đồ án robot mô phỏng robot delta song song sủ dụng solitwork và matlab

Qua đó, ta sẽ phát triển thành sản phẩm ứng dụng trong gia công tạo hình, lắpghép và vận chuyển sản phẩm trong các quá trình sản xuất.3.Phạm vi và nội dung nghiên cứu Đề tài được thực hi

LỜI NÓI ĐẦU

Đất nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa và hiện đại hóa, để tiến kịpcác nước trong khu vực và trên thế giới, nền công nghiệp nước nhà cần tiếp cận cáccông nghệ và thiết bị hiện đại

Kĩ thuật robot đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực ở nhiềunước, nó đã đem lại hiệu quả to lớn trong sản xuất công nghiệp, trong quốc phòng,

y tế, xã hội, thám hiểm vũ trụ Tuy nhiên, việc ứng dụng robot vẫn còn là lĩnh vựcmới mẽ đối với nền công nghiệp nước nhà Trong xu hướng phát triển chung việcnghiên cứu và sử dụng robot ở Việt nam chắc chắn sẽ phát triển

Trong quá trình thực hiện đề tài đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu, tính toán và

chế tạo mô hình robot song song 3 bậc tự do” em đã nhận được rất nhiều sự giúp

đỡ quý báu.Trước hết em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Hồ Sỹ Phương đãtận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ để em có thể hoàn thành đồ án một cách tốtnhất Cảm ơn các thầy cô giáo giảng dạy bộ môn trong suốt 5 năm qua đã cung cấpcho em những kiến thức cần thiết tạo điều kiện cho em hoàn thành được đồ án nàytheo đúng yêu cầu và thời gian quy định.Cảm ơn các bạn trong lớp K54 Kỹ ThuậtĐiều Khiển Và Tự Động Hóa đã nhiệt tình tham gia đóng góp ý kiến trong quá trìnhthực hiện đề tài

Do kiến thức còn hạn chế và thời gian không quá 3 tháng để hoàn thành nên

em không tránh khỏi những sai sót trong thiết kế, cũng như cách trình bày Rấtmong sự thông cảm chỉ bảo và hướng dẫn của quý thầy cô và các bạn để đồ án tốtnghiệp của em được tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn.

TÓM TẮT

Ngành công nghiệp robot trên thế giới đã đưa được sản phẩm là robot côngnghiệp để phục vụ sản xuất, thậm chí phục vụ nhu cầu giải trí cũng như chăm sóccon người Với ngành công nghiệp của Việt Nam thì robot chưa được xuất hiệnnhiều trong các dây truyền sản xuất vì sản phẩm này còn quá đắt đối với thị trườngViệt Nam.Nhằm nội địa hóa sản phẩm, cũng như nghiên cứu chuyên sâu về robot,

em chọn đề tài “Nghiên cứu, tính toán và chế tạo mô hình robot song song 3 bậc

tự do” Đề tài này hướng tới có thể tiến hành chế tạo robot delta trên thực tế, xác

định vật liệu cũng như cơ cấu truyền động của mỗi bậc, tính toán động học chorobot từ đó có phương án kết hợp dây chuyền sản xuất

Mục đích của đề tài này là nghiên cứu về cấu tạo và xây dựng những giải phápphần cứng cho robot song song 3 bậc tự do Nhằm làm chủ kỹ thuật chế tạo robot,

có thể áp dụng vào phòng thí nghiệm của các trường cao đẳng, đại học cũng nhưứng dụng trong sản xuất công nghiệp

PREFACE

The robot industry in the world has brought the product is industrial robots toserve production, even serving the needs of entertainment as well as human care.With the industry of Vietnam, the robot has not appeared much in the productionline This product is too expensive for the Vietnamese market.In order to

localization of products, as well as in-depth research on robots, I chose the topic

"Studying, calculating and modeling a parallel robot model 3 degrees".This

topic aims to be able to develop the robot delta in fact, determine the material aswell as the actuator of each level, calculate the dynamics for the robot from whichthe method of production line integration

The purpose of this topic is to study the structure and construction of hardwaresolutions for parallel robot with 3 degrees of freedom To be the master of robotics,

it is possible to apply to laboratories of colleges and universities as well asapplications in industrial production

MỤC LỤC

Hình 1.1 Robot song song phẳng 3 bậc tự do với cấu trúc chân RRR 15

Hình 1.2.Cấu trúc chấp hành song song 3PRP 15

Hình 1.3 Cấu trúc chấp hành kiểu cầu 3RRR 16

Hình 1.4 Robot 4 chân của hang R.S Mosher và hãng General Electric 17

Hình 1.5.Sơ đồ khối của bộ điều khiển song song 20

Hình 2.1 IRB 360 Flexpicker của ABB 21

Hình 2.2: Robot Delta TOSY TI P304-01 22

Hình 2.3: Robot Delta Adept Quattro s650H 23

Hình 2.4 Robot Delta kiểu 3-PRPaR 24

Bảng 2.1: Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-PRPaR 24

Hình 2.5 Robot Delta kiểu 3-RRPaR 25

Bảng 2.2.Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-RRPaR 25

Hình 2.6 Robot Delta kiểu 3-P2S2S 26

Bảng 2.3.Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-P2S2S 26

Hình 2.7 Robot Delta kiểu 3-R2S2S 27

Bảng 2.4 Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-R2S2S 27

Hình 2.8 Sơ đồ động học và kết cấu của robot delta 3 bậc tự do 28

Hình 2.9 Thông số chiều dài và các góc đặc trưng của robot delta 28

Bảng 2.5 Thông số hình học robot song song delta thiết kế 29

Hình 2.10 Cấu trúc hình học của Delta Robot 30

Hình 2.12 Sơ đồ mô tả nguyên tắc xây dựng bài toán động học thuận 32

Hình 2.13 Các kích thước cơ bản của robot delta 32

Hình 2.14 Nguyên lý xác định bài toán động học ngược 35

Hình 3.1 Mô hình hệ thống điều khiển robot 40

Hình 3.2.Bo mạch Arduino Uno R3 41

Bảng 3.1.Thông số cơ bản của mạch Arduino Uno R3 41

Hình 3.3.Cấu tạo động cơ RC servo 42

Hình 3.4 Sơ đồ điều chế độ rộng xung 43

Hình 3.5 Mặt chân đế 46

Hình 3.6 Tấm phẳng cố định 46

Hình 3.7 Cánh tay dưới 47

Hình 3.8 Cánh tay trên 47

Hình 3.9 Tấm phẳng di động 48

Hình 3.10 Khớp nối 48

Hình 3.11 Giá đỡ 49

Hình 3.12 Mô hình thực của robot delta 49

Hình 3.13 Thuật toán tính góc quay 50

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Robot song song phẳng 3 bậc tự do với cấu trúc chân RRR 15

Hình 1.2.Cấu trúc chấp hành song song 3PRP 15

Hình 1.3 Cấu trúc chấp hành kiểu cầu 3RRR 16

Hình 1.4 Robot 4 chân của hang R.S Mosher và hãng General Electric 17

Hình 1.5.Sơ đồ khối của bộ điều khiển song song 20

Hình 2.1 IRB 360 Flexpicker của ABB 21

Hình 2.2: Robot Delta TOSY TI P304-01 22

Hình 2.3: Robot Delta Adept Quattro s650H 23

Hình 2.4 Robot Delta kiểu 3-PRPaR 24

Bảng 2.1: Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-PRPaR 24

Hình 2.5 Robot Delta kiểu 3-RRPaR 25

Bảng 2.2.Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-RRPaR 25

Hình 2.6 Robot Delta kiểu 3-P2S2S 26

Bảng 2.3.Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-P2S2S 26

Hình 2.7 Robot Delta kiểu 3-R2S2S 27

Bảng 2.4 Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-R2S2S 27

Hình 2.8 Sơ đồ động học và kết cấu của robot delta 3 bậc tự do 28

Hình 2.9 Thông số chiều dài và các góc đặc trưng của robot delta 28

Bảng 2.5 Thông số hình học robot song song delta thiết kế 29

Hình 2.10 Cấu trúc hình học của Delta Robot 30

Hình 2.12 Sơ đồ mô tả nguyên tắc xây dựng bài toán động học thuận 32

Hình 2.13 Các kích thước cơ bản của robot delta 32

Hình 2.14 Nguyên lý xác định bài toán động học ngược 35

Hình 3.1 Mô hình hệ thống điều khiển robot 40

Hình 3.2.Bo mạch Arduino Uno R3 41

Bảng 3.1.Thông số cơ bản của mạch Arduino Uno R3 41

Hình 3.3.Cấu tạo động cơ RC servo 42

Hình 3.4 Sơ đồ điều chế độ rộng xung 43

Hình 3.5 Mặt chân đế 46

Hình 3.6 Tấm phẳng cố định 46

Hình 3.7 Cánh tay dưới 47

Hình 3.8 Cánh tay trên 47

Hình 3.9 Tấm phẳng di động 48

Hình 3.10 Khớp nối 48

Hình 3.11 Giá đỡ 49

Hình 3.12 Mô hình thực của robot delta 49

Hình 3.13 Thuật toán tính góc quay 50

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Robot song song phẳng 3 bậc tự do với cấu trúc chân RRR 15

Hình 1.2.Cấu trúc chấp hành song song 3PRP 15

Hình 1.3 Cấu trúc chấp hành kiểu cầu 3RRR 16

Hình 1.4 Robot 4 chân của hang R.S Mosher và hãng General Electric 17

Hình 1.5.Sơ đồ khối của bộ điều khiển song song 20

Hình 2.1 IRB 360 Flexpicker của ABB 21

Hình 2.2: Robot Delta TOSY TI P304-01 22

Hình 2.3: Robot Delta Adept Quattro s650H 23

Hình 2.4 Robot Delta kiểu 3-PRPaR 24

Bảng 2.1: Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-PRPaR 24

Hình 2.5 Robot Delta kiểu 3-RRPaR 25

Bảng 2.2.Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-RRPaR 25

Hình 2.6 Robot Delta kiểu 3-P2S2S 26

Bảng 2.3.Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-P2S2S 26

Hình 2.7 Robot Delta kiểu 3-R2S2S 27

Bảng 2.4 Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-R2S2S 27

Hình 2.8 Sơ đồ động học và kết cấu của robot delta 3 bậc tự do 28

Hình 2.9 Thông số chiều dài và các góc đặc trưng của robot delta 28

Bảng 2.5 Thông số hình học robot song song delta thiết kế 29

Hình 2.10 Cấu trúc hình học của Delta Robot 30

Hình 2.12 Sơ đồ mô tả nguyên tắc xây dựng bài toán động học thuận 32

Hình 2.13 Các kích thước cơ bản của robot delta 32

Hình 2.14 Nguyên lý xác định bài toán động học ngược 35

Hình 3.1 Mô hình hệ thống điều khiển robot 40

Hình 3.2.Bo mạch Arduino Uno R3 41

Bảng 3.1.Thông số cơ bản của mạch Arduino Uno R3 41

Hình 3.3.Cấu tạo động cơ RC servo 42

Hình 3.4 Sơ đồ điều chế độ rộng xung 43

Hình 3.5 Mặt chân đế 46

Hình 3.6 Tấm phẳng cố định 46

Hình 3.7 Cánh tay dưới 47

Hình 3.8 Cánh tay trên 47

Hình 3.9 Tấm phẳng di động 48

Hình 3.10 Khớp nối 48

Hình 3.11 Giá đỡ 49

Hình 3.12 Mô hình thực của robot delta 49

Hình 3.13 Thuật toán tính góc quay 50

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa, các nhà khoa học đã nghiên cứuchế tạo các loại robot để phục vụ sản xuất Cùng với quá trình phát triển các robotcông nghiệp, một loại robot mới ra đời, thay thế dần các loại robot trước đây, đó làrobot song song, với các đặc tính nổi trội so với robot cổ điển như:

- Khả năng chịu được tải lớn

- Các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên tổng trọng lượng của robot cũng nhỏ

- Độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng hợp lý

- Tất cả các lực tác động đồng thời được phân bố đều cho các chân, đồng thời lựctác động lên các chân của ronot đều là lực kéo (hay nén) nhờ các cấu trúc của robot

- Có thể thực hiện các thao tác phức tạp với độ chính xác cao trong công việcnhờ vào cấu trúc song song, các sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc trục và sai sốkhông bị tích lũy

- Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền

- Các robot song song không cần làm việc trên bệ đỡ và có thể di chuyển tớimọi nơi trong môi trường sản xuất do có khối lượng và kích thước tương đối nhỏ…

- Robot song song có phạm vi sử dụng tương đối rộng, từ việc dùng lắp rắpcác chi tiết tinh vi cho đến việc tạo các chuyển động phức tạp

- Năng suất làm việc rất cao

-Giá thành của robot song song sử dụng trong gia công rẻ hơn nhiều so với cácmáy CNC có tính năng tương đương

Với tính ưu việt cao, các robot song song ngày càng được các nhà khoa họcnghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

Chính vì lí do đó, em quyết định chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp “Nghiên

cứu, tính toán và chế tạo mô hình robot song song 3 bậc tự do” ứng dụng trong cácdây chuyền sản xuất, dùng để vận chuyển các sản phẩm trong dây chuyền

2.Mục đích của đề tài

Đề tài nhằm nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot delta nhằm ứng dụng vàocác dây chuyền sản xuất

Qua đó, ta sẽ phát triển thành sản phẩm ứng dụng trong gia công tạo hình, lắpghép và vận chuyển sản phẩm trong các quá trình sản xuất.

3.Phạm vi và nội dung nghiên cứu

Đề tài được thực hiện với nội dung chủ yếu sau:

- Nghiên cứu tổng quan về robot song song

- Nghiên cứu lý thuyết và giải bài toán động học của robot delta

- Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình cơ khí của robot delta

- Nghiên cứu thuật toán điều khiển và xây dựng chương trình điều khiển vị tríđối với robot song song

Đề tài giới hạn ở việc nghiên cứu robot Delta, điều khiển theo vị trí, trên cơ sở

đó điều khiển theo quỹ đạo bất kỳ

4.Phương pháp nghiên cứu

Đề tài kết hợp nghiên cứu giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm:

- Nghiên cứu lý thuyết:

+ Tổng hợp tài liệu về tính toán động học thuận và ngược của robot delta,từ đóxây dựng thuật toán giải bài toán động học thuận và động học ngược

+ Tính toán thiết kế mô hình cơ khí cho robot đảm bảo độ chính xác và độcứng vững cần thiết,đáp ứng nhu cầu điều khiển chính xác

- Nghiên cứu thực nghiệm:

Chế tạo mô hình thực nghiệm robot Delta và điều khiển thực hiện các côngviệc yêu cầu

5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đề tài mang nhiều ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

+ Tạo tiền đề cho việc chế tạo các robot Delta ứng dụng vào thực tế:thiết bịgia công các biên dạng bề mặt phức tạp,tạo biên dạng theo đường cong bất kì,robotlắp ráp sản phẩm trong các hệ thống sản xuất,robot nâng chuyển

+ Góp phần xây dựng mô hình dạy học về điều khiển tự động đối với robotcông nghiệp tại các trường Cao đẳng và Đại học

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG

1.1 GIỚI THIỆU

Ngày nay, các kỹ thuật robot với sự hỗ trợ của máy tính đã đáp ứng được độchính xác cao, thời gian thu nhận và xử lý các tín hiệu nhanh chóng, tin cậy, đã làmtăng năng suất lao động, hạn chế các tai nạn và độc hại cho con người… Tuy nhiên,loại robot nối tiếp hiện đang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực đã bộc lộ nhiềunhược điểm như tính linh hoạt thấp, tốc độ xử lý và khả năng đáp ứng không cao,

độ cứng vững cũng như độ chính xác chưa đảm bảo Để khắc phục phần nào cácnhược điểm trên, một loại robot mới đã ra đời, đó là robot (hay còn gọi là tay máy)song song Khác hẳn với robot nối tiếp là loại robot liên tiếp có kết cấu hở được liênkết với các khâu động học và được điều khiển tuần tự hoặc song song thì robot songsong là cơ cấu vòng kín trong đó khâu tác động cuối được liên kết với nền bởi ítnhất là hai chuỗi động học độc lập Robot song song có được những ưu điểm sau:

độ cứng vững cơ khí cao, khả năng chịu tải cao, gia tốc lớn, khối lượng động thấp

và kết cấu đơn giản Với những ưu điểm trên, robot song song đã được ứng dụngtrong rất nhiều lĩnh vực như y học, thiên văn học, trắc địa, máy mô phỏng, các máycông cụ…

Trong hoạt động sản xuất, những robot công nghiệp thường có hình dạng của

“cánh tay cơ khí”, mô phỏng theo những đặc điểm cấu tạo cơ bản của cánh tayngười Vì tinh thần phát triển các hệ thống cơ khí là thực hiện các thao tác giốngcon người nên nó không tự nhiên, gò ép nhằm sử dụng các chuỗi động học nối tiếpvòng hở, cấu trúc này được gọi là tay máy nối tiếp Cấu trúc này có ưu điểm là vùnglàm việc trải rộng, có tính linh hoạt, khéo léo như tay người nhưng khả năng nângtải của nó thấp, độ bền thấp và độ chính xác chưa cao do các khớp nối trên tay máycồng kềnh, khối lượng lớn, khi chuyển động với tốc độ cao thì nó bị rung và lắc Vìthế, đối với các ứng dụng mà mục tiêu quan trọng nhất là khả năng nâng tải lớn,thực hiện động lực học tốt và định vị chính xác thì rất cần một sựthay thế tay máynối tiếp truyền thống Để tìm ra các giải pháp khả thi, các nhà khoa học đã quan sátthế giới sinh vật và nhận thấy rằng thân hình của các loài thú có khả năng nâng chở

vật nặng có được độ ổn định, vững chắc hơn trên nhiều chân song song với nhau sovới loài người đứng trên hai chân, loài người cũng sử dụng các cánh tay, ngón taykết hợp với nhau để nâng vật nặng và thực hiện các công việc đòi hỏi độ chính xácnhư khi viết, loài người dùng ba ngón tay tác động song song cùng một lúc Tómlại, chúng ta có thể đưa ra kết luận rằng các tay máy có khâu tác động cuối đượcgắn với đất bằng nhiều chuỗi động học có các bộ tác động được gắn song song vớinhau sẽ có được độ cứng vững lớn hơn và khả năng định vị tốt hơn Và dựa vàonhận xét trên, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu một loại cấu trúc cơ khímới, đó là cơ cấu song song Cơ cấu song song là cơ cấu gồm có bệ cố định và tấmdịch chuyển được gắn kết với bệ cố định thông qua các chuỗi truyền động nối tiếp

1.2 CẤU TRÚC ROBOT SONG SONG

1.2.1 Cấu trúc cơ cấu

Cũng như các robot thông thường, robot song song là loại robot có cấu trúcvòng kín trong đó các khâu dạng thanh được nối với nhau bằng các khớp động

Sơ đồ động cơ cánh tay máy thông thường là chuỗi nối tiếp các khâu động,từkhâu cuối (là khâu trực tiếp thực hiện thao tác công nghệ) đến giá cố định.Còn trongrobot song song,khâu cuối được nối với giá cố định bởi một số mạch động học,tức

là nối song song với nhau.Sự khác nhau về sơ đồ động đó cũng tạo nên nhiều điểmkhác biệt về động học và động lực học

1.2.2 Khâu,khớp,chuỗi động và cơ cấu chấp hành của robot song song

- Khâu: là phần có chuyển động tương đối với các phần khác trong cơ cấu.Chúng

ta coi các khâu là vật rắn,điều đó làm cho việc nghiên cứu các kết cấu,robot được dễdàng hơn.Tuy nhiên với các cơ cấu tốc độ cao hoặc mang tải lớn thì hiện tượng đàn hồicủa vật liệu trở nên quan trọng đáng kể và chúng ta phải xét đến

- Khớp:là chuỗi 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 thànhphần khớp.Hai thành phần của khớp tạo thành một khớp động.Khớp động có thểphân thành khớp thấp và khớp cao tùy thuộc vào dạng tiếp xúc

Có 6 loại khớp thấp và hai loại khớp cao cơ bản thường được dùng trong các

cơ cấu máy và các robot đó là:

Khớp quay (Revolute Joint-R): khớp để lại chuyển động của khâu này đối với

các khâu khác quanh một trụ quay,nghĩa là khớp quay hạn chế khả năng chuyểnđộng giữa hai thành phần của khớp và có một bậc tự do

Khớp lăng trụ (Prismatic Joint-P): cho phép hai khâu trượt trên một trục.Do

đó khớp lăng trụ hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa hai khâu và cómột 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 một trục và một chuyển động tịnh tiến theo trục đó.Do đókhớp trụ hạn chế 4 khả năng chuyển động giữa hai khâu và có hai bậc tự do

Khớp ren (Helical Joint-C): cho phép chuyển động quay quanh trục đồng thời

tịnh tiến theo trục quay Tuy nhiên chuyển động tịnh tiến phụ thuộc vào chuyểnđộng quay bởi bước của ren vít.Do đó khớp ren hạn chế 5 chuyển động tương đốigiữa hai khâu và còn lại một bậc tự do

Khớp cầu (Spherical Joint-S): cho phép chuyển động quay giữa hai thành

phần khớp tâm cầu theo tất cả các hướng,nhưng không có chuyển động tịnh tiếngiữa hai thành phần khớp này.Do đó khớp cầu hạn chế 3 khả năng chuyển động và

có 3 bậc tự do

Khớp phẳng (Plane Joint-E): có hai khả năng chuyển động tịnh tiến thep hai

trục trong mặt tiếp xúc và khả năng quay quanh trục vuông góc với mặt tiếp xúc.Do

đó khớp phẳng hạn chế 3 khả năng chuyển động và có 3 bậc tự do

Khớp bánh rang phẳng (Gear Pair-G): cho hai bánh rang ăn khớp với

nhau.Các mặt tiếp xúc đẩy nhau,chúng thường trượt lên nhau.Do đó khớp bánhrănghạn chế 4 chuyển động tương đối giữa hai thành phần khớp và 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,khớp phẳng là các khớpthấp,khớp bánh răng phẳng và các khớp cam phẳng là các khớp cao

1.3 PHÂN LOẠI ROBOT SONG SONG

1.3.1 Robot song song đối xứng

Một loại robot song song được gọi là đối xứng nếu nó thỏa mãn các điều kiện sau:+ Số chân bằng số bậc tự do của bàn máy di động

+ Số khớp và loại khớp trong tất cả các chân được sắp xếp giống nhau

+ Số lượng và vị trí các khớp động trong tất cả các chân đều như nhau

Khi các điều kiện trên không thỏa mãn thì robot được gọi là không đốixứng.Trong cơ cấu chấp hành đối xứng,số chân m bằng số bậc tự do f,đồng thờicũng bằng tổng số vòng,1+1 (kể cả các vòng ngoại vi),nghĩa là:

=

Mỗi chân đều có độ lien kết thỏa mãn:

f

kC

1.3.2 Các Robot song song phẳng

(1.3) ta được:

C1 + C2 + C3 = 4.f – 3 = 9Đồng thời từ (1.4) ta có:

3 ≤ Ck ≤ 3

Do đó mỗi chân có 3 bậc tự do trong cách tạo nên chúng.Tóm lại,mỗi chângồm 3 khâu và 2 khớp,mỗi khớp cần có một bậc tự do,sử dụng khớp quay và khớptrượt làm cặp đôi khớp,ta nhận thấy 7 loại chân có thể chấp nhận được đó

là:RRR,RRP,RPR,PRR,RPP,PPR và PPP.Do đó ta giới hạn cấu trúc chân của robotthì chỉ có 7 loại thuộc lớp robot song song phẳng tự do có thể thực hiện được.

Hình 1.1 Robot song song phẳng 3 bậc tự do với cấu trúc chân RRR

Hình 1.2.Cấu trúc chấp hành song song 3PRP

1.3.3 Các Robot song song cầu

Các cơ cấu cầu có 3 bậc tự do.Do đó yêu cầu liên kết trong cơ cấu chấp hànhsong song cầu giống như các cơ cấu chấp hành song song phẳng.Trong cơ cấu chấphành liên kết cầu loại khớp được phép là khớp quay,tất cả các trục khớp phải giaonhau tại một điểm chung là đó là tâm hình cầu.Cấu trúc chân duy nhất được phép làcấu trúc RRR Cơ cấu chấp hành mô tả trên hình 1.3 là cơ cấu chấp hành song songcầu 3RRR, 3 bậc tự do

Hình 1.3 Cấu trúc chấp hành kiểu cầu 3RRR

1.3.4 Các Robot song song không gian

(1.4) ta được:

1

m k k

phân loại Robot song song không gian ứng với số bậc tự do và độ liên kết được nêutrong bảng

Bảng 1.1 Phân loại robot song song ứng với số bậc và độ liên kết

5,5,56,5,46,6,3

6,6,6,4

1.4 CÁC NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI

1.4.1 Các nghiên cứu trên thế giới

Vào năm 1948,nhà nghiên cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôiđiều khiển từ xa đầu tiên, và cùng năm đó hang General Mills chế tạo tay máy gầntương tự sử dụng cơ cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cử hànhtrình Đến năm 1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơservo và có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối.Sử dụng những thành quả đó,vào năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việckhảo sát đáy biển

Năm 1968 R.S Mosher,thuộc hang General Electric đã chế tạo một thiết bịbiết đi có 4 chân, có chiều dài hơn 3m, nặng 1.400kg, sử dụng động cơ đốt trong cócông suất gắn 100 mã lực (hình 1.4)

Hình 1.4 Robot 4 chân của hang R.S Mosher và hãng General Electric

Cũng trong lĩnh vực này,một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã đạtđược vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng Lunokohod 1được điều khiển từ trái đất

Viện nghiên cứu thuộc trường đại học Stanford vào năm 1969 đã thiết kế robotShakey di động tinh vi hơn để thực hiện những thí nghiệm về điều khiển sử dụng hệthống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tượng.Robot này được lập trình trước đểnhận dạng đối tượng bằng camera,xác định đường đi đến đối tượng và thực hiệnmột số thao tác trên đối tượng.

Năm 1952 máy điều khiển chương trình số đầu tiên ra đời tại Học Viện CôngNghệ Massachusetts (Hoa Kì).Trên cơ sở đó năm 1954,George Devol đã thiết kếrobot lập trình với điều khiển chương trình số đầu tiên nhờ một thiết bị do ông phátminh được gọi là thiết bị chuyển khớp được lập trình.Joseph Engelberger,người màngày nay thường được gọi là cha đẻ của robot công nghiệp,đã thành lập hãngUnimation sau khi mua bản quyền thiết bị của Devol và sau đó đã phát triển nhữngthế hệ robot điều khiển chương trình.Năm 1962,robot Unmation đầu tiên được đưavào sử dụng tại hãng General Motors,và năm 1976 cánh tay robot đầu tiên trongkhông gian đã được sử dụng trên tàu thám hiểm Viking của cơ quan Không GianNASA của Hoa Kỳ để lấy mẫu đất trên sao Hỏa

1.4.2 Các nghiên cứu trong nước

- 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 phỏngđộng 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 Các máy công cụ truyền thống sau khithêm bộ đồ gá vạn năng có thể gia công được những chi tiết có bề mặt phức tạp màtrước đây không thực hiện được.Nhóm tác giả cũng đã chế tạo thành công thiết bịnày 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 thểchuyển động tự do linh hoạt, vì vậy việc tạo hình bề mặt được thực hiện dễ dànghơn 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 Tầmhoạt động của robot rất rộng, từ việc lắp ráp các chi tiết cực nhỏ tới các chuyểnđộng thực hiện các chức năng phức tạp đòi hỏi độ chínhxác cao như: phay, khoan,tiện, hàn, lắp ráp Ngoài ra, robot song song dễ dàng được lắp đặt ở các vị trí vàcác hướng khác nhau (trên thuyền và treo trên trần, tường )

Điểm sáng tạo trong nghiên cứu là việc thiết kế, phát triển và tích hợp hoànchỉnh một hệ điều khiển (phần cứng và phần mềm) cho Hexapod với 2 phần chínhlà:phần mềm SACR 1.0 (Simulation and Control of robot), dùng cho thiết kế quỹđạo, mô phỏng và điều khiển robot Đặc biệt, SACR đã được phát triển là hệ mở vàtổng 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 chấphành của PR6-01

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

- Phòng Cơ Điện tử (Viện Cơ học) đã đưa ra một giải pháp hoàn chỉnh điềukhiển robot cơ cấu song song, phân tích xử lý song song, xử lý phân tán và ứngdụng nguyên lý Hardware-in-the-Loop trong mô phỏng điều khiển

- Các tác giả Trần Công Tuấn, Nguyễn Minh Thạnh sử dụng phương pháp điềutra không gian tham số để khảo sát vùng làm việc của tay máy song song có các dẫnđộng phân bố bên ngoài không gian làm việc

- Các nhà nghiên cứu tại bộ môn Cơ Điện tử, Khoa Cơ khí, Đại học BáchKhoa Tp.HCM là Từ Diệp Công Thành và Đặng Văn Nghìn đã nghiên cứu và chếtạo 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 lậpkết hợp với giải thuật điều khiển song song để tăng tính đáp ứng và linh hoạt chorobot

Hình 1.5.Sơ đồ khối của bộ điều khiển song song

- Các tác giả Thái Thị Thu Hà, Hồ Thanh Tâm đã nghiên cứu ứng dụng robotsong song trong máy đo tọa độ CMM

- Nhóm nghiên cứu Đặng Bảo Lâm, Phạm Minh Hải và Phan Văn Đồng đãnghiên cứu thuật toán tìm miền làm việc của họ robot song song phẳng 3 bậc tự do

- Nhóm tác giả Nguyễn Thiện Phúc, Trần Minh Nghĩa và Nguyễn Đình Nin đãnghiên cứu tạo dựng robot song song loại hexa

Khối điều khiển

Khối mạch khuếch đại công suất

Khối điều khiển động học khâu 5

Khối điều khiển động học khâu 5

Khối điều khiển động học khâu 6Khối điều khiển động học khâu 6

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC

ROBOT DELTA

2.1 GIỚI THIỆU VỀ ROBOT DELTA

2.1.1.Khái niệm

Robot Delta có cơ cấu động học song song ba bậc tự do

Cũng như các Robot song song khác, Robot Delta có cấu trúc vòng kín Trong

đó có ba nhánh, với mỗi nhánh, một đầu được nối vào giá cố định bằng khớp tịnhtiến hoặc khớp quay còn đầu kia được nối vào một giá di động thông qua cơ cấuhình bình hành Với cấu trúc hình học như vậy nên giá đi động luôn định hướng vàchỉ có thể chuyển động tịnh tiến theo 3 trục XYZ

- Thời gian 1 chu kì hoạt động (1kg): 0.4s

- Điện áp hoạt động: 200 – 600VAC, 60Hz

- Công suất hoạt động: 0.477 kW

- Môi trường hoạt động: ±00C – 450C

- Thời gian 1 chu kỳ hoạt động (0.5kg): 0.39s

- Điện áp hoạt động: 200 -250 VAC, 50Hz

- Công suất hoạt động: 0.3kW - Môi trường hoạt động: ±00C – 450C

- Tiếng ổn: <50dB

+ Adept Quattro s650H

Hình 2.3: Robot Delta Adept Quattro s650H

Thông số kỹ thuật:

- Trọng lượng: 117 kg

- Khả năng tải trọng tối đa : 6kg

- Số trục: 4

- Thời gian 1 chu kỳ hoạt động (1 kg): 0.47s

- Điện áp hoạt động: 24VDC: 6A hoặc 200 -240 VAC: 10A, 1 pha

- Công suất hoạt động: 0.442 kW

- Môi trường hoạt động: ±1 0C – 400C

- Tiếng ổn: <70dB

2.1.2 Phân loại robot delta

Delta Robot có thể chia làm 4 dạng: PRPaR, RRPaR, P2S2S và R2S2S

3-a)Kiểu 3-PRPaR

Kiểu này có ba nhánh và mỗi nhánh gồm có một khớp dẫn động tịnh tiến (P),hai khớp bản lề (R) và một khớp hình bình hành

Hình 2.4 Robot Delta kiểu 3-PRPaR

Bảng 2.1: Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-PRPaR

Số bậc tự do tương đối của các khớp

trong cơ cấu

∑fi = 3(7) = 21

b) Kiểu 3-RRPaR

Kiểu này có ba nhánh và mỗi nhánh gồm có một khớp dẫn động quay (R), haikhớp bản lề (R) và một khớp hình bình hành

Hình 2.5 Robot Delta kiểu 3-RRPaR

Bảng 2.2.Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-RRPaR

Số bậc tự do tương đối của các khớp

trong cơ cấu

∑fi = 3(7) = 21

c)Kiểu 3-P2S2S

Kiểu này có ba nhánh và mỗi nhánh gồm có một khớp dẫn động tịnh tiến (P),bốn khớp cầu (S) nối hai thanh theo dạng hình bình hành

Hình 2.6 Robot Delta kiểu 3-P2S2S

Bảng 2.3.Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-P2S2S

Số bậc tự do tương đối của các khớp

trong cơ cấu

∑fi = 3.(13) = 39

d)Kiểu 3-R2S2S

Kiểu này có ba nhánh và mỗi nhánh gồm có một khớp dẫn động quay (R), bốnkhớp cầu (S) nối hai thanh theo dạng hình bình hành

Hình 2.7 Robot Delta kiểu 3-R2S2S

Bảng 2.4 Phân tích cấu trúc Robot Delta kiểu 3-R2S2S

Số bậc tự do tương đối của các khớp

trong cơ cấu

∑fi = 3.(13) = 39

2.2 PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Trong phạm vi của đề tài này, ta sẽ chọn sơ đồ động học như (hình 2.8) đểthiết kế, đây là loại sơ đồ động học giống với nguyên bản ban đầu của loại robotdelta nhất.Với các động cơ quay gắn trực tiếp với các cơ cấu hình bình hành, haynói cách khác ta sẽ đi sâu tìm hiểu và thiết kế loại robot delta 3 bậc tự do với sơ đồđộng học và kết cấu như hình 2.8