẩm đã và đang ứng dụng rất nhiều trong đời sống Ngoài ra, sử dụng robot song song trong

mô phỏng là một lĩnh vực đang được nhiều doanh nghiệp, viện nghiên cứu quan

tâm

V NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN

Luận văn được trình bày cụ thể các vấn đề như sau:

Chương 1: Tổng quan về robot song song

Sơ lược về lịch sử phát triển của robot song song, phân loại robot song song và ứng dụng của robot song song, qua đó đưa ra kết luận và định hướng nghiên cứu đề tài

Chương 2: Tính toán thiết kế chế tạo cơ khí robot song song Delta Rostock

Chỉ ra được mô hình robot song song cần nghiên cứu của luận văn, các cơ sở lý thuyết và mô hình động học của robot, đưa ra được phương án thiết kế, chế tạo robot

Chương 3: Thiết kế mạch điện tử điều khiển robot

Chọn động cơ và phương pháp điều khiển động cơ Trên cơ sở đó thiết kế, lựa chọn mạch điều khiển phù hợp để điều khiển robot

Chương 4: Tính toán động học ngược robot song song Delta Rostock

Chương này trình bày bài toán động học ngược robot

Chương 5: Tính toán động lực học ngược robot Delta Rostock

Chương này trình bày bài toán động lực học ngược robot

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG

1.1 Lịch sử phát triển của robot song song

Xuất phát từ nhu cầu và khảnăng linh hoạt trong sản xuất, các cơ cấu Robot cũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú Thuật ngữ Robot bắt đầu xuất hiện từ năm 1920 trong tác phẩm Rossum’s universal Robots của nhà văn Czech, Karel Capek Sau đó vài năm, những cơ cấu có cấu trúc nối tiếp dạng chuỗi hở được nghiên cứu nhằm thực hiện hoạt động giống như cánh tay người Năm1962, Gough

và Whitehall là những người đầu tiên đặt nền móng cho việc nghiên cứu Robot song song Đó là loại Robot gồm các chuỗi động học kín, có thể đối xứng hoặc bất đối xứng Đến năm 1965, Stewart là người bắt đầu nghiên cứu tới ứng dụng của Robot song song Ông đã cho ra đời buồng tập lái máy bay dựa trên các cơ cấu có cấu trúc song song Ngày nay, lĩnh vực Robot song song đã có các bước phát triển mạnh mẽ

đa dạng cấu trúc, độ linh hoạt cũng như không gian làm việc Robot song song NUWAR có thể đạt tới gia tốc 600 (m/s2) Robot song song được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp, y tế, giáo dục,

1.2 Ưu nhược điểm của robot song song so với robot chuỗi

1.2.2 Nhược điểm

- Khoảng không gian làm việc của Robot song song nhỏ hơn Robot dạng chuỗi nếu kích thước hình học tương đương

- Việc giải các bài toán về động học, động lực học phức tạp hơn

- Có nhiều điểm suy biến( kỳ dị động học) trong không gian làm việc

1.3 Ứng dụng của robot song song

1.3.1 Ứng dụng trong công nghiệp

Vào năm 1947, Eric Gough [19] đã đưa ra các nguyên lý cơ bản và phát triển thiết bị tên là “ Universal Tyre-Testing Machine” dùng để kiểm tra lốp xe cho hãng Dunloo Thiết bị này chính thức đi vào vận hành năm 1955 Tấm dịch chuyển của thiết bị này có hình lục giác, mỗi góc nối với các khâu tác động tuyến tính bằng các khớp cầu Đầu còn lại của các khâu tác động được nối với bệ bằng các khớp cardan Các khâu có chiều dài thay đổi do cơ cấu dẫn động tịnh tiến Thiết bị này vẫn sử dụng đến năm 2000 Hiện nay, thiết bị này đang được trưng bày tại Viện bảo tàng khoa học Anh

Một loại robot khác được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp là robot Delta [20] Robot song song Delta được sáng chế bởi Reymond Clavel vào đầu thập niên

1980 với ý tưởng là dùng các hình bình hành để chế tạo robot song song có 3 bậc tự

do chuyển động tịnh tiến và một bậc chuyển động quay Robot Delta đã nhận được

36 bằng phát minh, trong đó có những bằng sáng chế quan trọng nhƣ của WIPO (WO 87/03528 cấp này 18/06/1987), bằng sáng chế Hoa Kỳ (US 4,976,582 cấp ngày 11/12/1990) và bằng sáng chế châu Âu (EP 0 250 470 cấp ngày 17/07/1991) Robot Delta đƣợc dùng trong dây chuyền đóng gói thực phẩm, làm thiết bị nâng gắp…

Hình 1.2 Tấm dịch chuyển Gough

1.3.2 Ứng dụng trong mô phỏng

Vào năm 1965, Stewart đã đề xuất sử dụng cơ cấu song song để làm thiết bị

mô phỏng bay École Nationale dE1quitation (Pháp) đã phát triển một thiết bị được đặt tên là Persival dùng để huấn luyện các nài ngựa.Sản phẩm này đã được thương mại hóa

Hình 1.4 Tấm dịch chuyển Stewart

Hình 1.5 Sản phẩm Persival của École Nationale dE1quitation (Pháp)

KAIST (Hàn Quốc) đã phát triển thiết bị mô phỏng xe đạp Motek đã chế tạo Caren dùng để huấn luyện thể thao và phục hồi chức năng cho người bệnh và khuyết tật

Hình 1.6 Bộ mô phỏng xe đạp của KAIST và sản phẩm Caren của Motek

1.3.3 Ứng dụng trong y tế

Công ty Elekta (Thụy Điển), một công ty chuyên về các trang thiết bị y tế đã dùng robot Delta để làm thiết bị nâng giữ kính hiển vi có khối lượng 20 kg dùng trong việc giải phẫu

Một dự án của châu Âu chế tạo robot CRIGOS (viết tắt của chữ Compact Robot for Image Guided Orthopedic) sử dụng cơ cấu Gough-Stewart nhằm cung cấp cho các bác sĩ phẫu thuật với một công cụ hiệu suất cao cho phẫu thuật xương

Hình 1.8 Robot CRIGOS dùng để phẫu thuật tái tạo xương

1.4 Các hướng nghiên cứu mở rộng về robot song song

Ta nhận thấy một điều là có một số lượng lớn các nghiên cứu về động học và tĩnh học tay máy song song và các vấn đề này đã được giải quyết khá trọn vẹn Tuy nhiên còn có ít nghiên cứu về động lực học và điều khiển, và cũng có ít bài báo về phân tích vùng làm việc và phân tích các cấu hình đặc biệt, chỉ giải quyết từng phần của vấn đề chứ chưa hề có được sự phân tích trọn vẹn và hoàn chỉnh Một vài vấn

đề còn để mở trong lĩnh vực tay máy song song đang thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong thời gian sắp tới, bao gồm:

- Về động lực học và điều khiển: nghiên cứu đáp ứng động lực học của tay máy thông qua việc mô phỏng và sử dụng các công cụ phân tích/số học, khám phá các khả năng của các chiến lược điều khiển đặc biệt đem lại ưu điểm cho cấu trúc

song song của tay máy và cải thiện các tác vụ, từ đó rút ra các kết quả liên quan đến việc quan sát và điều khiển

- Về vùng làm việc và cấu hình đặc biệt: việc mô tả vùng làm việc một cách chi tiết và dễ sử dụng, tìm hiểu tất cả các tính chất của các dạng cấu hình đặc biệt, nghiên cứu việc phân đoạn vùng làm việc bởi các dạng cấu hình đặc biệt, tổng hợp vùng làm việc của tay máy song song, và thiết lập các tiêu chuẩn cho các đường đi không có cấu hình đặc biệt với một thế cho trước

- Về thiết kế: tổng hợp động học tối ưu của tay máy để thu được vùng làm việc

có điều kiện tốt, phát triển các tay máy song song có bậc tự do thừa và tìm hiểu các đặc tính của nó, so sánh các tay máy song song không có bậc tự do thừa với các tay máy song song có bậc tự do thừa thông qua việc vận hành, ưu điểm của từng loại

1.5 Tình hình nghiên cứu robot song song tại Việt Nam

Các tác giả Phạm Văn Bạch Ngọc, Vũ Thanh Quang, Đỗ Trần Thắng và Phạm Anh Tuấn tại phòng cơ điện tử, viện cơ học đã lựa chọn mô hình, mô phỏng động lực học và tính toán thiết kế để chế tạo một robot cơ cấu song song cụ thể (Hexapod) ứng dụng trong gia công cơ khí [9] Các máy công cụ truyền thống sau khi thêm bộ đồ gá vạn năng có thể gia công được những chi tiết có bề mặt phức tạp

mà trước đây không thực hiện được Nhóm tác giả cũng đã chế tạo thành công thiết

bị này và thiết bị hiện đang được trưng bày tại Viện Cơ học Ưu điểm nổi bật của loại robot này là bề mặt tấm đế di động của robot có thể chuyển động tự do linh hoạt, vì vậy việc tạo hình bề mặt được thực hiện dễ dàng hơn và đạt yêu cầu về độ chính xác cao hơn Kết cấu động học của robot song song có độ cứng vững cao và chịu được tải trọng lớn mặc dù kích thước robot nhỏ Tầm hoạt động của robot 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 Ngoài

ra, robot song song dễ dàng được lắp đặt ở các vị trí và các hướng khác nhau (trên thuyền và treo trên trần, tường ) Điểm sáng tạo trong nghiên cứu là việc thiết kế,

Phần mềm SACR 1.0 (Simulation and Control of robot), dùng cho thiết kế quỹ đạo, mô phỏng và điều khiển robot Đặc biệt, SACR đã đƣợc phát triển là hệ mở và tổng quát để có thể sử dụng cho các loại robot khác nhau

Bộ điều khiển vị trí đa trục có chức năng điều khiển phối hợp đồng thời sáu bộ truyền động cho 6 cơ cấu chấp hành của PR6-01

Hình 1.9 Mô hình thiết bị đồ gá và thiết bị thực tế tại Viện Cơ học

Nhóm tác giả Nguyễn Minh Thạnh, Nguyễn Ngọc Lâm, Trần Công Tuấn và Nguyễn Công Mậu đã trình bày cách tiếp cận những cấu hình đặc biệt của tay máy song song bằng cách xem xét số bậc tự do của khâu ra và số lƣợng các chuỗi động học phụ liên kết với nền và khâu ra Lý thuyết A.P Kotelnikov cũng đã đƣợc dùng trong nhóm vít duy nhất biểu diễn những nhóm dịch chuyển để loại trừ dịch chuyển không-điều khiển của khâu ra

Phòng cơ điện tử (viện cơ học) đã đƣa ra một giải pháp hoàn chỉnh điều khiển robot cơ cấu song song, phân tích xử lý song song, xử lý phân tán và ứng dụng nguyên lý Hardware-in-the-Loop trong mô phỏng điều khiển

Các nhà nghiên cứu tại bộ môn Cơ Điện tử, Khoa Cơ khí, Đại học Bách Khoa Tp.HCM là Từ Diệp Công Thành và Đặng Văn Nghìn đã nghiên cứu và chế tạo bộ điều khiển cho robot song song Do có cấu trúc khác với cấu trúc nối tiếp, nên nếu

dùng các phương pháp điều khiển thông thường thì tính đáp ứng của robot sẽ chậm Nhóm tác giả đã chế tạo bộ điều khiển robot có 6 khâu động học độc lập kết hợp với giải thuật điều khiển song song để tăng tính đáp ứng và linh hoạt cho robot

Hình 1.10 Sơ đồ khối bộ điều khiển Robot song song

Ngoài ra, cũng còn rất nhiều các nghiên cứu về tính toán, mô phỏng và chế tạo các mẫu Robot song song khác được tiến hành ở các trường đại học và các viện nghiên cứu

1.6 Nghiên cứu robot song song ở Trường Đại học Kinh doanh và Công nghệ

Hà Nội và Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Các kỹ sư Mai Trọng Dũng, Phạm Công Dũng, Đào Anh Tùng – Khoa Cơ khí – Điện tử, Trường Đại học Kinh doanh và Công nghệ Hà Nội đã nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo 3 mô hình robot song song: Robot song song Stewart, 2 loại robot song song Delta

Tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Nguyễn Văn Khang [2, 6, 7, 26] đã nghiên cứu các phương pháp tính toán động học, động lực học và điều khiển robot song song ( Robot song song Delta 3RRR, robot song song Delta 3PRS, robot Stewart…)

Chương 2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO CƠ KHÍ ROBOT

SONG SONG DELTA ROSTOCK 2.1 Đặt vấn đề

Robot song song Delta được nghiên cứu có nhiều biến thể phụ thuộc vào kết cấu truyền động Dưới đây là 2 loại robot Delta được nghiên cứu trong thực tế

2.1.1Robot song song Delta dạng 3RRR

Hình 2.1 Robot song song Delta 3RRR

Robot trên có kết cấu gồm giá cố định, 3 động cơ dẫn động khớp quay, 3 khâu hình bình hành, các khớp nối là khớp cầu, giá di động

2.1.2Robot song song Delta dạng 3PRS

Hình 2.2 Robot song song Delta 3PRS

Robot trên có kết cấu gồm giá cố định, 3 động cơ dẫn động tịnh tiến, 3 khâu hình bình hành, các khớp nối là khớp cầu, giá di động

 Kết luận: Hai mô hình robot song song Delta kể trên, tác giả quyết định lựa chọn mô hình Robot song song Delta dạng 3PRS làm đề tài nghiên cứu

 Mô hình Robot song song Delta Rostock

Hình 2.3 Mô hình robot song song Delta Rostock

 Kết cấu của Robot bao gồm các phần:

- Bàn máy cố định

- Có 3 khớp trƣợt dẫn động bởi 3 động cơ, các động cơ này gắn chặt với bàn máy cố định

- Có 6 thanh nối, 3 thanh nối đầu tiên đƣợc hàn cố định với 3 khớp dẫn động,

3 thanh nối còn lại đƣợc gắn chặt vào bàn máy di động

- Có 3 chân bị động, mỗi chân sử dụng một cấu trúc hình bình hành

- Robot có 12 khớp cầu, mỗi cơ cấu hình bình hành có 4 khớp cầu, để liên kết giữa 2 khớp trƣợt chủ động với 2 thanh nối

2.2 Phân tích và lựa chọn kết cấu

2.2.1 Yêu cầu chung

Mẫu robot song song Delta Rostock là mẫu robot phục vụ nghiên cứu và ứng dụng trong công nghệ in 3D nên phù hợp với các yêu cầu:

 Yêu cầu về tính năng

- Robot có khả năng vẽ được hình dạng theo yêu cầu của người lập trình

- Robot có đầu thao thác có thể làm việc trong vùng không gian phù hợp

- Robot đạt độ chính xác để có thể khả năng ứng dụng trong công nghệ in 3D

 Yêu cầu về kích thước

- Trong phạm vi luận văn là nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm mô hình robot nên kích thước robot phải nhỏ gọn và đảm bảo những yêu cầu kỹ thuật đặt ra

 Yêu cầu về chế tạo

- Những thiết bị, linh kiện để chế tạo linh kiện phải thông dụng, dễ kiếm, mọi quá trình chế tạo cần được đơn giản hóa tối đa phù hợp với nhu cầu của sản phẩm

- Bộ truyền động sẽ ưu tiên bộ truyền động đai giúp cho bạc được dẫn động tịnh tiến

- Khớp cầu sẽ là lựa chọn phù hợp cho robot robot song song

- Robot được thiết kế vẽ hình dạng các quỹ đạo nên trên bàn máy di động sẽ được tích hợp thêm bút viết

2.2.3 Yêu cầu đặt ra của đề tài

Với các yêu cầu và phương án thiết kế trên, mô hình robot cần đạt một số yêu cầu sau:

- Tải trọng tối đa của robot : m=0.2kg

- Vận tốc làm việc của bàn máy độngvd=0.5m/s

2.3 Tính toán và lựa chọn bộ truyền động cho robot

2.3.1Tính toán lựa chọn động cơ

Robot song song hoạt động, bàn máy di động chịu tải trọng cố định không đổi, chịu lực quán tính thay đổi theo các vị trí khác nhau Do vậy để đơn giản việc tính toán chọn động cơ sơ bộ, ta sẽ tính toán ở một số trường hợp đặc biệt Ta sẽ chọn trường hợp robot tại vị trí động cơ chịu tải lớn nhất, khi đó giả sử chỉ xét toàn bộ lực tác dụng lên trên một động cơ của 1 nhánh(nhánh 1)

Xét robot tại trường hợp như hình dưới Ta sẽ chọn sơ bộ động cơ tại nhánh 1 Tại vị trí này trục bạc trượt chịu tác dụng của trọng lực P và lực quán tính Fqt Giả

sử gia tốc cần đạt được lớn nhất là a= 5m / s2

Hình 2.4 Vị trí phân tích lực

Khi đó công suất động cơ P sẽ được tính: yc

P : Công suất trên trục công tác

η: Hiệu suất của hệ dẫn động

Công suất trên trục công tác đƣợc tính theo công thức:

v : Vận tốc trên toàn bộ bạc trƣợt ( dây đai), vb= 0.5m / s

Khi đó toàn bộ lực tác dụng lên trục dây đai:

h : Hiệu suất truyền động dây đai h =ol 0.98

Do đó, hiệu suất truyền động h = 0.94x0.98= 0.9212

Nhƣ vậy công suất sơ bộ cần thiết của động cơ là:

Có 3 bộ truyền tịnh tiến chúng ta có thể lựa chọn nhƣ sau:

- Bộ truyền tịnh tiến Vitme-bi

Do vậy ta quyết định chọn bộ truyền dây đai để truyền động tịnh tiến cho robot

2.4 Thiết kế cụm chi tiết

2.4.1 Thiết kế khung máy

a) Giá cố định

Giá cố định là bộ phận chứa tất cả động cơ truyền động và chịu toàn bộ tải trọng của robot

b) Bộ phận bút vẽ

Hình 2.13 Bút viết

2.5 Chế tạo cơ khí robot

công

Mika 5mm Cắt laser

mika Ghép mika

cứng

Mika 5mm Cắt laser

mika Ghép mika

4 Bộ căng

đai

Mika 5mm Cắt laser

mika Ghép mika

tiến

Mika 5mm Cắt laser

mika Ghép mika

mika Ghép mika

động

Mika 5mm Cắt laser

mika Ghép mika

8 Khâu

hình bình hành

Bảng1 Bảng danh sách các chi tiết chế tạo

2.6 Các thông số kích thước sau khi thiết kế chế tạo

- R là khoảng cách từ tâm của bàn máy cố định tới mỗi trục động cơ, ở đây ta giả sử tâm bàn máy động có cùng độ cao với các trục động cơ

- r là khoảng cách từ tâm bàn máy di động tới các trục thanh nối của bàn máy động

- L là chiều dài của cấu trúc hình bình hành (tức chiều dài của khâu bị động)

Hình 2.14 Mô hình robot Delta Rostock

 Đánh giá: Nhƣ vậy sau khi tính toán phân tích lựa chọn chúng ta đã tiến

hành thiết kế và chế tạo mô hình robot song Delta Rostock

Chương 3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN ROBOT

3.1 Đặt vấn đề

Theo như yêu cầu của mô hình, chúng ta cần lựa chọn 3 động cơ để điều khiển

3 truyền động tịnh tiến của bạc trượt Phù hợp với công suất và lập trình điều khiển, chúng ta chọn 3 động cơ bước để truyền động cho robot

Hình 3.1 Động cơ bước của SANYO DENKI

Thông số kỹ thuật của động cơ bước sử dụng:

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý tổng quát

+ Main :Nhiệm vụ nhận tín hiệu từ máy tính cấp tính cấp tín hiệu điều khiển các Driver + Driver :Nhận xung từ chíp và điều khiển số bước động cơ với 400 xung /vòng + Driver sử dụng IC công suất L298 (cầu H đôi) và IC điều khiển động cơ bước L297 + Động cơ bước :Động cơ đơn cực 6 dây và điều khiển theo phương pháp lưỡng cực 4 dây

3.2 Nguyên lý điều khiển động cơ bước

Hình 3.3 Hình ảnh nguyên lý cấu tạo động cơ bước

Động cơ bước đơn cực cả nam châm vĩnh cửu lẫn động cơ bước hỗn hợp có 5 hay 6 đầu dây thường dùng sơ đồ trên một kết nối giữa cho mỗi dây Khi sử dụng các kết nối giữa của cuộn dây thường được kết vào nguồn cung cấp dương và hai đầu của mỗi cuộn dây được nối xuống đất, tuỳ thuộc đầu vào nối đất ta sẽ xác định chiều quay rotor

Động cơ mô tả ở trên là loại động cơ nam châm vĩnh cửu hay hỗn hợp mỗi bước tương ứng 90 độ Cuộn dây số một của động cơ được định ở giữa cực trên và cực dưới của stator trong khi cuộn dây thứ 2 của động cơ được định giữa cực trái và phải của động cơ Rotor động cơ nam châm vĩnh cửu này có 6 cực 3 nam và 3 bắc được sắp xêp vòng tròn

Cho độ phân giải cấp cao hơn rotor động cơ phải có nhiều cực hơn loại động

cơ 90 độ cho mỗi bước ở trên là một trong các thiết kế động cơ điện phổ biến nhất

tuy nhiên loại động cơ 15 hay 7.5 độ cho mỗi bước cực có giá trị hơn

Như trong hình vẽ minh họa dòng điện chạy từ điểm giữa cuộn dây tới điểm cuối là nguyên nhân gây ra cho đỉnh của cực stator là bắc trong khi đó cực dưới lại nam , nó hút rotor về vị trí như hình vẽ Nếu ta ngưng cấp điện cho cuộn thứ nhất và

cấp điện cho cuộn thứ hai thì rotor sẽ quay 30 độ hay một bước

Để cho động cơ quay liên tục ta cấp điện cho hai cuộn dây tuần tự Hình sau sẽ

minh hoạ cho động cơ quay theo chiều thuận:

Winding 2a 0110011001100110011001100

Time 

Hình 3.4 Giản đồ phương pháp điều khiển full-step

Chú ý hai nửa của mỗi cuộn dây không bao giờ ở mức 1 cùng một lúc Cả hai kiểu kích ở trên sẽ làm động cơ quay ở từng thời điểm Cách trước chỉ có một cuộn dây kích tại thời điểm dẫn do vậy sẽ tốn năng luợng ít hơn Đối với cách hai thì tại một thời điểm có hai cuộn dây được kích đồng thời do vậy sẽ tốn nhiều năng lượng hơn.Tuy nhiên nó lại cung cấp 1 moment gấp 1.4 lần so với cách kích trước (chú ý

rằng hai nửa của một cuộn dây không bao giờ được kích đồng thời)

Nếu sử dụng phối hợp hai cách trên lại với nhau ta được cách điều khiển theo

Time 

Hình 3.5 Giản đồ phương pháp điều khiển half-step

Để tăng moment cho động cơ, ta dùng phương pháp điều khiển lưỡng cực điều khiển động cơ bước(bỏ 2 dây cấp nguồn 1 và 2, chỉ còn 4 dây đấu vào 4 cực từ) tương đương với việc điều khiển động cơ bước lưỡng cực 4 dây

Tuy nhiên điều khiển theo phương pháp này sẽ làm mạch công suất phức tạp nên rất nhiều

Mạch điều khiển động cơ yêu cầu là mạch điều khiển cầu H (H-bridge) cho mỗi cuộn dây Mạch cầu H cung cấp năng lượng 1 cách độc lập mỗi đầu cuộn dây Tín hiệu điều khiển tuần tự cho mỗi bước động cơ như sau:

Đối với hệ điều khiển động cơ bước ta thấy đó là một hệ khá đơn giản vì không hề có phần tử phản hồi Điều này có được vì trong quá trình hoạt động động

cơ bước không gây ra sai số tích lũy, sai số của động cơ là sai số khi chế tạo Việc

sử dụng động cơ bước tuy đem lại độ chính xác chưa cao nhưng ngày càng được dùng phổ biến vì công suất và bước góc của động cơ ngày càng được cải thiện

3.3 Thiết kế hệ điều khiển

3.3.1 Nguồn điện

a) Bộ nguồn sử dụng chạy động cơ

Hình 3.6 Nguồn sử dụng chạy động cơ

b) Bộ nguồn sử dụng chạy mạch Main điều khiển

Hình 3.7 Nguồn sử dụng cho mạch Main

3.3.2 Modun điều khiển

Đây là khối điều khiển logic trong hệ điều khiển 3 động cơ bước của robot song song Mạch điều khiển được thiết kế nhằm cấp xung điều khiển logic cho mạch công suất điều khiển động cơ bước Trong mạch điều khiển logic lại chia thành các modul khác nhau Dưới đây là các modul chức năng trong mạch main

 Vi điều khiển trung tâm

Chọn vi điều khiển sử dụng là ATmega 128 thuộc dòng Mega của họ vi điều khiển

AVR có các tính năng tiên tiến:

- Bộ nhớ 128 K bytes (flash)

- 4 K bytes (EEPROM)

- 4 Kbytes bộ nhớ SRAM bên trong

- 64 thanh nghi I/O

- 160 thanh nghi vào ra mở rộng