2.2.2. Khâu 1
2.2.3. Khâu 2
2.2.4. Khâu 3
Hình 2.6 Mơ hình lắp ráp
CHƯƠNG III : XÂY DỰNG ĐỘNG HỌC THUẬN CHO ROBOT
3.1. Các loại liên kết trong không gian
Tùy theo yêu cầu về kết cấu của Robot mà ta lựa chọn loại khớp liên kết giữa các khâu liên khác nhau. Trong Robot công nghiệp hiện nay, người ta thường dùng chủ yếu hai loại khớp là khớp quay và khớp trượt.
Khớp quay: (thường được kí hiệu là R) loại khớp này cho phép chuyển động quay của khâu này đối với khâu khác quanh một trục quay. Loại khớp này hạn chế năm khả năng chuyển động giữa hai thành phần khớp do đó khớp có một bậc tự do.
Khớp trượt: (thường được kí hiệu là T) loại khớp này cho phép hai khâu trượt tương đối với nhau theo phương của một trục nào đó. Khớp hạn chế năm khả năng chuyển động, do đó có một bậc tự do.
Khớp quay khớp trượt Hình 3.1 khớp quay, khớp trượt
Ngoài ra trong một số trường hợp người ta cịn dùng khớp cầu để tăng tính linh hoạt cho Robot. Với loại khớp này cho phép các khâu thực hiện các chuyển động quay theo tất cả các hướng quanh tâm khớp, và hạn chế các chuyển động tịnh tiến giữa các khâu. Do đó số bậc tự do của khớp cầu là ba. Trong quá trình thiết kế tay máy Robot, người ta quan tâm đến thông số ảnh hưởng lớn đến khả năng hoạt động của Robot như:
+ Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của tay máy...
+ Tầm với hay vùng làm việc: phụ thuộc vào kích thước của các khâu và cấu trúc của robot.
+ Sự khéo léo của robot, thông số này liên quan đến bậc tự do của robot.
Bậc tự do của Robot là số khả năng chuyển động độc lập (chuyển động quay hoặc chuyển động tịnh tiến) trong khơng gian hoạt động. Để có thể di chuyển thực hiện các thao tác dễ dàng trong vùng làm việc, Robot phải đạt được một số bậc tự do nhất định. Thông thường tay máy Robot thường là một cơ cấu hở, do đó số bậc tự do của Robot có thể được tính theo cơng thức:
Trong đó: n : số khâu động
pi : số khớp loại i (i=1,...5 : số bậc tự do bị hạn chế)
Số bậc tự do của Robot quyết định đến tính linh hoạt của Robot trong q
trình làm việc. Số bậc tự do càng lớn Robot càng linh hoạt, càng nhiều phương án
để đến điểm thao tác thực hiện được yêu cầu công việc, điều này rất ý nghĩa trong
trường hợp Robot làm việc trong mơi trường có nhiều chướng ngại vật. Tuy nhiên
số bậc tự do chuyển động này không nên lớn hơn sáu, bởi với sáu bậc tự do nếu bố
trí một cách hợp lý, sẽ đủ để tạo ra khả năng chuyển động linh hoạt của khâu tác
động cuối nhằm có thể tiếp cận đối tượng theo mọi hướng. Mặt khác cũng phải
5 1 W 6 i i n ip = = −∑
thừa nhận rằng số bậc tự do lớn kéo theo hệ quả là: tăng thêm sai số dịch chuyển,
tăng chi phí, thời gian sản xuất và bảo dưỡng Robot. Do đó tùy theo yêu cầu, chức
năng mà người ta lựa chọn số bậc tự do cho tay máy Robot thích hợp.
3.3. Vùng làm việc của robot
Vùng làm việc của Robot là tồn bộ vùng thể tích mà điểm tác động cuối có
thể thao tác được khi Robot có thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Thể tích
và hình dáng của vùng làm việc phụ thuộc vào kết cấu của tay máy và miền giá trị
của các biến khớp. Nghiên cứu vùng làm việc của Robot giúp cho nhà thiết kế biết
được các giới hạn, đường biên của vùng khơng gian làm việc để bố trí một cách
hợp lý vị trí của tay máy hoặc Robot với các thiết bị phối hợp thao tác khác trong
Hình 3.2 vùng làm việc của robot
3.4. Động học robot
Nghiên cứu động học Robot là cơ sở cho việc thiết kế Robot, cũng như giải các bài toán điều khiển Robot theo các quỹ đạo định trước. Động học Robot nghiên cứu chuyển động của Robot nhưng không xét đến các lực và momen gây ra chuyển động. Động học chỉ xét vị trí, vận tốc và gia tốc của một điểm nào đó trên Robot thơng thường là điểm tác động cuối. Do đó động học Robot đề cập đến các tính chất hình học và thời gian chuyển động. Các biến khớp của cơ cấu chấp hành liên quan đến vị trí và hướng của điểm tác động cuối theo các ràng buộc của các khớp đó. Các quan hệ động học này là cơ sở để nghiên cứu động học cơ cấu chấp hành. Động học Robot nghiên cứu phương pháp giải hai bài toán cơ bản là: bài toán động học thuận và bài toán động học ngược. Hai bài tồn này có quan hệ chặt chẽ với nhau.
Bài toán động học thuận: Việc giải bài toán động học nhằm tìm ra phương trình động học của tay máy dựa trên những thông số đã biết. Với bài toán động học thuận người ta biết trước được cơ cấu tay máy (biết trước số khâu, số khớp, loại khớp, kích thước các khâu) cho trước vị trí (quy luật chuyển động) của khâu thành viên trong tọa độ khớp (tọa độ suy rộng). Ta cần xác định vị trí (quy luật chuyển động) và hướng của khâu tác động cuối trong hệ tọa độ cơ sở. Bài toán động học thuận thường được dùng để kiểm chứng hoặc kiểm nghiệm lại việc thiết kế Robot có đúng theo u cầu đặt ra khơng, điều đó được thể hiện ở quỹ đạo di chuyển cũng như tầm hoạt động của khâu tác động cuối tay máy. Bài toán động học thuận có nội dung gần giống như bài tốn phân tích động học cơ cấu nên người ta thường gọi “Bài tốn phân tích động học”
Bài tốn động học ngược: Ngược lại với nội dung của bài toán thuận, bài tốn động học ngược cho trước vị trí và định hướng của điểm tác động cuối mong muốn dưới dạng một quy luật chuyển động nào đó trong khơng gian. Vấn đề là tìm tập hợp các chuyển vị, vận tốc, gia tốc của các biến khớp tương ứng đó để điểm tác động đạt vị thế mong muốn với các đặc tính chuyển động theo yêu cầu. Trong thực tế, bài toán động học ngược gần giống như bài toán tổng hợp động học cơ cấu nghĩa là bài toán chỉ cho trước yêu cầu hoặc quy luật chuyển động của khâu cuối ta phải xác định cơ cấu tay máy và quy luật chuyển động của các khâu thành viên nên người ta thường gọi với tên gọi khác là “Bài toán tổng hợp”. Giải bài toán động học ngược nhằm mục đích phục vụ bài tốn điều khiển quỹ đạo, điều khiển tối ưu…
Với bài toán động học thuận, trong mọi trường hợp ta xác định được một nghiệm duy nhất, nghĩa là với mỗi tập giá trị biến khớp qi cho trước ta chỉ xác định được duy nhất một tập nghiệm mơ tả vị trí và hướng của cơ cấu tác động cuối.
nghiệm, nhiều nghiệm hay cũng có thể là khơng có nghiệm thỏa mãn tùy thuộc vào vị trí của cơ cấu tác động cuối. Trong trường hợp quy luật chuyển động của cơ cấu tác động cuối nằm trong vùng không gian hoạt động của tay máy ta có thể xác định được nhiều tập nghiệm. Tại vị trí biên vùng khơng gian hoạt động của Robot ta xác định được duy nhất một nghiệm, bài tốn vơ nghiệm khi luật chuyển động của cơ cấu tác động cuối không nằm trong vùng hoạt động của Robot.
Ta có thể mơ tả nội dung các bài tốn động học tay máy thông qua sơ đồ :