Nghiên cứu tay máy song song đa bậc tự do phẳng kiểu RRR

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRỊNH HOÀNG KIÊN NGHIÊN CỨU TAY MÁY SONG SONG BA BẬC TỰ DO PHẲNG KIỂU RRR Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2010 LỜI CẢM ƠN Trước tiên em xin chân thành cảm ơn Thầy Phạm Huy Hồng tận tình bảo, góp ý động viên em suốt q trình thực luận văn tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Huy Hoàng nhiệt tình quan tâm động viên em suốt thời gian vừa qua Nhân em xin gửi lời cảm ơn đến q Thầy Cơ, người tận tình truyền đạt kiến thức cho em hai năm học cao học vừa qua Những lời cảm ơn sau xin cảm ơn cha mẹ hết lòng quan tâm tạo điều kiện tốt để hoàn thành luận văn tốt nghiệp Trịnh Hoàng Kiên LỜI NĨI ĐẦU Nền cơng nghiệp giới có bước tiến vượt bậc nhờ phát triển ứng dụng nhiều dạng tay máy vào trình sản xuất Các tay máy khơng góp phần nâng cao độ xác, chất lượng mà cịn giúp giảm thời gian sản xuất để nhanh chóng đưa sản phẩm thị trường Một số tay máy sử dụng phổ biến kiểu tay máy song song Khoa học nghiên cứu tay máy song song đến có bước phát triển vượt bậc hình thành tảng lý thuyết có nhiều mơ hình ứng dụng rộng rãi vào thực tế sản xuất đời sống Tay máy song song có ưu điểm vượt trội so sánh với dạng tay máy khác Tuy nhiên việc nghiên cứu thiết kế tay máy loại phức tạp đòi hỏi tảng kiến thức rộng nhiều lĩnh vực như: cấu máy, điều khiển, lập trình,… Được hướng dẫn Thầy Phạm Huy Hoàng em định chọn đề tài: Nghiên cứu thiết kế cánh tay máy song song ba bậc tự phẳng kiểu RRR Đây mảng đề tài rộng, với khối lượng công việc lớn nên em gặp số khó khăn q trình nghiên cứu thiết kế, song hướng dẫn tận tình Thầy Phạm Huy Hoàng em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn Thầy giúp đỡ quý báu Tuy nhiên hạn chế thời gian trình độ thân, nên khơng tránh khỏi cịn nhiều chỗ thiếu sót, em mong bảo Thầy (Cơ) để em hồn thiện luận văn Học viên thực Trịnh Hoàng Kiên MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu định nghĩa cánh tay máy song song .1 1.2 Ưu nhược điểm 1.3 Ứng dụng cánh tay máy song song 1.4 Cánh tay máy song song phẳng bậc tự kiểu RRR 14 1.4.1 Giới thiệu 14 1.4.2 Ứng dụng 15 1.5 Tình hình nghiên cứu .15 1.5.1 Cơ sở lý thuyết 15 1.5.2 Mơ hình 20 1.5.3 Tình hình nghiên cứu cánh tay máy song song nói chung cánh tay máy song song bậc tự phẳng kiểu RRR Việt Nam nói riêng .21 1.6 Mục tiêu luận văn 22 1.4 Nội dung thực luận văn 23 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC – GIẢI BÀI TỐN KHƠNG GIAN LÀM VIỆC CỦA TAY MÁY 2.1 Bậc tự cấu 24 2.2 Hình dáng hình học tay máy 24 2.3 Phân tích động học 26 2.3.1 Động học ngược 26 2.3.2 Động học thuận 27 2.3.3 Ứng dụng Matlab phân tích động học – giải tốn khơng gian làm việc cho tay máy song song phẳng ba bậc tự kiểu R-R-R 29 2.4 Phân bố không gian làm việc tay máy 33 2.4.1 Phát biểu toán .33 2.4.2 Giải thuật 34 2.4.3 Chương trình 34 2.4.4 Điều khiển động bước (Step motor) .37 2.4.5 Tối ưu hóa khơng gian làm việc tay máy song song phẳng ba bậc tự kiểu R-R-R 42 2.5 Kết luận 53 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH TĨNH HỌC TAY MÁY 4.1 Tổng quát .54 4.2 Phương pháp phân tích sơ đồ phân tích lực 54 4.3 Phương pháp sử dụng nguyên lý công ảo 59 4.3.1 Giới thiệu 59 4.3.2 Phân tích lực tay máy phương pháp công ảo 59 4.4 Kết luận 61 CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY 5.1 Định luật Newton-Euler Laws .62 5.1.1 Điểm tham khảo chung 62 5.1.2 Công thức Newton-Euler đệ quy .63 5.2 Phân tích động lực học tay máy song song phẳng bậc tự kiểu RRR 67 5.3 Quỹ đạo làm việc tay máy 76 5.3.1 Tổng quát 76 5.3.2 Quỹ đạo làm việc tay máy 77 5.4 Sử dụng Matlab phân tích động lực học tay máy song song phẳng ba bậc tự kiểu RRR 79 5.4.1 Giải thuật 79 5.4.2 Chương trình 80 5.5 Sử dụng Matlab Simulink để mô động lực học tay máy 83 5.5.1 Giới thiệu Matlab Simulink 83 5.5.2 Yêu cầu toán tổng hợp khối dùng mơ hình Simulink .84 5.5.3 Kết .87 5.7 Mơ hình 3D Inventor .90 5.6 Kết luận 93 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHO ĐỀ TÀI TÀI LIỆU THAM KHẢO CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHƯƠNG 1: TỔNG 1.1 QUAN Giới thiệu định nghĩa tay máy song song: 1.1.1 Giới thiệu: Nhìn chung tay máy có hai dạng chính: tay máy nối tiếp (Serial Robot) (tay máy song song) Parallel Robot Serial Robot cấu trúc mở bao gồm nhiều khâu liên kết nối tiếp Cánh tay người ví dụ điển hình Serial Robot, hình 1.1 Serial Robot phát triển cơng ty Kuka Hình 1.1: Serial Robot công ty Kuka Hiện nay, tất tay máy phát triển sau nhiều có hình dạng giống Là máy có cấu trúc tốt ứng dụng nhiều cơng nghiệp Tuy nhiên cấu chấp hành gắn giá phải mang di chuyển cánh tay, liên kết cấu chấp hành, lý thực tế khó thực việc điều khiển dịch chuyển nhanh xác với cánh tay Kết cánh tay cứng vững xác Ngược lại, Parallel Robot cấu trúc gồm nhiều chuỗi vịng kín với nhóm trục cấu tác động cuối mắc song song Với vịng kín làm tăng độ cứng vững tay máy Hơn nữa, tất cấu chấp hành ta đặt giá cần CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN để đạt kết cấu di chuyển nhẹ tận dụng phần lớn lượng trực tiếp từ trục động Bên cạnh ta cịn giảm sai số vị trí cấu tác động cuối, lý mà tay loại chiếm ưu điều khiển tốc độ cao, độ xác cao, tải trọng lớn có độ cứng vững cao Serial Robot Để đạt yêu cầu người ta thiết kế, phát triển loại Parallel Robot nhắm đến việc đưa chúng vào ứng dụng Trên hình 1.2 giới thiệu loại Parallel Robot Hình 1.2: giới thiệu loại Parallel Robot 1.1.2 Định nghĩa: Một robot song song tạo thành phần di động (endeffector) n bậc tự phần cố định (fixed base) kết nối với chuỗi động học độc lập Lực phát động cấu thực thông qua n khâu dẫn 1.2 Ưu - nhược điểm: So với tay máy nối tiếp tay máy song song có ưu điểm bật sau đây: • Độ bền cơ: tải trọng phần di chuyển đỡ nhiều tay nối lúc nên lực tác dụng lên tay nối thấp CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN • Khối lượng di chuyển thấp: động tay máy song song điển hình đặt lên phần cố định (đối lập với robot nối tiếp) nên giúp giảm đáng kể khối lượng cần di chuyển • Làm việc xác nhờ có cấu trúc cứng cáp Các lỗi xảy đoạn tay nối không bị cộng dồn lại • Có thể thực di chuyển nhỏ nhỏ với độ xác cao, ưu điểm lớn trạm lắp ráp tự động • Vị trí động nằm hay gần với phần cố định • Giải pháp cho toán động học nghịch đơn giản so với tay máy nối tiếp • Vận tốc di chuyển gia tốc cao Tuy nhiên so với tay máy nối tiếp tay máy song song có nhược điểm định: • Khơng gian làm việc (workspace) nhỏ hơn: không gian làm việc tay máy song song bị giới hạn kiến trúc nó, cụ thể va chạm tay nối • Cấu trúc phức tạp hơn: có nhiều khớp tay nối tay máy song song so với tay máy nối tiếp nên tiêu tốn nhiều trình chế tạo, bảo trì để đạt mức độ xác 1.3 Ứng dụng cánh tay máy song song 1.3.1 Các ứng dụng hàng không: Các cấu song song đề xuất ứng dụng cho thiết bị hàng không từ lâu ứng dụng thiết bị định vị không gian, đề nghị trước nhóm nghiên cứu thuộc trường đại học Canterbury CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Hình 1.3: ví dụ việc sử dụng robot song song để điều khiển hướng antenna (Chú ý đến kích thước nhỏ thiết bị phát động so với chảo antenna) Cùng theo xu hướng ứng dụng thành cơng kết cấu robot song song thiết bị định vị cho kính viễn vọng Hầu tất kính viễn vọng đặt trái đất dùng cấu hexapod hệ thống gương thứ cấp hay sơ cấp (Telescopio Nazionale Galileo, Đại học MMT Arizona (cả hai thiết kể ADS International), UKIRT, The ESO VISTA hay The GRANTECAN đảo Canary) Hình 1.4: hệ thống định vị kính viễn vọng lắp đặt trạm quan sát Cerro Armazones Chile Các cấu trúc robot song song dùng để trang bị cho vệ tinh robot song song xem xét trình thử nghiệp vệ tinh SAGE III phiên khác gắn ISS phát triển cho ESA ADS International CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY Hình 4.6 Đồ thị Moment dẫn động tay máy thứ ba 4.5 Sử dụng Matlab Simulink để mô động lực học tay máy: 4.5.1 Giới thiệu Matlab Simulink Simulink phần mềm mở rộng MATLAB (1 Toolbox Matlab) dùng để mơ hình hố, mơ phân tích hệ thống động Thơng thường dùng để thiết kế hệ thống điều khiển, hệ thống thông tin ứng dụng mô khác Simulink thuật ngữ mô dễ nhớ ghép hai từ Simulation Link Simulink cho phép mô tả hệ thống tuyến tính,hệ phi tuyến, mơ hình miền thời gian liên tục, hay gián đoạn hệ gồm liên tục gián đoạn Để mơ hình hố, Simulink cung cấp cho bạn giao diện đồ họa để sử dụng xây dựng mô hình sử dụng thao tác "nhấn kéo" chuột Với giao diện đồ họa ta xây mơ hình khảo sát mơ hình cách trực quan Đây khác xa phần mềm trước mà người sử dụng 83 CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY phải đưa vào phương vi phân phương trình sai phân ngơn ngữ lập trình Điểm nhấn mạnh quan trọng việc mơ q trình việc thành lập mơ hình Để sử dụng tốt chương trình này, người sử dụng phải có kiến thức điều khiển, xây dựng mơ hình tốn học theo quan điểm lý thuyết điều khiển từ thành lập nên mơ hình tốn 4.5.2 u cầu tốn tổng hợp khối dùng mơ hình Simulink 4.5.2.1 u cầu tốn: Từ phương trình vi phân tính moment dẫn động ba tay máy theo ba góc dẫn động θi bị dẫn ψi mà ta tìm phương pháp NewtonEuler kết hợp với phương pháp quỹ đạo, lập khối Simulink để giải phương trình vi phân, từ tìm giá trị ba moment dẫn động cần thiết T1, T2, T3 để đưa tay máy từ vị trí ban đầu đến vị trí A mong muốn thời gian t = 5s hình Trong điều kiện ban đầu: / , / 84 CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY 85 CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY 4.5.2.2 Tổng hợp khối dùng mơ hình Simulink Tên khối Hình vẽ Khối Clock Khối vi phân Khối tích phân Khối Nhân Khối Cộng Khối Function Khối hiển thị Scope Khối Gain 86 CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY 4.5.3 Kết quả: Hình 4.7 Sơ đồ khối Simulink 87 CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY Hình 4.8 Đồ thị moment dẫn động T1 88 CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY Hình 4.9 Đồ thị moment dẫn động T2 89 CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY Hình 4.10 Đồ thị moment dẫn động T3 4.6 Mơ hình 3D Inventor: 4.6.1 Phác thảo ban đầu : 90 CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY 4.6.2 Mơ hình chi tiết : 4.6.3 Động step khớp nối : 4.6.4 Khâu dẫn Moving platform: 4.6.5 Mô trình lắp ráp : 91 CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY 4.7 Kết luận: Trong chương này, cách sử dụng công thức Newton-Euler ta tiến hành phân tích mơ động lực học tay máy song song phẳng RRR sử dụng phần mềm Matlab Sinulink Sau phân tích tìm giá trị ba moment dẫn động T1, T2 T3 Thêm vào q trình phân tích cịn cho ta giá trị phản lực lien kết tác dụng lên khớp tay máy Từ kết tìm tiến hành phân tích chọn 92 CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC TAY MÁY động cho ba tay máy đồng thời thiết kế chọn kích thước khớp cho phù hợp 93 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CHO ĐỀ TÀI KẾT LUẬN Luận văn hoàn thành tốt mục tiêu đề sử dụng tảng lý thuyết có kết hợp với phần mềm Matlab Inventor để thiết lập mơ hình chi tiết 3D tay máy, lập trình mơ tốn động học, động lực học Phân tích khơng gian làm việc tay máy Tối ưu hóa khơng gian làm việc để tạo tảng cho trình xây dựng mơ hình điều khiển tay máy HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Trên sở nghiên cứu lý thuyết qua q trình phân tích mơ matlab, xin đề nghị hướng phát triển đề tài sau: ¾ Về mặt lý thuyết: • Xây dựng mơ hình xác định sai số máy khả nâng cao độ xác • Các vấn đề tối ưu hố vị trí, động học, động lực học, kết cấu điều khiển • Nghiên cứu phương pháp nhằm tối ưu hoá điều khiển song song cấu chấp hành áp dụng cho tay máy ¾ Về mặt thiết kế chế tạo mơ hình: • Thiết kế mơ hình dựa thơng số tính tốn phần động lực học • Sử dụng sensor, encoder để phản hồi tín hiệu góc quay trượt xung tay máy • Nâng cao cơng suất động cách sử dụng loại động bước có góc bước nhỏ, công suất lớn loại động tuyn tớnh ắ V mt iu khin: ã Xõy dng giải thuật điều khiển vịng kín với hỗ trợ tín hiệu phản hồi từ sensor encoder ắ V mt gii thut: 94 ã Phỏt trin chương trình có khả xử lý vị trí điểm linh hoạt không gian hoạt động 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lung-Wen Tsai Robot Analysis John Wiley & Sons, Inc 1999 [2] J.-P.Merlet Parallel Robots Springer 2006 [3] Jean-Pierre Merlet, Clément M.Gosselin, Nicolas Mouly Workspaces of planar parallel manipulator [4] A.A Rojas-Salgado, Y.A Ledezma-Rubio Optimal Design of Planar Paraller Manipulators RRR Through Lower Energy Consumption Cranfield University, 30-31 March 2009 [5] Phạm Đăng Phước Giáo trình Robot công nghiệp Đại học Bách khoa Đà Nẵng [6] Từ Diệp Cơng Thành, Đặng Văn Nghìn; Bộ điều khiển Parallel Robot; Bộ mơn Cơ Điện tử, Khoa Cơ khí, Đại học Bách khoa Tp.HCM [7] Dr Robert L Williams II Robot Mechanics Mechanical Engineering Ohio University 2009 (Notebook) [8] Guilin Yang, Weihai Chen, I-Ming Chen A Geometrical Method for the Singularity Analysis of 3RRR Planar Parallel Robots with Different Actuation Schemes Conference on Intelligent Robots and Systems EPFL, Lausannce, Switzerland, October 2002 [9] G.R Pennock D.J Kassner X The workspace of a general geometry planar three degree of freefom platform manipulator The American Society of Mechanical Engineers, 1993 [10] Ilian A Bonev And Clément M Gosselin Singularity Loci of Planar Parallel Manipulators with Revolute Joints 2nd Workshop on Computational Kinematics Seoul, South Korea, May 20-22, 2001 [11] Vigen Arakelian, Sébastien Briot, Victor Glazunov X Increase of singularityfree zones in the workspace of parallel manipulators using mechanisms of variable structure Mechanism and Machine Theory, 43(9): 1129-1140, 2008 [12] R Dou X Optimum design of 3-RRR planar parallel manipulators Professional Engineering Publishing, 2009 [13] Radu Bălan, Vistrian Măties Sergiu Stan A control approach of a 3-RRR planar parallel minirobot [14] http://www.parallemic.org/Software.html (Chương trình Matlab) [15] http://www.parallemic.org/Java/3RRR.html (Simulation of a 3-DOF 3-RRR Planar Parallel Robot) [16] http://155.69.254.10/users/risc/index.html ... lắp ráp 1.4 Cánh tay máy song song phẳng bậc tự kiểu RRR: 1.4.1 Giới thiệu: Hình 1.24: Cấu trúc tay máy song song bậc tự phẳng kiểu R-R-R Đối với cánh tay máy phẳng song song bậc tự hình 1.24, khớp... niệm lịch sử phát triển tay máy, phân loại tay máy song song, nguyên lý, ứng dụng, tình hình nghiên cứu phát triển tay máy song song nói chung tay máy song song phẳng kiểu RRR nói riêng CHƯƠNG 2:... BÀI TỐN KHƠNG GIAN LÀM VIỆC CỦA TAY MÁY 2.1 Bậc tự cấu: Hình 2.1: Thơng số cánh tay máy song song phẳng bậc tự kiểu R-R-R Đối với cánh tay máy phẳng song song bậc tự hình 2.1, khớp quay cố định