Thiết kế và chế tạo robot song song RPS

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ NGỌC SƠN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG RPS TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LƢU ĐỨC BÌNH Phản biện 1: PGS.TS ĐINH MINH DIỆM Phản biện 2: PGS.TS PHẠM ĐĂNG PHƢỚC Luận văn đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật, chuyên ngành kỹ thuật khí họp Trƣờng Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 10 năm 2018 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa -Thư viện Khoa khí, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày nay, robot song song đƣợc sử dụng rộng rãi ứng dụng công nghiệp, thiết bị y tế, khoa học qn sự,… có nhiều ƣu điểm so với mơ hình robot nối tiếp nhƣ khả chịu tải trọng lớn (large load capacity), độ cứng vũng cao (high stiffness), độ xác cao (excellent accuracy), … Tuy nhiên, robot song song tồn số nhƣợc điểm nhƣ vùng làm việc bị hạn chế (limited workspace), việc giải toán động học động lực học phức tạp, tồn nhiều điểm kỳ dị vùng làm việc nên việc điều khiển trở nên phức tạp Nhiều kết cấu robot song song đƣợc sử dụng tùy theo ứng dụng, nhƣ Stewart – Gough robot, giới thiệu lần đầu Gough đƣợc thiết kế ứng dụng mơ hình mơ lái máy bay Stewart Robot có bậc tự do, nên thƣờng đƣợc sử dụng rộng rãi ứng dụng đòi hỏi chuyển động lớn Tuy nhiên nhiều ứng dụng công nghiệp, hệ thống cần robot hoạt động với bậc tự hơn, nhằm nâng cao hiệu hoạt động động hệ thống Chính số mơ hình robot đƣợc giới nhƣ robot H4 với bậc tự do, đƣợc sử dụng pick place với tốc độ cao, giới thiệu công ty Poerot năm 1999, robot Delta – bậc tự với khâu chấp hành tịnh tiến , robot Delta với khâu chấp hành quay , Robot phẳng hai bậc tự RR, … Năm 1993, Hunt giới thiệu mơ hình robot 3RPS (R – Revolute, P – Prismatic; S – Spherical), chuyển động dọc theo trục z, quay quanh trục x trục y Kết cấu robot gồm có đế cố định chuyển động (thƣờng đƣợc gắn cấu chấp hành) đƣợc nối với bới ba chân thông qua khớp chân Giữa đế chân nối khớp quay, chuyển động chân khớp cầu, nối hai khớp quay khớp cầu cấu chấp hành tịnh tiến Mục tiêu nghiên cứu Tác giả tiến hành nghiên cứu mơ hình robot song song RPS, phân tích động học thuận, động học ngƣợc robot Kết phân tích đƣợc sử dụng phân tích vùng làm việc, điểm kỳ dị nhƣ số hoạt động (Performace Index) robot Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đề tài thực với nội dung chủ yếu sau: - Nghiên cứu tổng quan robot song song - Nghiên cứu lý thuyết giải tốn động học robot RSP - Phân tích vùng làm việc, điểm kỳ dị, số hoạt động robot - Thiết kế chế tạo mô hình robot song song RPS Phƣơng pháp nghiên cứu - Cách tiếp cận: Tìm hiểu phân tích nghiên cứu robot song song, robot RPS tốn tối ƣu hóa - Phƣơng pháp nghiên cứu: •Nghiên cứu lý thuyết mơ hình Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Đƣợc sử dụng cho nghiên cứu khác liên quan đến robot song song Cấu trúc luận văn MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ROBOT CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ CHẾ TẠO ROBOT KẾT LUẬN CHƢƠNG TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan Robot có cấu trúc song song 1.1.1 Robot có cấu trúc song song Xuất phát từ nhu cầu khả linh hoạt hoá sản xuất, cấu Robot ngày phát triển đa dạng phong phú Trong thập niên gần đây, Robot cấu trúc song song đƣợc Gough Whitehall nghiên cứu năm 1962 ý ứng dụng Robot cấu trúc song song đƣợc khởi động Stewart, vào năm 1965 ông ngƣời cho đời buồng tập lái máy bay dựa cấu trúc song song Hiện cấu song song đƣợc sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực 1.1.2 Phân loại chung Robot Robot phân loại theo nhiều tiểu chuẩn, số bậc tự động học, hệ thống truyền động, dạng hình học chi tiết gia công, đặt tinh chuyển động a) Phân loại theo số bậc tự b) Phân loại theo cấu trúc động học c) Phân loại theo hệ thống truyền động 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu nƣớc thuộc lĩnh vực đề tài 1.2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu giới robot song song - Từ năm 1947, Birmingham, Anh quốc, tiến sĩ Eric Gough cho đời cấu hình tay máy song song Thiết kế đƣợc Eric Gough hoàn thiện chế tạo vào năm 1954 hãng Dunlop Rubber với mục đích sử dụng để nâng chuyển tải trọng nặng (hình 1.1) Hình 1.1 Tay máy song song Eric Gough hoàn thiện chế tạo hãng Dunlop Rubber - Năm 1965, IMechE, Anh Quốc, Tiến sĩ D.Stewart, cơng bố cơng trình mơ tả ứng dụng chuyển động (platform) bậc tự dùng để mô huấn luyện bay Bản thiết kế gây tác động lớn đến việc hình thành dạng tay máy song song sau (hình 1.2) Hình 1.2 Thiết bị mơ bay - Năm 1980: Giáo sƣ Reymond Clavel thiết kế Delta robot , sau trở thành tay máy song song tiếng (hình 1.3) Hình 1.3 Robot Delta - Năm 1985: Tay máy song phẳng đời dựa cấu phẳng bậc tự dùng khớp trụ tịnh tiến - Năm 1987: Máy động học theo cấu song song đời - Năm 2002: Hội nghị khoa học tay máy song song đƣợc tổ chức Đại học Laval, Quebec, Canada đƣa định hƣớng phát triển quan trọng ứng dụng cho tay máy song song - Hàng năm hội nghị khoa học quốc tế IFToMM, ASME, IFAC, IEEE, ICRA, IROS, … công bố công trình nghiên cứu tay máy song song Nhiều dự án nƣớc nhƣ CHLB Đức, Thụy Sĩ, Hoa Kỳ đƣợc triển khai sở ứng dụng tay máy song song – Hexapod nhƣ: - Dự án NIST (Mỹ) (hình 1.4) với mục tiêu đo đạc mở rộng khả máy dựa nguyên lý Stewart–Gough Platform - Hexapod đƣợc triển khai từ năm 1998 đến năm 2001 Hình 1.4 Thiết bị gia công hexapod - Dự án Cubic Hexapod hợp tác Đại học Washington Tập đồn cơng nghệ Hood kéo dài năm từ năm 1998 đến năm 2004 Dự án đƣợc phát triển từ tay máy Stewart–Gough Platform để loại trừ nhiễu hệ thống xác , điều khiển vị trí với độ xác nanômét - Dự án Hexaglide đƣợc triển khai Viện robot Thụy sỹ năm 1996 Tay máy hệ cấu trúc song song bậc tự do, sử dụng máy phay tốc độ cao với không gian làm việc 700600500 mm, sử dụng hệ điều khiển VME-Bus hệ thống thời gian thực Ƣu điểm thực chuyển động nhanh với độ cứng vững độ xác cao - Công ty Elekta (Thụy Điển), công ty chuyên trang thiết bị y tế dùng robot Delta để làm thiết bị Surgiscope nâng giữ kính hiển vi có khối lƣợng 20 kg dùng giải phẫu (hình 1.5) Hình 1.5 Thiết bị Surgiscope - Một dự án châu Âu chế tạo robot CRIGOS (Compact Robot for Image Guided Orthopedic Surgery) sử dụng cấu Gough-Stewart nhằm cung cấp cho bác sĩ phẫu thuật công cụ hiệu suất cao cho phẫu thuật xƣơng - Hãng Symetrie (Pháp, chuyên thiết kế chế tạo tay máy song song) tham gia dự án nhƣ: Kính viễn vọng khơng gian James Webb đƣợc thiết kế với hai hệ thống định vị cảm biến CCD nguồn sáng dùng hai tay máy song song kiểu Hexapod (tay máy SONORA BREVA) Hệ thống thử nghiệm động PSA cho hãng ô tô PeugeotCitroën - Những ứng dụng Robot nhà máy sản xuất giới : Robot hàn nhà máy sản xuất ô tô Volkwagen Emden nƣớc Đức Hình 1.6 Robot hàn làm việc nhà máy Hình 1.7 Robot Inrotech - Một số nghiên cứu đƣợc đăng tạp chí trang web uy tín giới nhƣ : Đánh giá thời gian thực động học ngƣợc rô bốt y tế 3-RPS sử dụng tảng dSpace đƣợc đăn tạp chí IEEE Bài báo liệt kê ba phƣơng pháp cho động học ngƣợc robot song song y tế bậc tự với cấu trúc chung R-P-S (Revolute-Prismatic-Spherical) sử dụng tảng MATLAB / Simulink dSpace Ba phƣơng thức đƣợc thực 10 Robot bậc tự có tỷ lệ nội địa hóa 95%: Hình 1.8 Sử dụng thử nghiệm robot VNR-T1 đào tạo Ảnh V Đức Viện Cơ học phát triển thành công Hệ thống Robot bậc tự SM6 phù hợp với điều kiện sản xuất Việt Nam Hình 1.9 Hệ thống robot hồn thành 11 Hình 1.10 Robot SM6 chuẩn bị tích hợp quy trình hàn ghép tại Xí nghiệp 197 Robot song song Hexapod Hình 1.11 Robot song song chân Robot song song chân dựa nguyên lý Gough - Stewart Platform cho mục đích gia cơng cắt gọt với chuyển động bàn máy (mang phôi) đƣợc vận hành điều khiển chân (Hexapod) 12 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG 2.1 Lý thuyết phân tích động học 2.1.1 Các phương trình liên kết cho Robot song song RPS tổng quát Trên hình 2.1 mô tả sơ đồ động học Robot song song RPS z1 B3 z0 P Bàn máy động B1 B2 y z3 A3 x1 z1 z2 x3 x2 O Đế cố định A1 x0 y0 A2 x1 Hình 2.1 Cấu trúc chấp hành song song RPS a) Quan hệ hình học hệ toạ độ b) Tính toán phần tử hệ thức 13 2.1.2 Bài toán động học thuận 2.1.3 Bài toán động học ngược 2.2 Tính tốn số hoạt động robot Tính tốn vị trí cho robot song song RPS cụ thể a) Bài toán động học thuận b) Bài toán động học ngược 2.3 Giới Thiệu rduino N NO Hình 2.4 Arduino NANO Arduino đƣợc biết đến cách rộng rãi Việt Nam, giới q phổ biến! Sức mạnh chúng ngày đƣợc chứng tỏ theo thời gian với ứng dụng mở (open source) độc đáo đƣợc chia sẻ rộng rãi CHƢƠNG THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG RPS 3.1 Thiết Kế Hệ Thống Cơ Khí 3.1.1 Chọn phương án sơ đồ động để thiết kế robot RPS Trong phạm vi luận án này, ta chọn sơ đồ động học nhƣ hình 3.1 để thiết kế Đây sơ đồ giống với nguyên ban đầu Robot RPS 14 Hình 3.1 Sơ đồ động học Robot RPS - Dùng phần mềm Pro-engineer ta vẽ đƣợc sơ đồ kết cấu 3D Robot song song RPS Hình 3.2 Sơ đồ kết cấu Robot RPS 3.1.2 Thông số Robot RPS 15 y1 x1 B1 z1 B2 O1 k1 B3 k2 y s22 z x s11 s12 A1 s21 A2 k3 O s32 A3 s31 Hình 3.3 Thơng số Robot RPS Khớp Chú thích A1, A2, A3 Khớp quay Khớp bị động A1B1, A2B2, Khớp tịnh tiến Khớp chủ A3,B3 động B1, B2, B3 Khớp cầu Khớp bị động 3.1.3 Phạm vi hoạt động Robot Bảng thơng số hình học Robot RPS Thơng Số giá trị No Vị trí Hành trình piston 150 mm Chiều cao thấp Robot 280mm Chiều cao cao Robot 430mm 16 Góc làm việc khớp cầu ± 200 Mục tiêu thiết kế góc nghiên ban đầu 120 3.1.4 Bài toán động học 3.1.5 Lựa Chọn Các Thành phần khí - Trục piston hành trình có tín hiệu output : Hình 3.23 Trục piston hành trình 17 - Khớp cầu: đƣợc làm vật liệu sắt Hình 3.24 Khớp cầu - Tấm đế phẳng cố định: đƣợc làm vật liệu sắt Hình 3.25 Tấm đế cố định 18 - Tấm xoay: đƣợc làm vật liệu nhựa cứng Hình 3.26 Tấm di động 3.2 Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển đồ khối m hình điều khiển Hình Sơ đồ khối m hình điều n 19 Hình 3.28 Sơ đồ nguyên lý mạch điện hệ thống 3.2.2 Mach hiển thị LCD I2C a)Module LCD I2C Hình 3.29 Module I2C b) Kết nối module I2c Với arduino NANO 20 3.2.3 Mạch cấp nguồn cho hệ thống Hình 3.30 Khối cấp nuồn Hình 3.31 IC LM750 21 3.2.4 ạch điều khiển: Hình 3.32 Mạch điều n 3.2.5 Mạch điều khiển động Cylinder Hình 3.33 Khối điều n động 3.2.6 Tạo giao diện điều khiển GUI 22 Hình 3.34 Khởi động GUI Hình 3.35.Giao diện GUI 23 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ CHẾ TẠO ROBOT 4.1 Kết mơ hình Robot sau chế tạo xong 4.2 Giao Diện Điều Khiển Sau Khi Hoàn Thành 24 KẾT LUẬN CHUNG Qua trình thực đề tài đạt đƣợc kết sau: - Đề xuất mơ hình tính tốn động học robot RPS cách đơn giản Từ xây dựng chƣơng trình mơ dựa phần mềm Matlab để khảo sát động học robot - Xây dựng mơ hình hồn chỉnh robot song song RPS với kích thƣớc cụ thể Xây dựng chƣơng trình điều khiển với giao diện đơn giản Hƣớng phát triển đề tài: Nội dung luận văn chƣa đề cập đến toán động lực cấu, giải nhiệm vụ đề để tính tốn lực quán tính, ứng suất tác động lên khâu suốt q trình chuyển động robot Mơ hình chuyển động theo nhiệm vụ đơn giản Để khắc phục hạn chế này, cần có thêm nghiên cứu cụ thể mơ hình tốn động lực học; nâng cao khả lập trình chuyển động theo quỹ đạo dựa sở nội suy từ chuyển động thẳng; nghiên cứu nhận dạng vị trí hƣớng chi tiết, từ xoay đƣa chi tiết vị trí hƣớng theo yêu cầu Từ kết đạt đƣợc nghiên cứu đề tài bƣớc đầu tạo tiền đề cho việc nghiên cứu ứng dụng robot RPS Việt Nam Khi giải tốt toán động lực học, mơ hình xây dựng robot RPS đƣợc chế tạo có triển vọng tốt để ứng dụng vào thực tế sản xuất ... ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ROBOT CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ CHẾ TẠO ROBOT KẾT LUẬN CHƢƠNG TỔNG QUAN... LÝ THUYẾT THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG 2.1 Lý thuyết phân tích động học 2.1.1 Các phương trình liên kết cho Robot song song RPS tổng qt Trên hình 2.1 mơ tả sơ đồ động học Robot song song RPS z1 B3... CHƢƠNG THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG RPS 3.1 Thiết Kế Hệ Thống Cơ Khí 3.1.1 Chọn phương án sơ đồ động để thiết kế robot RPS Trong phạm vi luận án này, ta chọn sơ đồ động học nhƣ hình 3.1 để thiết kế Đây