Nghiên cứu thiết kế chế tạo các robot thông minh phục vụ cho các ứng dụng quan trọng 3

Nghiên cứu thiết kế chế tạo các robot thông minh phục vụ cho các ứng dụng quan trọng

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CHƯƠNG TRÌNH KC.03

YZ YZ YZ YZ YZ YZY YZ YZ YZY YZ YZ YZY

“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC ROBOT THÔNG MINH PHỤC VỤ CHO CÁC ỨNG DỤNG QUAN TRỌNG”

HÀ NỘI 2006

II Xây dựng các mô hình động học và động lực học Robot SCATM 12 2.1 Thiết lập phương trình động học Robot SCATM 12 2.1.1 Xác định các hệ tọa độ của Robot SCATM 12 2.1.2 Bảng thông số DH của Robot SCATM 12

2.1.3 Xác định các ma trận của Robot SCATM 12 2.1.4 Tính các ma trận T của Robot SCATM 13

2.1.5 Phương trình động học Robot SCATM 14 2.2 Thiết lập bài toán động học ngược Robot SCATM 15

2.3 Xây dựng mô hình động lực học Robot SCATM 19 III Thiết kế cải tiến chế tạo Robot SCATM khí nén 36

Phần 2:

Môđun quay dùng bánh răng con lăn

40

II Nhu cầu cần có môđun quay dùng BRCL 41

3.1 Các bộ phận chủ yếu của hộp giảm tốc BRCL 46

VI LËp tr×nh gia c«ng trªnm¸y c¾t d©y CNC 57 VII Sö dông BRCL cho m«dun quay Robot lµ gi¶i ph¸p hîp lý nhÊt 58 VIII ChuÈn hãa thiÕt kÕ hép gi¶m tèc BRCL 59

BÁO CÁO CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THEO NHIỆM VỤ 2 CỦA ĐỀ TÀI KC.03.08

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO NHÓM SẢN PHẨM ROBOT SCA

MỞ ĐẦU

Robot SCA là loại robot thuộc nhóm robot SCARA (selective Compliance Assembly Robot Arm) có cấu trúc động học theo kiểu cơ cấu tay máy phỏng sinh trục đứng SCARA là loại robot dùng để lắp ráp linh hoạt Tuy SCARA mới xuất hiện ở Nhật trong những năm 80, nhưng do có nhiều ưu điểm nên nhanh chóng được nhiều nước áp dụng và cải tiến

Có thể xếp vào nhóm robot SCARA các kiểu robot sau: Adept - One, IBM - 7545, Intelldex 440, Rhino SCARA của Hoa Kỳ; Skilam, SR-2, Nam Robo, Puha 2 của Nhật bản; IS 600 của Đức; Serpent của Anh v.v

Tại Trung tâm NCKT tự động hóa, ĐHBK - HN cũng đã thiết kế chế tạo kiểu robot SCA là một biến thể của SCARA Kiểu robot SCA này có cấu hình RRRT, với 4 bậc tự do, toàn dùng động cơ bước

Hình 2.0.1 Chế tạo và lắp ráp Robot SCA

Nhằm nâng cao khả năng thao tác linh họat cho robot SCAđể đáp ứng được những tình huống xử lý thông minh của bộ điều khiển theo các tín hiệu nhận được từ các sensors, Đề tài đã nghiên cứu thiết kế cải tiến robot SCA theo 2 định hướng: dùng khí nén để tác động nhanh và môđun hóa để vạn năng hóa kết cấu

1) Robot SCATM khí nén có 3 bậc tự do đầu dùng động cơ bước, còn bậc cuối thực hiện chuyển động tịnh tiến dùng truyền động khí nén Trên hình 2.0.2 là bản vẽ thiết kế robot SCATM khí nén Kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo và điều khiển vận hành robot SCATM khí nén ®−îc tr×nh bµy trong Phần I của Báo cáo về nhiệm vụ 2 của Đề tài

2) Robot SCA môđun hóa là một thử nghiệm tạo ra môđun cánh tay chuẩn hóa, từ đó có thể lắp ghép thành nhiều kiểu robot SCA Trên hình 2.0.3 là ví dụ một kiểu robot SCA tạo ra từ các môđun cánh tay chuẩn hóa và hình 2.0.4 là một ví dụ khác: robot SCA có 2 tay

Mỗi môđun cánh tay (hình 2.0.5) là một khâu hoàn chỉnh của cơ cấu tay máy robot, được thực hiện chuyển động quay rất chậm trực tiếp bởi một động cơ kèm hộp giảm tốc tỷ số truyền cao và không tồn tại khe hở cạnh răng

Như vậy, phần cốt lõi của môđun cánh tay là môđun quay (rotation module) Vì thế khi triển khai thực hiện nhiệm vụ 2 của Đề tài đã phát sinh một nội dung nghiên cứu và đã nhận được những kết quả bất ngờ và rất có ý nghĩa không những đối với các truyền động quay trong robot mà còn có tác dụng trong hầu hết các thiết bị máy móc hiện đại Tóm tắt các kết quả chủ yếu về nội dung nghiên cứu này được trình bày trong phần II của Báo cáo về Nhiệm vụ 2 của Đề tài

Hình 2.0.5 Bản vẽ thiết kế Robot SCATM khí nén

H×nh 2.0.3 Robot SCA mét c¸nh tay m«®un hãa

Hình 2.0.5 Môđun cánh tay

Nội dung phần III của Bỏo cỏo về Nhiệm vụ 2 của Đề tài là cỏc kết quả nghiờn cứu thiết kế chế tạo mụđun Dõy chuyền sản xuất (DCSX) dựng robot SCA để phõn loại sản phẩm theo màu sắc Nội dung nghiờn cứu này cốt để minh họa về một cỏch thức thể hiện khả năng thụng minh húa cho robot ở đõy cụ thể là robot SCA, trong mụi trường làm việc cụ thể nào đú Ngoài ra đơn vị chủ trì Đề tài cũn tham gia xõy dựng Dự ỏn “Chế tạo robot bốc dỡ kột lờn pallet tại phõn xưởng chiết của Cụng ty liờn doanh Bia Sài Gũn” Hỡnh 2.0.6 là mụ phỏng hoạt hỡnh robot này, đú cũng là một biến thể cỡ lớn của Robot SCARA Kinh phớ từ ngõn sỏch SNKH được duyệt là 2,6 tỷ đồng, phần tham gia của đơn vị là 250 triệu đồng Cỏc thụng số kỹ thuật của robot này giới thiệu trong phần phụ lục

Hình 2.0.6 Mô phỏng Robot bốc dỡ két bia

Nội dung Phần 4 của Báo cáo về Nhiệm vụ 2 của Đề tài là các kết quả nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết, thuật toán và chương trình phần mềm điều khiển robot SCA trong trường hợp hoạt động riêng rẽ và trong trường hợp thao tác với dây chuyền sản xuất Trong đó cã các vấn đề với phương pháp giải bài toán động học thuận, bài toán động học ngược, trong lập trình quỹ đạo cho robot, bài toán động lực học và phương pháp thực hiện việc chọn lựa sản phẩm theo màu sắc

Nội dung chủ yếu của Phần I đã được viết thành một luận văn thạc sĩ,

Phần i

Báo cáo tóm tắt các kết quả nghiên cứu theo nhiệm vụ 2 của đề tài kc 03.08

i giới thiệu chung

Nghiờn cứu thiết kế chế tạo Robot SCATM khớ nộn để nõng cao mức linh hoạt thao tỏc của nú nhằm đỏp ứng được điều khiển khụng bị trễ khi xử lý thụng minh cỏc tớn hiệu nhận được từ hệ thống sensor

Phần I bỏo cỏo này trỡnh bày 2 nội dung:

1 Xõy dựng cỏc mụ hỡnh động học và động lực học của Robot SCATM

2 Thiết kế cải tiến và chế tạo Robot SCATM khớ nộn

II tóm tắt về kết quả nghiên cứu xây dựng các mô

2.1 Thiết lập phương trỡnh động học Robot SCATM

2.1.1 Xác định các hệ tọa độ của robot SCATM

Hình 2.1.1 Hệ toạ độ của robot SCATM

2.1.2 Bảng thông số DH của robot SCATM

z

111 1

40 00 0

Tnsap

2 121 12 121 1

cos( )sin( )0

sin( )cos( )0

⎪ = − + −⎪

⎪ =⎪→ ⎨ =

⎪⎪ =⎪

= −⎪

(2.11)

2.2 Thiết lập bài toán động học ng−ợc Robot SCATM

Như đó ký hiệu trong bài toỏn động học thuận, ta cú phương trỡnh sau:

Tn = AiiTn

Nhõn hai vế của phương trỡnh này với Ai−1, nhận được

12121212121212122 12

111343214

12121212121212122 12

XÐt phÇn tö hµng 1 cét 4 cña 2 ma trËn X vµ 14 14

T tõ (2.14) vµ (2.8)

vµ phÇn tö hµng 2 cét 4 cña 2 ma trËn X14 vµ 1T4 tõ (2.14) vµ (2.8)

qappϕ

* T×m d3

XÐt phÇn tö hµng 3 cét 4 cña hai ma trËn X vµ 1T tõ (2.14) vµ (2.8)

XÐt phÇn tö hµng 1 cét 1 cña hai ma trËn X34 vµ 3T4 tõ (2.12) vµ (2.5) 12 x 12 y 4

00

12122 121 112122 121 10012

30

00

12122 1212122 12

00

0 0 0 00 0 0 00 0 0 10 0 0 0

00

121221212122 12

00

121221212122 1202 1

00

012 23331233

0 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0

0 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0

11111 1121 2 1131 3 1141 4 1112 1 2122 2132 3 211

km k mkm

=∑∑ & & = & + & & + & & + & & + & & + & + & &

242 4 2213 1 3223 2 3233 3243 4 3214 1 4224 2 4234 3 4244 4

km k mkm

∑∑ & & & & & & & & & & & &

& & & & & & & & & & & & & & & &

313 1 3323 2 3333 3343 4 3314 1 4324 2 4334 3 4344 4 0

k mkm

44411 1421 2 1431 3 1441 4 1422 24 3 211

442 4 2413 1 3423 2 3433 3443 4 3414 1 4424 2 4434 3 4444 4

km k mkm

∑∑ & & & & & & & & & & & &

& & & & & & & & & & & & & & & &

4 412 211242 4 2 12 4 21

= − ⎣& + & − + + & & + & ⎦

Khi biết lực động FM ở từng khớp và từng thời điểm, trên cơ sở các phương trình động lực nói về nguyên tắc có thể tìm ra quy luật thay đổi các giá trị biến khớp q(t) theo thời gian Rồi tiếp theo đó, từ bộ giá trị q(t) sẽ xác định được quy luật thay đổi thời gian của vị trí bàn kẹp tức là xác định được quỹ đạo chuyển động của bàn kẹp

Ngược lại, nếu cho biết chương trình chuyển động, tức là cho biết q(t) và các đạo hàm bậc nhất, bậc 2 theo thời gian của q(t), trên cơ sở các phương trình động lực nói trên có thể xác đinh FM tác động lên từng khớp động ở các thời điểm khác nhau

Từ phương trình động lực (2.182) có thể xây dựng phương trình trạng thái điều khiển hệ thống robot có các liên hệ phản hồi Trên cơ sở đó có thể chọn lựa các quy luật điều khiển thường gặp là sao cho giảm điều thiểu các ảnh hưởng phi tuyến tác động lên nhau của các nguồn động lực trong các khớp động

III tóm tắt về kết quả nghiên cứu thiết kế cải

Như đã trình bày ở trên Robot SCA với cấu hình RRRT, 4 bậc tự do, toàn dùng động cơ bước đã được Trung tâm NCKT Tự động hóa, thiết kế, chế tạo cung cấp cho một số cơ sở đào tạo Để nâng cao tốc độ của robot SCA cho phù hợp với hoạt động của băng truyền, mà dự kiến nó sẽ phục vụ Đề tài đã nghiên cứu cải tiến, chủ yếu là cho bậc tự do thứ tư khí nén thực hiện chuyển động tịnh tiến bằng khí nén để công gắp nhanh Vì thế ở mục này chỉ trình bày một số bản vẽ chủ yếu

- Hình 2.1.2 Bản vẽ về vùng hoạt động của Robot SCATM khí nén - Hình 2.1.3 Bản vẽ lắp chung của Robot SCATM khí nén

- Hình 2.1.4 ảnh chụp Robot SCATM khí nén

124,5150

626160

H×nh 2.1.4 Robot SCATM khÝ nÐn

Có 2 loại môđun cơ bản: Môđun tịnh tiến (translation module) và môđun quay (rotation module) Trong số các yêu cầu kỹ thuật đối với các mođun này cần nhấn mạnh đến các yếu tố sau:

- Vì các môđun này gắn với từng khâu động, nối liên tiếp với nhau thành một chuỗi hở nên yêu cầu gọn nhẹ về kích cỡ là rất quan trọng Các động cơ dùng trong môđun này có tốc độ cao, mà các khâu của robot chuyển động lại rất chậm, nên cần có các hộp giảm tốc tỷ số truyền cao Nếu dùng hộp giảm tốc thông thường thì rất cồng kềnh, còn nếu dùng hộp

gian thực Bộ truyền vítme bi trong môđun tịnh tiến đã đáp ứng yêu cầu này, vì có thể điều chỉnh được khe hở giữa viên bi và các rãnh xoắn ốc tiết diện lõm Trong lúc đó yêu cầu này đối với bộ truyền bánh răng còn là đối tượng đang được nghiên cứu

Trong nhiều loại robot có tiếng trên thế giới các môđun quay thực hiện bằng bánh răng sóng (harmonic/ driver) Truyền động bánh răng sóng đạt được tỷ số truyền khá cao, có vành răng mỏng biến dạng được nên có thể triệt tiêu khe hở cạnh răng được Tuy nhiên nhược điểm là hiệu suất tương đối thấp và nhất là rất khó chế tạo, giá bán rất cao Cho nên nay hầu như đều phải mua của Hoa Kỳ

Hộp giảm tốc bánh răng con lăn (BRCL) có cả những ưu điểm của bánh răng sóng và của vítme bi, hiệu suất cao vì chuyển sang ma sát lăn và nhiều khả năng tồn tại màng dầu tiếp xúc thủy động Hộp giảm tốc BRCL mới xuất hiện gần đây nhưng rất có nhiều triển vọng Nội dung nghiên cứu tạo ra những môđun quay dùng BRCL là rất mới mẻ và hấp dẫ về mặt ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

II NHU CẦU CẦN CÓ MÔĐUN QUAY DÙNG BRCL

Như đã đề cập ở mục giới thiệu chung, các môđun truyền động ở các khớp động trong robot có 2 yêu cầu quan trọng là gọn nhẹ về kích cỡ và triệt tiêu khe hở cạnh răng

Đối với truyền động tịnh tiến nếu dùng vítme bi thì có thể đáp ứng được các yêu cầu này Còn đối với các khớp quay trong nhiều loại robot để đảm bảo được các yêu cầu này người ta phải dùng đến bánh răng sóng, rất đắt tiền vì rất khó chế tạo vành răng mỏng biến dạng được

Trước khi trình bày về BRCL cần phải tìm hiểu phân tích về 2 truyền động nói trên

Truyền động vítme bi

Truyền động vítme bi xuất hiện từ những năm đầu của thập kỷ 50 dùng cho máy điều khiển số Ngày nay đã có rất nhiều hãng snả xuất loại truyền động này, dùng rộng rãi cho nhiều lĩnh vực, trong đó có kỹ thuật robot

Hiệu suất của truyền động vítme bi có thể hơn 90% vì khi có bi chen giữa 2 mặt ren lõm của vítme và đai ốc thì ma sát lăn đã thay cho ma sát trượt trong truyền động vítme thông thường Nhiều cải tiến mới đã áp dụng Trong đó có vấn đề chọn lựa hợp lý quan hệ đường kÝnh viên bi và đường kính tiết diện cắt ngang của các rãnh lăn cho phù hợp với điều kện ứng dụng cụ thể Đồng thời phải quan tâm đến tốc độ di chuyển của viên bi trong rãnh lõm và đường hồi bi Hai yêu tố này ảnh hưởng lớn đến hiệu ứng màng dầu thủy động và do vậy sẽ liên quan đến kích cỡ bộ truyền

Truyền động bỏnh răng súng

Truyền động bánh răng sóng (The harmonic drive) khác biệt so với các loại truyền động bánh răng khác là ở chỗ nó có một bánh răng mềm truyền sóng biến dạng và nhờ vậy mà truyền được chuyển động quay (hình 2.2.2)

Hình 2.2.2 Bộ truyền bánh răng sóng

Bộ truyền bánh răng sóng gồm 3 bộ phận cơ bản: bánh răng mềm 1, bánh răng cứng 2 và cần tạo sóng b Bánh răng mềm có dạng ống vỏ mỏng Một đầu ống nối với trục quay ω1, còn đầu kia được cắt răng với số răng Z1 Vành răng này được biến dạng đi một đại lượng 2W0 do cần tạo sóng gây nên Như mô tả trên sơ đồ tiết diện cắt ngang (hình 2.2d), do tác động của cần tạo sóng vành răng mềm từ hình tròn biến dạng thành hình enlip Chu vi vành răng khi biến dạng so với chu vi vành răng khi chưa biến dạng, tạo ra 2 sóng (xem hình khai triển trên hình 2.2.2 d) Phương AA là phương biến

dạng lớn, còn phương BB là phương biến dạng nhỏ Đỉnh sóng biến dạng nằm trên phương AA, còn đáy sóng biến dạng nằm trên phương BB Tuỳ theo cách tạo sóng, số sóng biến dạng có thể là 1, 2, 3 v.v Thông thường là bộ truyền 2 sóng và quan hệ số răng giữa bánh răng mềm với bánh răng cứng là Z2 - Z1 = 2

Bộ truyền bánh răng sóng còn dùng để truyền chuyển động qua vách ngăn kín, cho nên vỏ mỏng 1 thường làm kín một đầu Cần tạo sóng dùng để hình thành và truyền sóng biến dạng trên bánh răng mềm Có thể tạo sóng bằng phương pháp cơ khí, điện từ, thuỷ lực, khí nén Theo phương pháp cơ khí có thể dùng 2 con lăn, 4 con lăn, đĩa lăn, vòng lăn hoặc cam lăn

- Do có nhiều cặp răng cùng ăn khớp và có thể tạo ra một vài vùng ăn khớp đồng thời, cho nên có thể bù trừ được các sai số chế tạo, sai số lắp ráp

- Ngoài ra bộ truyền bánh răng sóng còn có ưu điểm nữa là nhờ có vành răng mềm ở một đầu ống vỏ mỏng, biến dạng lại không lớn, ống vỏ mỏng có thể làm một đầu kín nên có thể tạo ra cơ cấu bộ truyền xuyên kín qua vách ngăn giữa 2 môi trường khác nhau (xem hình 9.3) Đối với bánh răng mềm bằng thép thì độ biến dạng Wa = (0,003 ữ 0,015)d1, còn chiều dày vỏ mỏng chỗ chân răng hc = (0,005 ữ 0,03)d1, với d1 là đường kính ống vỏ mỏng

Hình 2.2.3 Bộ truyền bánh răng sóng xuyên qua vách ngăn

Dưới đây giới thiệu một vài ứng dụng truyền động bánh răng sóng trong kết cấu robot

Trên hình 2.2.4 là sơ đồ cấu tạo một khớp quay dùng bánh răng sóng Trong thân hộp 1 đặt động cơ điện 3 và bộ phận 2 nhân tín hiệu phản hồi liên hệ với trục động cơ bằng các bánh răng 4, 5, 6 Bánh răng 5 gắn liền với trục 10 đấu vào bộ truyền bánh răng sóng Trục 10 là trục khuỷu, trên đó gắn các đĩa 9 để tạo sóng biến dạng cho bánh răng mềm 8 Bánh răng 8 này ăn khớp với bánh răng cứng 7 cố định và gắn với trục đầu ra 11 của bộ

3

2

truyền bánh răng sóng Trục 11 gắn liền với khâu tiếp theo của cơ cấu tay máy

Hình 2.2.4 Sơ đồ cấu tạo một khớp quay tay máy dùng Bánh răng sóng

Truyền động BRCL có thể thay thế thành công cho bánh răng sóng vì nhiều ưu điểm vượt trội mà giá thành lại thấp hơn nhiều Hộp giảm tốc BRCL có thể đạt được tỷ số truyền cao hơn, kích thước nhỏ gọn hơn, hiệu suất cao hơn do ma sát lăn đã thay thế cho ma sát trượt và màng dầu tiếp xúc thủy động có hiệu ứng to lớn

III cấu tạo và nguyên tắc làm việc

3.1 Các bộ phận chủ yếu của Hộp giảm tốc BRCL