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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ NGỌC SƠN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG RPS Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số : 8520114 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS LƢU ĐỨC BÌNH Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn VÕ NGỌC SƠN MỤC MỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC MỤC TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu .1 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Cấu trúc luận văn .2 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 1.1.2 Phân loại chung Robot .5 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc thuộc lĩnh vực đề tài 1.2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu giới robot song song 1.2.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu nƣớc robot song song 13 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG 17 2.1 Lý thuyết phân tích động học 17 2.1.1 Các phƣơng trình liên kết cho Robot song song RPS tổng quát 17 2.1.2 Bài toán động học thuận .21 2.1.3 Bài toán động học ngƣợc 21 2.2 Tính tốn số hoạt động robot 22 2.3 Giới Thiệu Arduino NANO 25 CHƢƠNG 29THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG RPS 29 3.1 Thiết Kế Hệ Thống Cơ Khí 29 3.1.1 Chọn phƣơng án sơ đồ động để thiết kế robot RPS 29 3.1.2 Thông số Robot RPS 30 3.1.3 Phạm vi hoạt động Robot .31 3.1.4 Bài toán động học 31 3.1.5 Lựa Chọn Các Thành phần khí 44 3.2 Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển 47 3.2.1.Sơ đồ khối m hình điều khiển 47 3.2.2 Mach hiển thị LCD I2C 48 3.2.3 Mạch cấp nguồn cho hệ thống 49 3.2.4 Mạch điều khiển: 50 3.2.5 Mạch điều khiển động Cylinder 51 3.2.6 Tạo giao diện điều khiển GUI 52 CHƢƠNG KẾT QUẢ CHẾ TẠO ROBOT 56 4.1 Kết mơ hình Robot sau chế tạo xong 56 4.2 Giao Diện Điều Khiển Sau Khi Hoàn Thành 57 KẾT LUẬN CHUNG 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC 60 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG RPS Học viên: Võ Ngọc Sơn Mã số: 8.52.01.14 Khóa: K32 Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Robot song song RPS đƣợc phát triển ứng dụng rộng rãi nhà máy tồn tế giới có nhiều ƣu điểm so với mơ hình robot nối tiếp nhƣ khả chịu tải trọng lớn, độ cứng vững cao, độ xác cao Tuy nhiên, Robot song song tồn số nhƣợc điểm nhƣ vùng làm việc bị hạn chế,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 Trong đề tài này, 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 robot Từ việc lựa chọn thành phần khí, tác giả thiết kế chế tạo Robot song song RPS Các phân tích toán động học hệ thống điều kiển đƣợc giới thiệu luận văn Tác giả tóm tắt kết đạt đƣợc đƣa hƣớng phát triển DESIGN AND MANUFACTURE PARALLEL ROBOT RPS Abstract - RPS parallel robots are being developed and widely used in factories around the world as it has many advantages over serial robot models such as large load capacity, high stiffness,excellent accuracy However, parallel robots still have some disadvantages such as limited workspace, complex dynamics and complex dynamics, there are many singular points in the work area, so the control becomes more complex In this topic, the author conducts the study of RPS parallel robot model, dynamic kinematics analysis, reverse robot robot Analytical results are used in work area analysis, singularities as well as robot performance indicators From the selection of mechanical components, the author has designed and manufactured the parallel robot RPS Analyzes of dynamical problems and control systems are also presented in the dissertation The achieved results are summarized and perspective of the work is provided DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT RPS R – Revolute, P – Prismatic; R : Revolute khớp quay P : Prismatic khớp tịnh tiến S : Spherical khớp cầu S – Spherical DANH MỤC CÁC HÌNH Số Tên hình hiệu 1.1 Tay máy song song đƣợc Eric Gough hoàn thiện chế tạo hãng Dunlop Rubber Trang 1.2 Thiết bị m bay 1.3 Robot Delta 1.4 Thiết bị gia c ng hexapod 10 1.5 Thiết bị Surgiscope 11 1.6 Robot hàn làm việc nhà máy 11 1.7 Robot Inrotech 12 1.8 Sử dụng thử nghiệm robot VNR-T1 đào tạo Ảnh V Đức 14 1.9 Hệ thống robot hoàn thành 14 1.10 Robot SM6 chuẩn bị tích hợp quy trình hàn ghép tại Xí nghiệp 197 15 1.11 Robot song song chân 15 1.12 M hình số tay máy th ng dụng 16 2.1 Cấu trúc chấp hành song song RPS 17 2.2 Hệ toạ độ cố định Oxyz 19 2.3 Cấu trúc chấp hành song song RPS 22 2.4 Arduino NANO 25 3.1 Sơ đồ động học Robot RPS 29 3.2 Sơ đồ kết cấu Robot RPS 30 3.3 Th ng số Robot RPS 30 3.4 Tọa độ điểm O1 – tâm di động 35 3.5 Góc quay di động 35 3.6 Hành trình chuyển động piston 36 3.7 Góc nghiên piston 36 3.8 Vận tốc chuyển động tịnh tiến piston 37 3.9 Tọa độ điểm O1 – tâm di động 37 3.10 Góc quay quanh trục x di động 38 3.11 Hành trình chuyển động piston 38 Số Tên hình hiệu Trang 3.12 Góc nghiên piston 39 3.13 Vận tốc chuyển động tịnh tiến piston 39 3.14 Tọa độ điểm O1 – tâm di động 40 3.15 Góc quay quanh trục x y di động 40 3.16 Hành trình chuyển động piston 41 3.17 Góc nghiên piston 41 3.18 Vận tốc chuyển động tịnh tiến piston 42 3.19 Góc quay quanh trục x y di động 43 3.20 Hành trình chuyển động piston 43 3.21 Góc nghiên piston 44 3.22 Vận tốc chuyển động tịnh tiến piston 44 3.23 Trục piston hành trình 45 3.24 Khớp cầu 46 3.25 Tấm đế cố định 46 3.26 Tấm di động 47 3.27 Sơ đồ khối m hình điều khiển 47 3.28 Sơ đồ nguyên lý mạch điện hệ thống 48 3.29 Module I2C 48 3.30 Khối cấp nuồn 49 3.31 IC LM750 50 3.32 Mạch điều khiển 51 3.33 Khối điều khiển động 51 3.34 Khởi động GUI 52 3.35 diện GUI 53 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 m hình robot đƣợc giới nhƣ robot H4 với bậc tự do, đƣợc sử dụng pick place với tốc độ cao, giới thiệu c ng 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 m 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 toán động học robot RSP - Phân tích vùng làm việc, điểm kỳ dị, số hoạt động robot - Thiết kế chế tạo mơ hình robot song song RPS 65 } if (digitalRead(nut_4) == 0) { delay(500); while (digitalRead(nut_4) == 0) { len(); } } if (digitalRead(nut_5) == 0) { delay(500); while (digitalRead(nut_5) == 0) { xuong(); } } } void truc1_len() { digitalWrite(9,0); delay(1100); } void truc1_xuong() { digitalWrite(8,0); delay(50); digitalWrite(9,0); delay(1100); } void truc2_len() { 66 digitalWrite(6,0); delay(1100); } void truc2_xuong() { digitalWrite(7,0); delay(50); digitalWrite(6,0); delay(1100); } void truc3_len() { digitalWrite(5,0); delay(1100); } void truc3_xuong() { digitalWrite(4,0); delay(50); digitalWrite(5,0); delay(1100); } void len() { digitalWrite(9,0); digitalWrite(6,0); digitalWrite(5,0); delay(100); } void xuong() { digitalWrite(8,0); digitalWrite(7,0); 67 digitalWrite(4,0); delay(100); digitalWrite(9,0); digitalWrite(6,0); digitalWrite(5,0); delay(100); } ... CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH ROBOT 3.1 Thiết Kế Hệ Thống Cơ Khí:  3.1.1 Chọn phƣơng án sơ đồ động để thiết kế robot RPS  3.1.2 Thông số Robot RPS  3.1.3 Phạm vi hoạt động Robot  3.1.4... 25 CHƢƠNG 29THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG RPS 29 3.1 Thiết Kế Hệ Thống Cơ Khí 29 3.1.1 Chọn phƣơng án sơ đồ động để thiết kế robot RPS 29 3.1.2 Thông số Robot RPS 30... 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 m tả sơ đồ động học Robot song song RPS z1 B3