Tính toán và mô phỏng Robot song song cao tốc 3 dof

Nội dung text: Tính toán và mô phỏng Robot song song cao tốc 3 dof

1. TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG ROBOT SONG SONG CAO TỐC 3 DOF KS. Phạm Thị Hạnh Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy Tĩm tắt : Robot song song cao tốc tỏ ra nổi bật hơn so với robot nối tiếp trong một số lĩnh vực. Cụ thể là, chúng cĩ thể đạt được tốc độ cao hơn (do quán tính của hệ thống dịch chuyển thấp) và độ chính xác cao hơn (do khơng cĩ sai số do các khớp dồn lại). Một ứng dụng khá thích hợp cho loại robot này là cơng nghệ điện tử, ở đĩ robot cĩ thể được ứng dụng rộng rãi. Summarize : High speed parallel robot 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 A pertinent application area for this kind is the electronics industry, where by such robot can be extensively untilized. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, nền cơng nghiệp hiện đại đã và đang phát triển theo hướng chất lượng cao nhưng phải đem lại nhiều lợi nhuận cho nhà sản xuất, đồng thời cũng phải giảm giá thành cho người tiêu dùng. Trước sự cạnh tranh gay gắt giữa các cơng ty, các nhà sản xuất đã nghĩ đến phương án nghiên cứu và ứng dụng robot để làm một số cơng việc thay thế cho người lao động. So với con người, trong một số lĩnh vực, việc ứng dụng robot đã đem lại hiệu qủa kinh tế cao cho nhà sản xuất. Do robot cĩ đặc điểm nổi bật hơn con người là cĩ thể làm các cơng việc đơn điệu nhưng khơng bị nhàm chán, đặc biệt robot cĩ thể làm việc trong các mơi trường độc hại, nguy hiểm và ẩm thấp, thì đem lại hiệu quả rất cao. Mặc dù hiện nay cả robot nối tiếp lẫn robot song song đã và đang được nghiên cứu cũng như ứng dụng rất nhiều bởi các quốc gia nĩi chung và các nhà sản xuất nĩi riêng, nhưng đã cĩ một loại robot hiện đang là tâm điểm chú ý của các nhà sản xuất đĩ là robot song song cao tốc. So với robot nối tiếp, trong một số lĩnh vực thì robot song song cao tốc cĩ các ưu điểm nổi bật : Độ cứng vững cao, khả năng tải lớn, quán tính dịch chuyển thấp và cĩ khả năng làm việc với tốc độ cao. Dưới đây là cấu hình của Robot song song cao tốc 3 dof đã được tính tốn và mơ phỏng. 1
2. II. PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC 1. Mơ tả cấu trúc của Robot . Đế cố định (Fixed Base) là một tam giác đều. . Tấm động (moving platform) là một tam giác đều. . Ai, Bi và Ci là các khớp quay song song. . Đế cố định nối với tấm động bằng ba nhánh đồng nhất. Mỗi nhánh gồm cĩ một tay địn trên và một tay địn dưới. Các tay địn dưới là các khâu 1, 2, 3 cịn các tay địn trên cĩ dạng hình bình hành để tăng độ cứng vững cho cơ cấu. 13 15 w v Ci 7 Moving - Platform 10 P (Tấm động) 4 9 u 12 Upper arm (Khâu trên) 6 14 1 3 Bi xi 8 11 zi Input - Link yi (Khâu dưới)  1i 5 z y Ai 2 Khớp quay 1i O  Fixed - Base x (Đế cố định) Bậc tự do của cơ cấu : Cơ cấu gồm cĩ 13 khâu và 15 khớp. W = 6.13 – 5.15 = 3 2. Động học nghịch Px, Py, Pz  G(s) T Các thơng số đầu vào : p [ px py pz ] Xác định các gĩc 11, 12, 13 cần thiết để di chuyển tấm động đến vị trí mong muốn. Xét sơ đồ nguyên lý chân thứ i của cơ cấu h Ci Ci P b 2i b Moving Platform 3i p Bi Fixed Bi Z Base Zi a Y 1i r Xi Yi O i Ai Ai X . Hệ tọa độ quy chiếu xyz gắn vào tâm O của đế cố định, phương của trục cĩ chiều như hình vẽ. . Hệ tọa độ địa phương xiyizi gắn vào điểm Ai của đế. . i : là gĩc giữa trục x và trục xi, là thơng số khơng đổi của cơ cấu. . 1i : Gĩc đo từ trục xi tới AiBi. 2
3. T . OP [ px py pz ] : Vector vị trí trọng tâm của tấm động. . 2i : là gĩc tạo bởi đường thẳng AiBi với giao tuyến của mặt phẳng hình bình hành và mặt phẳng xizi. . 3i : là gĩc xác định theo phương yi đến BC. . a : chiều dài của khâu dưới . b : chiều dài của khâu trên Phương trình vịng kín cho mỗi nhánh là : OP PC i Ci Bi Bi Ai AiO 0 Ai Bi BiCi OP PCi OAi Trong đĩ : T Ai Bi BiCi AiCi ; AiCi [cxi cyi czi] T Ai Bi [acos1i 0 asin1i ] : vị trí của điểm Bi so với Ai. T OP [ px py pz ] : vị trí trong tâm của tấm động. T PCi [h 0 0] : Vị trí của điểm Ci so điểm P T BiCi [bsin3i cos(2i 1i ) bcos3i bsin3i sin(2i 1i ] là vị trí của điểm Ci so với Bi T OAi [r 0 0] : Vị trí của điểm Ai so với điểm O Kết qủa đạt được sau khi tính tốn là : c  arccos yi 3i b c2 c2 c2 a2 b2  arccos xi yi zi 2i 2absin3i 2 2 1i arctg2(B, A) arctg2 cxi , r cxi 3. Động học thuận  Px, Py, Pz G(s) Các thơng số cho trước : 11, 12, 13 Xác định vị trí của tấm động : Px, Py, Pz Sau khi tính tốn, ta cĩ : k k 2 4k k l l P 1 0 2 P 1 P 0 x1 y l x l 2k0 ; 2 2 2 k k 4k k l4 l3 1 0 2 Pz Px Px2 l2 l2 2k0 4. Ma trận Jacobi  Vpx, Vpy, Vpz G(s) Phương trình vịng kín trên nhánh i là : OP PCi CAi Ai Bi BiCi Lấy đạo hàm hai vế theo thời gian, ta cĩ : 3
4. VP 1i ai 2i bi Trong đĩ : . Vp : Vận tốc tuyến tính của tấm động . ai = AiBi : Chiều dài của khâu dưới trong nhánh i . bi = BiCi : Chiều dài của khâu trên trong nhánh i . ji : Vận tốc khâu j của nhánh i (với j = 2) Sau khi tính tốn, ta thiết lập được ma trận jacobi cĩ dạng :  J1x J1y J1z VPx sin21sin31 0 0 11 J J J V a 0 sin sin 0  2x 2 y 2z Py 22 32 12 J J J V 0 0 sin sin  3x 3y 3z Pz 23 33 13 Rút gọn phương trình lại, ta cĩ : J xVP Jqq III. ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƠ CẤU CHẤP HÀNH SONG SONG Xét sơ đồ nguyên lý chân thứ i của cơ cấu : h Ci Ci P b 2i b 3i p Bi Bi Z Zi a Y 1i r Xi Yi O i Ai Ai X Trong cơ cấu này 11, 12, 13 là các khớp bị tác động. px, py, pz và 11, 12, 13 là các tọa độ suy rộng tổng quát. Sau khi tính tốn ta cĩ : 3  2i ( px h cosi r cosi a cosi cos1i ) (mp 3mb ) px f px i 1 3  2i ( py hsini r sini a sini cos1i ) (mp 3mb ) py f py i 1 3  2i ( pz asin1i ) (mp 3mb ) pz (mp 3mb )gc f pz i 1 1 1  (I m a 2 m a 2 ) m m g acos 1 m 3 a b 11 2 a b c 11 2a1[( px cos1 py sin1 h r)sin11 pz cos11] 1 2 2  1  2 (I m ma a mba )12 ma mb gc acos12 3 2 2a [( p cos p sin h r)sin p cos ] 2 x 2 y 2 12 z 12 1 2 2  1  3 (I m ma a mba )13 ma mb gc acos13 3 2 2a3[( px cos3 py sin3 h r)sin13 pz cos13] 4
5. IV. CÁC GIAO DIỆN TÍNH TỐN Giao diện tính tốn động học nghịch Giao diện tính tốn động học thuận Giao diện tính tốn ma trận jacobi 5
6. Giao diện tính tốn dong luc hoc IV. TỔNG KẾT Đối với loại robot song song cao tốc có rất nhiều ưu điểm nổi bật so vởi robot nối tiếp và robot song song như là : độ cứng vững cao, khả năng tải lớn, quán tính dịch chuyển thấp và có thể làm việc với tốc độ cao nhưng vẫn đạt được độ chính xác cao. Do đó, tôi tin rằng, trong tương lai loại robot này rất có tiềm năng phát triển trong hệ thống sản xuất linh hoạt nhất là trong thời kỳ mà nước ta đang nỗ lực thực hiện có hiệu quả công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước để bắt nhịp được với sự phát triển chung của thế giới. Vì thế, lĩnh vực robot song song cao tốc còn rất rộng mở đối với những ai đam mê nghiên cứu về robot và hướng phát triển có thể là : . Thiết kế thêm bộ tác động cuối cho phù hợp với chức năng công việc. . Nghiên cứu các loại robot song song cao tốc có 4, 5 hay 6 bậc tự do. . Hoàn thiện phần tính toán và chọn kết cấu của các khớp động. . Nghiên cứu thêm về các bộ điều khiển. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Biên dịch Trần Thế San, Hiệu đính TS Nguyễn Tiến Dũng, Cơ Sở Nghiên cứu và sáng tạo Robot, NXB Thống kê. [2] Lê Hồi Quốc, Kỹ thuật người máy, Tập 1 : Robot cơng nghiệp, NXB Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 2003. [3] TS. Lê Hồi Quốc và KS Chung Tiến Lâm, Nhập mơn Robot cơng nghiệp, NXB Khoa học và Kỹ thuật. [4] Nguyễn Thiện Phúc, Robot cơng nghiệp, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2002. [5] GS. TSKH Nguyễn Thiện Phúc, Robot cơng nghiệp, NXB Khoa học và Kỹ thuật. [6] Dominique Deblaise, Improvement of positioning accuracy of Delta parallel robot. [7] Edmon Hok Manchan, Design and Implementation of a high speed cable based planar parallel. [8] Imteheze Heerah, Kinematic architecture selection and analysis of a planar high speed, high precision parallel robot. [9] John. J Craig, Robotic. [10] Sebantien Krut, A high speed parallel robot of Scara motions 6
7. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CƠNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên cĩ xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa cĩ sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CĨ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.