Luận văn Tính toán và mô phỏng robot song song cao tốc ba bậc tự do (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Tính toán và mô phỏng robot song song cao tốc ba bậc tự do (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THỊ HẠNH TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG ROBOT SONG SONG CAO TỐC BA BẬC TỰ DO NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 0 1 0 9 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2006
2. BOÄ GIAÙO DUÏC VAØ ÑAØO TAÏO TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT THAØNH PHOÁ HOÀ CHÍ MINH LUAÄN VAÊN THAÏC SÓ PHAÏM THÒ HAÏNH TÍNH TOAÙN VAØ MOÂ PHOÛNG ROBOT SONG SONG CAO TOÁC BA BAÄC TÖÏ DO Chuyeân ngaønh : Cô khí cheá taïo maùy Maõ ngaønh : 605204 Hoïc vieân : KS. PHAÏM THÒ HAÏNH Höôùng daãn : PGS. TS ÑAËNG VAÊN NGHÌN TP. HOÀ CHÍ MINH – THAÙNG 9 NAÊM 2006
3. LÔØI CAÛM ÔN ™ Xin caûm ôn Ñaûng uûy, ban giaùm hieäu tröôøng Ñaïi hoïc Sö Phaïm Kyõ Thuaät Tp. Hoà chí minh ñaõ taïo ñieàu kieän cho toâi theo hoïc lôùp Cao hoïc chuyeân ngaønh Cô Khí Cheá Taïo Maùy. ™ Xin caûm ôn quùy thaày, coâ ñaõ giaûng daïy lôùp cao hoïc Cô Khí khoùa 2004 – 2006 ñaõ taän tình trong giaûng daïy vaø cung caáp caùc kieán thöùc neàn taûng giuùp toâi hoaøn thaønh luaän vaên. ™ Xin caûm ôn thaày höôùng daãn PGS.TS Ñaëng Vaên Nghìn ñaõ heát söùc nhieät tình trong quaù trình höôùng daãn toâi thöïc hieän luaän vaên naøy. ™ Xin caûm ôn giaûng vieân phaûn bieän ñaõ boû thôøi gian vaø coâng söùc ñeå ñoïc taäp luaän vaên vaø ñoùng goùp caùc yù kieán quùy baùu giuùp toâi hoaøn thieän luaän noäi dung cuûa luaän vaên. ™ Toâi xin göûi lôøi caûm ôn chaân thaønh ñeán cha meï toâi, ngöôøi ñaõ luoân luoân uûng hoä vaø taïo ñieàu kieän cho toâi hoïc taäp vaø hoaøn thieän luaän vaên. ™ Xin caûm ôn caùc ñoàng nghieäp, baïn beø ñaõ giuùp ñôõ toâi trong thôøi gian thöïc hieän luaän vaên. PHAÏM THÒ HAÏNH
4. TOÙM TAÉT Caùch ñaây hai thaäp kyû, treân theá giôùi, lónh vöïc robot song song ñaõ ñöôïc nghieân cöùu khaù phoå bieán. Quaû thaät nhöõng con robot naøy toû ra noåi baät hôn so vôùi robot noái tieáp trong moät soá lónh vöïc. Cuï theå laø, chuùng coù theå ñaït ñöôïc toác ñoä cao hôn (do quaùn tính cuûa caû heä thoáng dòch chuyeån thaáp) vaø ñoä chính xaùc cao hôn (do khoâng coù sai soá do caùc khôùp doàn laïi). Cho ñeán nay, nhöõng ñaëc ñieåm naøy vaãn ñöôïc quan taâm trong coâng ngheä saûn xuaát, ñoù laø vieäc laép raùp vaø cheá taïo saûn phaåm vôùi ñoä chính xaùc cao hôn vaø toác ñoä nhanh hôn. Moät lónh vöïc öùng duïng khaù thích hôïp cho loaïi robot naøy laø coâng ngheä ñieän töû, ôû ñoù robot coù theå ñöôïc öùng duïng roäng raõi. Vì theá, ñoái töôïng nghieân cöùu trong luaän vaên naøy laø Robot song song cao toác ba baäc töï do. SUMMARIZE Two decade ago, in the world, the field of parallel robot has been popularly researched. Really these robots have proved more remarkable than these serial counterparts in some fields. Namely, they can achieve higher speeds (due to low moving inertia of the system) and higher precision (due to non – cumulative joint errors). Nowadays, these properties are very considerrable in the manufacturing industrial; such as manufacturing and assembling of products with higher accuracy and faster pace. A pertinent application area for this kind is the electronics industry, where by such robot can be extensively untilized. As a result, the object of study in this thesis is a three – degree of freedom parallel robot for high speed.
5. LÔØI NOÙI ÑAÀU Ngaøy nay, coâng ngheä Robot ñaõ trôû thaønh moät boä phaän quan troïng trong moâi tröôøng saûn xuaát linh hoaït. Heä thoáng daây chuyeàn saûn xuaát töï ñoäng hoùa laø ñoäng löïc thuùc ñaåy vieäc öùng duïng Robot ñeå thay theá cho cho con ngöôøi laøm vieäc ôû moâi tröôøng ñoäc haïi, nguy hieåm, vaø ñaëc bieät laø thay con ngöôøi thöïc thi caùc coâng vieäc mang tính ñôn ñieäu, nhaøm chaùn nhöng ñoøi hoûi cöôøng ñoä laøm vieäc cao vaø ñoä chính xaùc phaûi lôùn, ñieån hình laø caùc coâng vieäc laép raùp caùc linh kieän ñieän töû treân board maïch, vaän chuyeån vaät lieäu, Tröôùc ñaây, haàu heát nhöõng con Robot ñöôïc öùng duïng trong neàn saûn xuaát coâng nghieäp laø Robot noái tieáp. Tuy nhieân, nhöôïc ñieåm cuûa loaïi Robot naøy laø khoù coù theå ñaït ñöôïc toác ñoä vaø ñoä chính xaùc cao, khi chòu taûi lôùn thì ñoä cöùng vöõng keùm, gia toác cuûa boä taùc ñoäng cuoái cuõng bò haïn cheá do quaùn tính dòch chuyeån cao vaø do toàn taïi caùc sai soá do caùc khaâu noái tieáp nhau. Beân caïnh ñoù, vieäc phaân tích ñoäng hoïc cuõng khoù khaên. Theá nhöng, theo nghieân cöùu thì Robot song song laïi coù nhieàu öu ñieåm hôn so vôùi Robot noái tieáp trong moät soá lónh vöïc. Caùc öu ñieåm ñieån hình cuûa Robot song song laø : khaû naêng taûi lôùn, ñoä cöùng vöõng cao vaø quaùn tính dòch chuyeån thaáp. Chính vì theá, ngöôøi ta ñaõ ñöa ra nhieàu giaûi phaùp ñeå taän duïng caùc öu ñieåm cuûa Robot song song thay theá robot noái tieáp trong moät soá lónh vöïc. Do theá, ñoái töôïng nghieân cöùu trong luaän vaên naøy laø Robot song song cao toác ba baäc töï do. Loaïi robot naøy ñôn giaûn nhöng khaù phoå bieán trong gia ñình Robot song song cao toác. Noù coù theå ñöôïc nhieân cöùu theâm ñeå coù theå thöïc hieän moät soá coâng vieäc nhö: duøng trong caùc maùy coâng cuï, laép raùp saûn phaåm, vaän chuyeån haøng hoaù, Vaø trong töông lai noù coøn coù theå ñöôïc nghieân cöùu ñeå öùng duïng trong nhieàu lónh vöïc khaùc.
6. MUÏC LUÏC Quyeát ñònh Lôøi caûm ôn Toùm taét Lôøi noùi ñaàu NOÄI DUNG TRANG CHÖÔNG 1 : TOÅNG QUAN 1.1. Giôùi thieäu 1 1.2. Nhu caàu söû duïng Robot song song cao toác 5 1.3. Tình hình nghieân cöùu trong vaø ngoaøi nöôùc 5 1.3.1. Tình hình nghieân cöùu ôû nöôùc ngoaøi 6 1.3.2. Tình hình nghieân cöùu trong nöôùc 6 1.4. Ñoái töôïng nghieân cöùu 7 1.5. Phöông phaùp nghieân cöùu 7 1.5.1. Phöông phaùp tieáp caän heä thoáng 8 1.5.2. Phöông phaùp moâ phoûng 8 1.6. Noäi dung cuûa ñeà taøi 8 1.7. Ñònh nghóa moät soá thuaät ngöõ 8 CHÖÔNG 2 : GIÔÙI THIEÄU VEÀ ROBOT 2.1. Giôùi thieäu 11 2.2. Robot noái tieáp 13 2.3. Robot song song 14 2.4. Robot song song vaø höôùng nghieân cöùu 16 2.5. Giôùi thieäu veà Robot song song cao toác 19 CHÖÔNG 3 THIEÁT KEÁ ÑOÄNG HOÏC
7. 3.1. Giôùi thieäu 21 3.2. Moâ taû caáu truùc cuûa Robot 21 3.3. Hình hoïc cuûa cuûa Robot 24 3.4. Ñoäng hoïc nghòch 26 3.5. Ñoäng hoïc thuaän 29 3.6. Phaân tích ma traän Jacobi 35 3.6.1. Giôùi thieäu 35 3.6.2. Ma traän Jacobi 35 3.6.3. Caùc ñieàu kieän ñaëc bieät 36 3.7. Phaân tích ma traän Jacobi cuûa cô caáu 37 3.7.1. Traïng thaùi ñaëc bieät ñoäng hoïc ñaûo 40 3.7.2. Traïng thaùi ñaëc bieät ñoäng hoïc thuaän 40 3.7.3. Traïng thaùi ñaëc bieät hoãn hôïp 41 CHÖÔNG 4 ÑOÄNG LÖÏC HOÏC CUÛA CÔ CAÁU 4.1. Giôùi thieäu 44 4.2. Phöông phaùp Lagraêng 44 4.3. Ñoäng löïc hoïc cuûa cô caáu baèng phöông phaùp lagraêng 46 TOÅNG KEÁT 53 Taøi lieäu tham khaûo 55 PHUÏ LUÏC Phuï luïc 1 : Sô ñoà cô caáu robot song song cao toác 56 Phuï luïc 2 : Caáu hình cuûa robot khi moâ phoûng 57 Phuï luïc 3 : Giao dieän vaø chöông trình tính toaùn ñoäng hoïc nghòch 58 Phuï luïc 4 : Giao dieän vaø chöông trình tính toaùn ñoäng hoïc thuaän 68 Phuï luïc 5 : Giao dieän vaø chöông trình tính toaùn ma traän Jacobi 78 Phuï luïc 6 : Giao dieän vaø chöông trình tính toaùn ñoäng löïc hoïc 90
8. LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP THAÏC SÓ KS : PHAÏM THÒ HAÏNH CHÖÔNG I TOÅNG QUAN 1.1. GIÔÙI THIEÄU Töø tröôùc thaäp nieân 90, thuaät ngöõ Robot haàu nhö coøn xa laï ñoái vôùi ngöôøi daân Vieät Nam. Nhöng keå töø khi nhaø nöôùc thöïc hieän chính saùch coâng nghieäp hoùa vaø hieän ñaïi hoùa cho ñeán nay thì teân goïi Robot ñaõ trôû neân quen thuoäc vôùi moïi ngöôøi. Maëc duø laø ñaát nöôùc nghieân cöùu Robot khaù muoän (sau caùc nöôùc treân theá giôùi gaàn nöûa theá kyû) nhöng ôû Vieät Nam ñaõ coù moät saân chôi raát soâi ñoäng vaø haáp daãn ñang ñöôïc caùc baïn hoïc sinh – sinh vieân khoái kyõ thuaät nhieät tình höôûng öùng, ñoù laø cuoäc thi “Robocon” ñöôïc toå chöùc haøng naêm. Theá nhöng, ít ai bieát raèng, thuaät ngöõ Robot laïi ñöôïc xuaát hieän laàn ñaàu tieân trong moät taùc phaåm khoa hoïc vieãn töôûng “Rosum’s Universal Robot” cuûa nhaø soaïn kòch ngöôøi Tieäp Karen Kapek. Theo tieáng Sec thì Robot coù nghóa laø ngöôøi taïp vuï. Vaø trong taùc phaåm naøy, nhaân vaät Rosum cuøng vôùi con trai oâng ta ñaõ cheá taïo ra nhöõng chieác maùy gaàn gioáng nhö con ngöôøi ñeå phuï vuï con ngöôøi. Vaäy maø, chæ hôn 20 naêm sau, öôùc mô vieãn töôûng cuûa Karen Kapek ñaõ trôû thaønh hieän thöïc. Giôø ñaây, keá thöøa nhöõng thieát keá ban ñaàu, Robot ñaõ ngaøy caøng ñöôïc naâng cao veà khaû naêng hoaït ñoäng, linh hoaït hôn, chính xaùc hôn, thoâng minh hôn, caáu truùc hình hoïc thì ña daïng hôn vaø phaïm vi öùng duïng thì roäng raõi hôn. Thaät vaäy, trong ngaønh cheá taïo maùy thì caùc maùy coâng cuï ñaõ töøng böôùc ñöôïc cô khí hoùa vaø töï ñoäng hoùa, rieâng coâng vieäc caáp phoâi cho caùc maùy coâng cuï hieän nay ñaõ ñöôïc thöïc hieän baèng robot. Ñaëc bieät, vieäc öùng duïng Robot laøm vieäc trong caùc moâi tröôøng ñoäc haïi, khoâng an toaøn ñaõ ñem laïi hieäu quaû raát cao. - Trang 1-
9. LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP THAÏC SÓ KS : PHAÏM THÒ HAÏNH Cho ñeán nhöõng naêm gaàn ñaây, caùc nhaø saûn xuaát ñaõ öùng duïng caùc cô caáu chaáp haønh Robot ñeå naâng cao tính linh ñoäng trong vieäc cheá taïo. Öu ñieåm cuûa phöông phaùp naøy, caùc Robot coù theå thöïc hieän ñöôïc nhieàu nguyeân coâng nhö : chuyeån taûi vaät tö, haøn ñieåm, sôn phu, laép raùp, maø khoâng toán theâm chi phí thieát keá laïi heä thoáng. Hieän nay, coâng ngheä hieän ñaïi ñang phaùt trieån theo höôùng chaát löôïng cao vaø ñem laïi hieäu quaû kinh teá lôùn hôn. Töï ñoäng hoùa robot hieän ñang laø ñoäng löïc cô baûn trong vieäc caûi tieán neàn saûn xuaát hieän ñaïi. Phaïm vi öùng duïng cuûa Robot ngaøy caøng môû roäng trong nhieàu lónh vöïc khaùc nhau, nhöng trong luaän vaên naøy chæ trình baøy moät soá öùng duïng cuûa Robot song song : 1. Laøm vieäc ôû nhöõng nôi nguy hieåm hoaëc ôû nhöõng nôi maø con ngöôøi khoâng theå tröïc tieáp laøm ñöôïc : sao hoaû, mieäng nuùi löûa, loø haït nhaân Hình 1.1 : Robot song song duøng trong heä thoáng thu tín hieäu 2. ÖÙng duïng trong vieäc ñoùng goùi saûn phaåm. Hình 1.2 : Robot song song cao toác duøng ñeå ñoùng goùi saûn phaåm - Trang 2-
10. LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP THAÏC SÓ KS : PHAÏM THÒ HAÏNH 3. Duøng trong caùc maùy coâng cuï. Hình 1.3 : Maùy cöa CNC duøng Robot song Hình 1.4 : Robot Tornado duøng trong maùy phay song cao toác Delta 5 baäc töï do 5 truïc ñöôïc öùng duïng trong Saûn xuaát töï ñoäng 4. Duøng trong lónh vöïc y hoïc. Hình 1.6 : Robot phaãu thuaät duøng trong y hoïc 5. Duøng ñeå thay theá con ngöôøi thöïc hieän caùc coâng vieäc trong moâi tröôøng khaéc nghieät nhö xöôûng haøn. Hình 1.7 : Robot song song cao toác öùng duïng trong coâng ngheä haøn ñieåm hay haøn ñöôøng. - Trang 3-
11. LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP THAÏC SÓ KS : PHAÏM THÒ HAÏNH 6. Duøng trong coâng ngheä cheá bieán thöïc phaåm Hình 1.8 : Robot song song duøng trong coâng vieäc öôùp thòt gaø 7. Duøng trong moâi tröôøng ñaûm baûo yeâu caàu veä sinh cao. Hình 1.9 : ÖÙng duïng Robot song song cao toác Delta trong daây chuyeàn saûn xuaát baùnh keïo cuûa coâng ty Demaure 8. Duøng ñeå vaän chuyeån haøng hoùa. Hình 1.10 : Robot song song cao toác vaän chuyeån thuøng phuy - Trang 4-
12. LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP THAÏC SÓ KS : PHAÏM THÒ HAÏNH Maëc duø muïc ñích ban ñaàu cuûa Robot laø töï ñoäng hoùa caáp phoâi trong ngaønh cô khí. Nhöng hieän nay, Robot coøn ñöôïc öùng duïng trong nhieàu lónh vöïc khaùc nhö : coâng taùc cöùu hoä, an ninh quoác phoøng, phaù mìn, raø bom, thaêm doø khoaùng saûn, 1.2. NHU CAÀU SÖÛ DUÏNG ROBOT SONG SONG CAO TOÁC Keå töø khi buøng noå cuoäc caùch maïng coâng ngheä thoâng tin cuøng vôùi söï phaùt trieån nhö vuõ baõo cuûa ngaønh coâng nghieäp ñieän töû ñaõ thuùc ñaåy caùc nhaø saûn xuaát phaùt trieån daây chuyeàn saûn xuaát hieän ñaïi duøng nhieàu loaïi Robot song song cao toác. Vì Robot song song cao toác coù caùc öu ñieåm sau : Coù khaû naêng thöïc hieän coâng vieäc mang tính ñôn ñieäu vôùi toác ñoä cao, ñoä chính xaùc cao, khaû naêng taûi lôùn, ñoä cöùng vöõng cao, Do vaäy, vieäc öùng duïng Robot ñeå thöïc hieän caùc coâng vieäc ñôn ñieäu deã gaây nhaøm chaùm cho ngöôøi lao ñoäng nhöng ñoøi hoûi cöôøng ñoä laøm vieäc cao cuõng nhö ñoä chính xaùc cao ñang ñöôïc ñoùn nhaän ôû nhieàu lónh vöïc coâng ngheä do Robot coù öu ñieåm noåi baät hôn con ngöôøi laø khoâng bò meät moûi cuõng nhö nhaøm chaùn khi chæ thöïc hieän moät coâng vieäc laëp ñi laëp laïi. Caùc coâng vieäc ñieån hình nhö laø : ñoùng goùi, laép raùp vaø phaân loaïi saûn phaåm. 1.3. TÌNH HÌNH NGHIEÂN CÖÙU ROBOT TRONG VAØ NGOAØI NÖÔÙC 1.3.1. Tình hình nghieân cöùu ôû nöôùc ngoaøi ƒ Robot coâng nghieäp baét ñaàu ñöôïc phaùt trieån vaøo naêm 1940. Ban ñaàu ñöôïc duøng ñeå chuyeån taûi caùc loaïi vaät lieäu nguy hieåm, ñöôïc duøng trong thaùm hieåm khoâng gian vaø sau ñoù ñöôïc duøng trong coâng ngheä töï ñoäng hoùa linh hoaït. ƒ Vaøo nhöõng naêm 90, ñaõ coù nhieàu coâng ty cuûa Nhaät, Baéc Myõ, Chaâu AÂu ñaõ öùng duïng Robot roäng raõi trong nhieàu lónh vöïc coâng nghieäp. ƒ Trong nhöõng naêm gaàn ñaây, Robot coâng nghieäp chuû yeáu ñöôïc duøng cho caùc thao taùc laëp laïi nhieàu laàn nhö : chuyeån taûi vaät tö, xeáp dôõ caùc chi tieát maùy, laép raùp caùc boä phaän thaønh cuïm maùy vaø laøm vieäc trong caùc moâi tröôøng nguy hieåm nhö : - Trang 5-
13. LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP THAÏC SÓ KS : PHAÏM THÒ HAÏNH chuyeån taûi vaät lieäu phoùng xaï, thaùm hieåm khoâng gian vaø ñaùy bieån, haøn ñieåm, sôn phun, Ñaëc bieät hieän nay Robot coøn ñöôïc öùng duïng trong lónh vöïc y khoa ñeå giaûi phaãu cho con ngöôøi. Ngoaøi ra, caùc nhaø saûn xuaát coøn quan taâm ñeán caùc loaïi robot thaân thieän vôùi con ngöôøi nhö : laø Robot giuùp vieäc nhaø, giuùp ngöôøi taøn taät, Robot laøm höôùng daãn vieân du lòch, 1.3.2. Tình hình nghieân cöùu trong nöôùc Vôùi muïc tieâu laø tieáp caän kyõ thuaät Robot, trong nöôùc ñaõ trieån khai nhieàu ñeà taøi caáp nhaø nöôùc, nhö : Ñeà taøi 58.01.03 trong giai ñoaïn 81 – 85 vaø ñeà taøi 52B.03.01 trong giai ñoaïn 86 – 89. Keát quaû nghieân cöùu cuûa caùc ñeà taøi naøy khoâng nhöõng ñaùp öùng ñöôïc yeâu caàu tieáp caän maø coøn coù nhöõng öùng duïng ban ñaàu trong kyõ thuaät baûo hoä lao ñoäng vaø phuïc vuï caùn boä kyõ thuaät ôû nöôùc ta. 1.3.2.1. Veà Robot noái tieáp Trong nhöõng naên gaàn ñaây, ñaõ coù raát nhieàu loaïi Robot ñöôïc nghieân cöùu bôûi : ƒ Trung taâm nghieân cöùu Kyõ thuaät Ñaïi hoïc Baùch Khoa Haø Noäi ñaõ nghieân cöùu tính toaùn thieát keá Robot RP. Loaïi Robot naøy baét chöôùc cô caáu tay ngöôøi. ƒ Trung taâm nghieân cöùu Kyõ thuaät Ñaïi hoïc Baùch Khoa Haø Noäi ñaõ thieát keá vaø cheá taïo Robot SCA mini, duøng ñeå giaûng daïy, hoïc taäp, ñoàng thôøi coù theå söû duïng ñeå laép raùp hoaëc xaép xeáp caùc vaät nhoû coù khoái löôïng döôùi 1 Kg. ƒ Ngoaøi ra, Trung taâm nghieân cöùu Kyõ thuaät Ñaïi hoïc Baùch Khoa Haø Noäi coøn thaønh coâng trong vieäc nghieân cöùu xaây döïng chöông trình tính toaùn ñieàu khieån Robot baèng phaàn meàm Matlab. 1.3.2.2. Veà Robot song song ƒ Khoa cô khí Ñaïi hoïc Baùch Khoa TP.HCM, ñaõ thöïc hieän ñeà taøi caáp nhaø nöôùc KC0312 laø Robot Hexapod duøng trong maùy phay 5 truïc aûo do TS Thaùi Thò Thu Haø thöïc hieän. - Trang 6-
14. LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP THAÏC SÓ KS : PHAÏM THÒ HAÏNH ƒ Ngoaøi ra, coøn coù nhöõng nghieân cöùu cuûa khoa cô khí ÑHBK Haø Noäi vaø Vieän Cô hoïc Quoác gia, Tuy nhieân, tình hình nghieân cöùu trong nöôùc vaãn chöa ñeà caäp veà Robot song song cao toác. Hieän nay, höôùng phaùt trieån cuûa ngaønh coâng nghieäp hieän ñaïi laø öùng duïng Robot thay theá con ngöôøi laøm caùc coâng vieäc ñôn ñieäu vôùi cöôøng ñoä vaø ñoä chính xaùc cao. Vaø Vieät Nam cuõng ñang töøng böôùc coâng nghieäp hoùa, hieän ñaïi hoùa ñeå hoøa mình vaøo söï phaùt trieån chung cuûa theá giôùi. Do ñoù, nhu caàu öùng duïng Robot song song cao toác trong töông lai cuûa Vieät Nam coù tieàm naêng raát lôùn. Song, ñeå thieát keá vaø cheá taïo Robot thì böôùc ñaàu tieân caàn phaûi tieán haønh tính toaùn vaø moâ phoûng ñeå khaûo saùt hoaït ñoäng cuûa Robot. Ñoù laø lyù do toâi choïn ñeà taøi choïn ñeà taøi : “TÍNH TOAÙN VAØ MO PHOÛNG ROBOT SONG SONG CAO TOÁC 3 BAÄC TÖÏ DO” 1.4. ÑOÁI TÖÔÏNG NGHIEÂN CÖÙU Trong caùc loaïi Robot song song cao toác thì loaïi ba baäc töï do laø khaù cô baûn vaø thoâng duïng, cho neân ñoái töôïng nghieân cöùu cuûa luaän vaên naøy Robot song song cao toác ba baäc töï do. 1.5. PHÖÔNG PHAÙP NGHIEÂN CÖÙU 1.5.1. Phöông phaùp tieáp caän heä thoáng Gioáng nhö caùc ngaønh khoa hoïc khaùc, coâng ngheä Robot cuõng ñöôïc phaùt trieån döïa treân nhöõng neàn taûng ban ñaàu. Do ñoù, chuùng ta caàn keá thöøa nhöõng keát quaû ñaõ ñöôïc nghieân cöùu ñeå ruùt ngaén thôøi gian tieáp caän ñoái töôïng caàn nghieân cöùu. Cho neân toâi ñaõ duøng phöông phaùp tieáp caän heä thoáng ñeå coù theå ñaït ñöôïc keát quaû nhanh nhaát. 1.5.2. Phöông phaùp moâ phoûng - Trang 7-
15. LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP THAÏC SÓ KS : PHAÏM THÒ HAÏNH Tröôùc ñaây, ôû Vieät Nam, khi heä thoáng maùy tính vaø caùc phaàn meàm chöa ñöôïc öùng duïng roäng raõi thì caùc coâng vieäc töø tính toaùn ñeán cheá taïo thöôøng phaûi duøng phöông phaùp “thöû vaø sai” neân maát nhieàu thôøi gian vaø khaù toán keùm. Coøn hieän nay, vôùi söï hoã trôï cuûa maùy tính cuõng nhö caùc phaàn meàm tính toaùn, moâ phoûng ñaõ ñöôïc öùng duïng khaù phoå bieán, cho neân trong luaän vaên naøy, toâi cuõng öùng duïng caùc phaàn meàm nhö : Matlab, Autocad, Inventer vaø Visual Natrans ñeå tính toaùn vaø moâ phoûng Robot nhaèm khaûo saùt hoaït ñoäng cuûa Robot. 1.6. NOÄI DUNG CUÛA ÑEÀ TAØI Ñeå ñaït ñöôïc caùc ñeà muïc treân, toâi chæ thöïc hieän nghieân cöùu nhöõng noäi dung chính döôùi ñaây : ‰ Toùm löôïc laïi cô sôû lyù thuyeát ñaõ ñöôïc caùc nhaø nghieân cöùu trong vaø ngoaøi nöôùc xaây döïng. ‰ Phaân tích ñoäng hoïc thuaän. ‰ Phaân tích ñoäng hoïc nghòch. ‰ Phaân tích ma traän Jacobi. ‰ Phaân tích ñoäng löïc hoïc. ‰ Veõ vaø moâ phoûng cô caáu döïa vaøo caùc phaàn meàn : Autocad, Inventer, Solidword. ‰ Tính toaùn, thieát keá caùc giao dieän baèng Matlab. 1.7. ÑÒNH NGHÓA MOÄT SOÁ THUAÄT NGÖÕ - Veà kyõ thuaät, Robot ñöôïc ñònh nghóa nhö sau : “Robot laø cô caáu chaáp haønh ña naêng taùi laäp trình ñöôïc thieát keá ñeå chuyeån taûi vaät tö, coâng cuï hoaëc caùc thieát bò chuyeân bieät thoâng qua caùc chuyeån ñoäng ñöôïc laäp trình ñeå thöïc hieän caùc taùc vuï khaùc nhau”. - Theo Vieän nghieân cöùu Hoa Kyø, Robot ñöôïc ñònh nghóa nhö sau : “ Robot laø moät tay maùy nhieàu chöùc naêng, thay ñoåi ñöôïc chöông trình hoaït ñoäng, ñöôïc duøng ñeå - Trang 8-
16. LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP THAÏC SÓ KS : PHAÏM THÒ HAÏNH di chuyeån vaät lieäu, chi tieát maùy, duïng cuï hoaëc duøng cho nhöõng coâng vieäc ñaëc bieät thoâng qua nhöõng chuyeån ñoäng khaùc nhau ñaõ ñöôïc laäp trình nhaèm muïc ñích hoaøn thaønh nhöõng nhieäm vuï ña daïng” ( Schlussel, 1985). - Ñònh nghóa Robot coøn ñöôïc Mikell P. Groover, moät nhaø nghieân cöùu haøng ñaàu trong lónh vöïc Robot, môû roäng nhö sau : “ Robot coâng nghieäp laø nhöõng maùy, thieát bò toång hôïp hoaït ñoäng theo chöông trình coù nhöõng ñaëc ñieåm nhaát ñònh töông töï nhö ôû con ngöôøi”. - Theo Artobolevski I. I., Vorobiov M. V. vaø caùc nhaø nghieân cöùu thuoäc tröôøng phaùi khoái SEV tröôùc ñaây thì phaùt bieåu raèng : “Robot coâng nghieäp laø nhöõng maùy hoïat ñoäng töï ñoäng ñöôïc ñieàu khieån theo chöông trình ñeå thöïc hieän vieäc thay ñoåi vò trí cuûa nhöõng ñoái töôïng thao taùc khaùc nhau vôùi muïc ñích töï ñoäng hoaù caùc quaù trình saûn xuaát”. - Theo quan ñieåm cuûa ngöôøi Nhaät Baûn : “ Robot laø baát cöù thieát bò naøo coù theå thay theá cho lao ñoäng cuûa con ngöôøi”. - Caùc thuaät ngöõ töông ñoàng vôùi Robot song song : ƒ Manupulator : tay maùy ƒ Parallel Manupulator : tay maùy song song ƒ Close – loop mechanism ƒ Parallel Kinematic Machine. ƒ Fully Parallel Machanism ƒ Hexapod - Caùc thuaät ngöõ thöôøng duøng ñeå dieãn taû Robot ƒ Chuoãi ñoäng hoïc : laø toaøn boä caùc khaâu ñöôïc noái vôùi nhau baèng caùc khôùp. ƒ Maùy : laø moät heä thoáng goàm moät hoaëc nhieàu cô caáu cuøng vôùi caùc phaàn töû nhö : ñieän, thuûy löïc hay khí neùn ñöôïc duøng ñeå bieán ñoåi naêng löôïng thaønh cô naêng hoaëc daïng naêng löôïng khaùc. - Trang 9-
17. LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP THAÏC SÓ KS : PHAÏM THÒ HAÏNH ƒ Cô caáu : laø chuoãi ñoäng hoïc trong ñoù coù moät khaâu coá ñònh vôùi neàn. ƒ Moving Platform : taám ñoäng ƒ Fixed base : ñeá ƒ Prismatic actuator : Cô caáu taùc ñoäng laêng truï ƒ Spherrical joint (S) : khôùp caàu ƒ Revolute joint (R) : khôùp quay ƒ Prismatic joint (P) : khôùp laêng truï ƒ Degree – of – Freedom (DOF) : baäc töï do - Trang 10-
18. LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP THAÏC SÓ KS : PHAÏM THÒ HAÏNH CHÖÔNG 2 GIÔÙI THIEÄU VEÀ ROBOT 2.1. GIÔÙI THIEÄU Hieän nay, theá giôùi Robot coâng ngheä raát ña daïng caû veà caáu truùc hình hoïc laãn khaû naêng thöïc hieän coâng vieäc. Tuy nhieân, theo caàu truùc hình hoïc, chuùng coù theå ñöôïc phaân loaïi theo ba kieåu sau : Robot song song, Robot noái tieáp vaø Robot lai (Hình 2.1.) Boä taùc ñoäng cuoái (End - Effector) Khôùp (Joint) Khaâu (Rigid Body) Ñeá (Fixed Base) (a) (b) (c) Hình 2.1 : Ví duï veà a) Robot noái tieáp ; b) Robot song song vaø c) Robot lai Trong ñoù, Robot noái tieáp vaø Robot song song ñaõ ñöôïc caùc toå chöùc cuõng nhö caùc nhaø saûn suaát quan taâm nghieân cöùu nhieàu nhaát, do chuùng coù nhöõng öu vaø nhöôïc ñieåm trong baûng 2.1 döôùi ñaây : Baûng 2.1 CAÁU TRUÙC ÖU ÑIEÅM NHÖÔÏC ÑIEÅM Robot • Khoâng gian laøm vieäc lôùn. • Khaû naêng taûi thaáp. • Khôùp thaáp giöõa vieäc dòch • Gia toác boä taùc ñoäng cuoái - Trang 11-
19. LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP THAÏC SÓ KS : PHAÏM THÒ HAÏNH noái tieáp chuyeån caùc chuoãi ñoäng hoïc. thaáp khi khoái löôïng vaän • Deã daøng thieát laäp ñöôïc kieåu chuyeån lôùn. ñoäng hoïc nghòch. • Ñoä chính xaùc veà vò trí thaáp do caùc sai soá cuûa khôùp dòch chuyeån cao. • Khaû naêng taûi cao. • Khoâng gian laøm vieäc bò giôùi Robot • Ñoä cöùng vöõng cuûa cô caáu cao. haïn. song song • Caáu truùc hình hoïc ñôn giaûn. • Vieäc thieát laäp ñoäng hoïc • Ñoä chính xaùc cao do sai soá nghòch khoù khaên. cuûa caùc khôùp thaáp. • Khoâng gian laøm vieäc trong • Boä phaùt ñoäng coù theå ñöôïc ñaët phaïm vi coá ñònh. ôû ñeá. • Khôùp cao giöõa caùc chuoãi • Taàn soá töï nhieân cao. ñoäng hoïc dòch chuyeån. • Gia toác coù theå ñaït ñöôïc möùc • Vò trí vaø phöông höôùng cuûa cao do quaùn tính dòch chuyeån taám ñoäng thöôøng ñöôïc keát cuûa heä thoáng thaáp. hôïp. Hình 2.2 Ví duï hình aûnh caùc loaïi robot ñaõ ñöôïc thöông maïi hoùa. Robot noái tieáp Robot song song cao toác Robot lai - Trang 12-
20. LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP THAÏC SÓ KS : PHAÏM THÒ HAÏNH Tuy nhieân, theo caáu truùc hình hoïc, moãi loaïi Robot laïi ñöôïc phaân chia theo khoâng gian laøm vieäc vaø cuûa chuùng. Sô ñoà caây döôùi ñaây laø söï phaân bieät Robot theo caáu truùc hình hoïc : ROBOT ROBOT NOÁI TIEÁP ROBOT LAI ROBOT SONG SONG Ñöôïc moâ taû bôûi caáu Ñöôïc moâ taû bôûi caáu Bao goàm caû caáu hình hình ñoäng hoïc hôû. hình ñoäng hoïc kín. ñoäng hoïc kín vaø hôû. Cô caáu song song ñaày ñuû Soá löôïng cuûa chuoãi phaûi baèng soá baäc töï do cuûa boä taùc ñoäng cuoái. Spatial Planar Spatial Planar Spatial Planar 2.2. ROBOT NOÁI TIEÁP Robot noái tieáp goàm nhieàu khaâu noái tieáp nhau baèng nhieàu kieåu khôùp, thöôøng laø khôùp quay vaø khôùp laêng truï. Moät ñaàu cuûa Robot ñöôïc gaén vôùi neàn vaø ñaàu kia chuyeån ñoäng töï do trong khoâng gian. Do ñoù, Robot noái tieáp thöôøng ñöôïc goïi laø cô caáu hôû. Khaâu coá ñònh ñöôïc goïi laø ñeá, ñaàu töï do coù gaén boä phaän keïp hoaëc tay maùy ñöôïc goïi laø boä taùc ñoäng cuoái. Robot noái tieáp thöôøng ñöôïc thieát keá gioáng nhö caùnh tay con ngöôøi. Hieän nay, Robot noái tieáp ñaõ ñöôïc öùng duïng roäng raõi trong ngaønh coâng ngheä cheá taïo maùy. Döôùi ñaây laø moät vaøi öùng duïng cuûa Robot noái tieáp trong lónh vöïc cô khí. - Trang 13-
21. LUAÄN VAÊN TOÁT NGHIEÄP THAÏC SÓ KS : PHAÏM THÒ HAÏNH Hình 2. Robot noái tieáp duøng ñeå xeáp haøng hoùa Hình 2.3 : Robot noái tieáp haøn khung xe 2.3. ROBOT SONG SONG Caáu taïo cuûa Robot song song goàm moät beä chuyeån ñoäng keát noái vôùi ñeá coá ñònh baèng nhieàu nhaùnh song song, soá nhaùnh baèng soá baäc töï do, nghóa laø moãi nhaùnh ñöôïc ñieàu khieån baèng moät cô caáu taùc ñoäng. Caùc cô caáu taùc ñoäng ñöôïc gaén vaøo hoaëc gaàn vôùi ñeá coá ñònh. Cô caáu chaáp haønh song song ñöôïc öùng duïng khaù phoå bieán nhö laø : caùc boä moâ hình maùy bay, caùc maùy khai thaùc moû, Hôn nöõa, chuùng coøn ñöôïc keát hôïp thaønh cuïm gia coâng cô khí coù nhieàu baäc töï do ñeåø ñaït ñöôïc ñoä chính xaùc vaø toác ñoä cao. Ñaëc ñieåm cuûa Robot song song laø ñoä cöùng vöõng cao, quaùn tính thaáp vaø khaû naêng taûi troïng lôùn nhöng nhöôïc ñieåm cuûa chuùng laø khoâng gian laøm vieäc nhoû vaø khoù thieát keá. Coù theå noùi moät trong nhöõng tay maùy song song noåi tieáng laø Stewart platform (Hình 2.4), noù ñöôïc cheá taïo bôûi Stewart vaøo naêm 1965 vaø ñöôïc duøng trong coâng vieäc moâ phoûng maùy bay. Sau naøy, caùc phieân baûn cuûa noù vaãn ñöôïc duøng trong muïc ñích naøy. Ngoaøi ra, Stewart platform coøn coù nhöõng öùng duïng khaùc nhö : Maùy nghieàn (ñöôïc Aronson cheá taïo vaøo naêm 1996); Thieát bò ñaøo ñaát (ñöôïc Arai cheá taïo vaøo naêm 1991); - Trang 14-