Tổng quan về robot có cấu trúc song song

Chương 1 tổng quan về robot có cấu trúc song song 1.1 Giới thiệu chung về Robot 1.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển Robot Từ Robot xuất hiện đầu tiên vào năm 1920 trong tác phẩm Rossum’s universal Robots của nhà văn Czech, Karel Capek. Năm 1921 trên sân khấu múa rối châu Âu đã xuất hiện con rối Robota với tên gọi là “Lực sỹ” (Force man) do các nghệ sỹ Tiệp Khắc trình diễn. Đây có thể coi là ý tưởng sáng tạo rất độc đáo của nghệ thuật đồng thời đã đặt cơ sở cho sự ra đời và phát triển của ngành Robot. Đó cũng có thể coi là sự gợi ý cho các nhà sáng chế kỹ thuật. Về những cơ cấu máy móc bắt chước những thao tác cơ bắp của con người. Cho đến nhưng năm đại chiến đại chiến thế giới thứ hai, việc triển khai ứng dụng những cơ cấu như vậy trong kỹ thuật trở thành đòi hỏi, nhu cầu thực sự, nhằm đáp ứng những thao tác cần thiết trong môi trường phóng xạ của các phòng thí nghiệm nguyên tử. Những cơ cấu điều kiển từ xa (Teleoperator) ra đời và ngày càng phát triển. Đó là những cơ cấu phỏng sinh học gồm các khâu, khớp và các dây chằng gắn liền với hệ điều hành là các cánh tay của người thao tác thông qua các cơ cấu khuếch đại cơ khí. Những cơ cấu điều khiển từ xa này có thể thực hiện nhiều thao tác như cầm nắm, nâng, hạ, đảo lật, buông thả các đối tượng trong một không gian hoạt động xác định. Tuy các thao tác khá khéo léo và tinh vi nhưng tốc độ hoạt động chậm, khả năng tải thấp và hệ điều kiển mới chỉ là thuần tuý cơ học. Từ thập niên 50, cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển của kỹ thuật điều kiển theo chương trình số NC (Numerical Control) với sự hỗ trợ của các cơ cấu Servo (Servo Mechanism) và các hệ điện toán (Computation), ý tưởng kết hợp hệ điều kiển NC với các cơ cấu điều khiển từ xa được hình thành và triển khai nghiên cứu. Sự phối hợp tuyệt vời giữa khả năng linh hoạt, nhạy, thông minh và chính xác của hệ điều khiển số NC đã cho kết quả là một thế hệ máy móc tự động cao cấp ra đời với tên gọi “Người máy”. Khái niệm người máy công nghiệp (Industrial Robot) ra đời. Năm 1961, người máy công nghiệp (IR-Industrial Robot) đầu tiên được đưa ra thị trường, đó là Robot UNIMAT – USA với lời quảng cáo hấp dẫn: “Từ nay công nghệ chế tạo cơ khí của Hoa Kỳ đã có thêm một loại công nhân công mới. Nó không gia nhập công đoàn, không uống cà phê trong giờ nghỉ. Nó có thể làm việc liên tục 24h trong ngày mà không quan tâm đến tiền thưởng hay lương hưu. Nó nắm vững công việc phải làm trong vài phút và luôn hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao. Nó không bao giờ tham phiền về điều kiện làm việc nóng bức, khó chịu, nguy hiểm và độc hại, cũng không kêu ca với ngững công việc buồn chán, tẻ nhạt và đơn điệu. Nó chính là người máy công ngiệp”. Tiếp theo đó, trên bản quyền phát minh sáng chế của Hoa Kỳ, các nước khác đã lần lượt đưa ra các mẫu Robot của họ: Anh (1967), Thuỵ Điển, Nhật Bản(1968), Đức (1971), Pháp (1972), Italia(1973)… Cho đến nay, trên thế giới có rất nhiều phòng thí nghiệm, các hãng công ty nghiên cứu, thiết kế và chế tạo Robot. Robot ngày càng hiện đại, đa dạng về chủng loại và lĩnh vực ứng dụng ngày càng phong phú. Điều đó đã khẳng định vai trò của Robot trong sản xuất công nghiệp cũng như nền kinh tế quốc dân. Cũng phải thấy rằng các nhà khoa học đã dự báo, đánh giá rất cao vai trò của Robot trong sự phát trển chung của kỷ nguyên công nghệ, ngay từ những năm cuối của thập kỷ 70, các Hội nghị quốc tế đã khẳng định rằng trong những năm tiếp theo lực lượng và khả năng cạnh tranh của các nước công nghiệp tiên tiến là tuỳ thuộc vào vấn đề họ đã làm chủ lĩnh vực người máy công nghiệp ở mức độ nào . Nhìn lại quá trình phát triển của Robot, ta có thể thấy rõ đó là kết quả chung của sự phát triển của Khoa học – Kỹ thuật – Công nghệ – Sản xuất (Scien-Technic – Technology-Manufacture). Quá trình phát triển Robot có thể chia ra như sau: + Thời kỳ sơ khai: Thời kỳ này được tính từ năm 1946 trở về truớc. Đây cũng chính là giai đoạn phát triển của sản xuất tiến dần tới tự động hoá cơ khí hoàn chỉnh - tự động hoá sản xuất cứng (Hard Automation) kiểu Ford-Taylor. +Thời kỳ tiền Robot 1946-1961: Đây là thời kỳ phát triển của các Robot thương mại đầu tiên phục vụ cho công nghiệp nguyên tử. Đây cũng là giai đoạn phát triển mạnh của Kỹ thuật – Công nghiệp – Sản xuất (Technic –industry –Manufacture) với các sự kiện: - 1946: Xuất hiện mát tính điện tử đầu tiên viết tắt là ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator). - 1952: Xuất hiện máy phay điều kiển bằng số NC (Numerical Control) của viện công nghệ Ma-sa-chu-sét MIT (Massachusetts institute of Technology). Đây cũng là thời kỳ phát triển mạnh của Khoa học- Kỹ thuật thông tin -Điều khiển (Science – information Technic – Cybernetics) và khởi đầu về trí tuệ nhân tạo với các tiên tuổi thường được nhắc đến như Claude Shannon, Norbert wiener, Alan Turing, Mc Carthy, Marvin Minsky, Herber Simon, Allen Newell. +Kỷ nguyên Robotics được tính bắt đầu vào những năm 1960: ở đây những sự kiện đáng chú ý là: - 1961: Robot Unimate của hãng General Motors được đưa vào sử dụng trong phân xưởng đúc. Đây là thời kỳ của các Robot thế hệ thứ nhất: Robot với trình điều khiển để Robot lặp lại các thao tác đã định trước. - Từ 1960 – 1970: Xuất hiện lần lượt công nghệ mạch tích hợp IC (Integrated Circuit), LSIC (Large Scale Integrated Circuit), bộ vi sử lý (Microprocessor) và máy vi tính PC (Personal Conputer). - Từ 1968 -1972 cùng với sự phát triển mạnh của công nghiệp ôtô, đây là những năm bùng phát của công nghiệp rô-bốt, đặc biệt tại Nhật Bản với công ty YASKAWA – nơi đã đầu tư và nghiên cứu ứng dụng Robot vào loại hàng đầu thế giới trong giai đoạn này. Thuật ngữ Cơ-Điện tử (Mechatronics) đã xuất hiện vào thời kỳ này đi kèm với Robot. - Từ 1972: Bắt đầu thời kỳ của Robot thế hệ thứ hai : Robot được điều kiển bằng máy tính có các cơ quan cảm giác là các cảm biến liên hệ ngược. Đại diện cho thế này là Robot SHAKEY của viện nghiên cứu STANDFOR. Nó là sự tổng hợp của các thành tựu Khoa học - Kỹ thụât - Cộng nghệ Cơ khí - Điện - Điện tử - Điều khiển tự động - Tin học (Science-Techinic-Mechanical Technology – Electric – Electronic - Automatic control - Computer -Information Technology). Robot được bắt đầu ứng dụng hậu hết các lĩnh vực: từ sản xuất đến lĩnh vực nghiên cứu khoa học, cả y tế và đời sống hằng ngày… Đây là năm hội thảo đầu tiên của thế giới về Robot được tổ chức tại Chicago, Hoa Kỳ. Những hiệp hội nghiên cứu về Robot của thế giới đã được hình thành như: ã RIA- Robotic Industries Association của Hoa Kỳ. ã AFRI- Association Francaise de Robotica Industriale của Pháp. ã BRA- British Robot Association của Anh. ã JIRA-Japan Industial Robot Association của Nhật Bản. - Năm 1976 chiếc máy công cụ CNC sử dụng Microcomputer ra đời. - Trong giai đoạn những năm 80 và 90 với sự phát vũ bão của Khoa học - Kỹ thuật – Công nghệ, quy mô sản xuất và nghiên cứu khoa học, thế giới được thừa hưởng nhiều thành quả của nó, đặc biết về máy tính và tin học làm thay đổi về chất các trang thiết bị tổ chức điều hành sản xuất và đời sống như: ã Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính - CAD (Computer Aided Design). ã Sản xuất với sự trợ giúp của máy tính - CAM (Computer Aided Manufacture). ã Hệ thống sản xuất mềm, linh hoạt- FMS (Flexible Manufacture Syterm). ã Sản xuất tích hợp máy tính- CiM (Computer Integrated Manufacture). ã Sản xuất đúng lúc- JIT (Just time). ã Điều hành - Quản lý chất lượng toàn diện- TQM (Total Quality Management). ã Sản xuất với chất lượng toàn cầu- WCM (World Class Manufacture). - Những năm đầu tiên của thế kỷ XXI, Robot đang bước sang thế hệ mới. Từ các Robot điều khiển theo kiểu thao tác( Manual input) rồi đến kiểu Dẫn – Dạy, các điều khiển này gọi chung là điều khiển có chương trình dẫn đường và các Robot kiểu này thường được gọi là Robot khéo léo (Robot Habilis). Tiếp theo đến các Robot có trình điều khiển thích nghi - thông minh, Robot có trí khôn ( Robot Spiens). Sự tiến bộ Khoa học - Kỹ thuật - Công nghệ gần như thuộc mọi lĩnh vực Cơ học - Cơ khí - Điện – Điện tử - Điều khiển tự động - Máy tính - Tin học - Sinh vật học đều được thể hiện trên sự phát triển của Robot. Những ứng dụng mới nhất của Robot và Y học có thể kể như Robot phẫu thuật và thay thế các cơ quan hoạt động của con người, để mô phỏng các loại sinh vật. Những kết quả tiến bộ của Khoa học – Kỹ thuật – Sản xuất cho đến những năm 1970 đã hình thành khoa học Robotics và Cơ - Điện tử (Mechatronics). Từ đó cũng bắt đầu việc đào tạo các chuyên gia kỹ thuật thuộc lĩnh vực Robot và Cơ - Điện tử. 1.1.2 Robot có cấu trúc song song a) Giới thiệu chung: Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hoá trong sản xuất, các cơ cấu Robot cũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú. Trong những thập niên gần đây, Robot cấu trúc song song được Gough và Whitehall nghiên cứu năm 1962 và sự chú ý ứng dụng của Robot cấu trúc song song đã được khởi động bởi Stewart, vào năm 1965 ông là người cho ra đời buồng tập lái máy bay dựa trên cấu trúc song song. Hiện nay cơ cấu song song được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động được nối với giá cố định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân. thường số chân bằng số bậc tự do, được điều khiển bằng nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc ngay trên chân. Chính lý do này mà các Robot song song đôi khi còn gọi là các Robot có bệ. Do tính ưu việt của Robot song song nên ngày càng thu hút được nhiều nhà khoa học nghiên cứu đồng thời cũng được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: + Ngành Vật lý: giá đỡ kính hiển vi, giá đỡ thiết bị đi chính xác. + Ngành Cơ khí: máy gia công cơ khí chính xác, máy công cụ CNC. + Ngành Bưu chính viễn thông: giá đỡ ăngten, vệ tinh địa tĩnh. + Ngành chế tạo Ôtô: hệ thống thử tải lốp Ôtô, buồng tập lái Ô tô. + Ngành quân sự: Robot song song được dùng làm bệ đỡ ổn định được đặt trên tầu thuỷ, trên xe, tren máy bay, trên chiến xa và các tàu ngầm. Để giữ cân bằng cho angten, camera theo dõi mục tiêu, cho rada, cho các thiết bị đo laser, bệ ổn định cho phóng tên lửa, buồng tập lái máy bay, xe tăng, tàu chiến… b) Một số ưu nhược điểm của robot song song Nhìn chung, tất cả các loại Robot có cấu trúc song song đều có nhiều ưu điểm và có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, các bộ mô hình máy bay, các khung đỡ kiến trúc khớp nối điều chỉnh, các máy khai thác mỏ… * Ưu điểm: - Khả năng chịu được tải cao: Các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên khối lượng của các thành phần cũng nhỏ hơn. - Độ cứng vững cao do kế cấu hình học của chúng. - Tất cả các lực tác động đồng thời được chia sẻ cho tất cả các chân. - Cấu trúc động học một cách đặc biệt của các khớp liên kết cho phép chuyển tất cả lực tác dụng thành các lực kéo/nén của các chân. - Có thể thực hiện được các thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính xác cao: với cấu trúc song song, sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc trục của các cụm cơ cấu chân riêng lẻ và các sai số không bị tích luỹ. - Có thể thiết kế ở các kích thước khác nhau. - Đơn giản hoá các cơ cấu máy và giảm số lượng phần tử do các chân và khớp nối được thiết kế sẵn thành các cụm chi tiết tiêu chuẩn. - Cung cấp khả năng di động cao trong quá trình làm việc do có khối lượng và kích thước nhỏ gọn. - Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền. - Tầm hoạt động của Robot cơ cấu song song rất rộng từ việc lắp ráp các chi tiết cực nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao như: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp… - Các Robot song song làm việc không cần bệ đỡ và có thể di chuyển tới mọi nơi trong môi trường sản xuất. Chúng có thể làm việc ngay cả khi trên thuyền và treo trên trần, tường… - Giá thành của các Robot song song ứng dụng trong gia công Cơ khí ít hơn so với máy CNC có tính năng tương đương. *Nhược điểm: Tuy nhiên các Robot song song cũng có nhược điểm nhất định khi so sánh với các Robot chuỗi như: - Khoảng không gian làm việc nhỏ và khó thiết kế. - Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp - Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian. 1.2 Phân loại chung về Robot Robot có thể phân loại theo nhiều tiểu chuẩn, số bậc tự do động học, hệ thống truyền động, dạng hình học của chi tiết gia công, các đặt tinh chuyển động [3]… a) Phân loại theo số bậc tự do Sơ đồ phân loại Robot thường dùng là theo số bậc tự do. Một cách lý tưởng cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để sử lý đối tượng một cách tự do trong không gian 3 chiều. Theo quan điểm này, Robot da năng có 6 bậc tự do và Robot thiếu có nhất ít hơn 6 bậc tự do, Robot dư có thêm một bậc tự do dể di chuyển qua các hướng chướng ngại vật hoặc trong không gian hẹp. Mặt khác, đối với một số ứng dụng đặt biệt, chẳng hạn lắp ráp các chi tiết trên mặt phẳng chỉ có Robot 4 bậc tự do là đủ. b) Phân loại theo cấu trúc động học Robot được gọi là Robot nối tiếp nếu cấu trúc động học có dạng chuỗi vòng hở, Robot song song nếu có chuỗi vòng kín, và Robot lai nếu có vòng kín và vòng hở. c) Phân loại theo hệ thống truyền động Có 3 hệ thống truyền động phổ biến là điện, thuỷ lực và khí nén được dùng cho Robot. Hầu hết các cơ cấu chấp hành đều sử dụng động cơ bước hoặc động cơ trợ động DC, do chúng tương đối dễ điều khiển. Tuy nhiên khi cần tốc độ cao và khả năng mang tải cao, thường dùng chuyển động thuỷ lực hoặc khí nén có tính linh hoạt khá cao. Mặc dù truyền động khí nén sạch và nhanh nhưng khó điều khiển do không khí là chất khí nén được. Trong cơ cấu nối tiếp, nói chung một bộ tác động được dùng để điều khiển chuyển động của từng khớp. Nếu từng khâu chuyển động được truyền động bằng một bộ tác động lắp trên khâu trước đó thông qua hộp giảm tốc, sự dịch chuyển của khâu này về mặt động học là độc lập với khâu khác, đây là cơ cấu chấp hành nối tiếp quy ước. Mặt khác, nếu mỗi khớp được truyền động trực tiếp bằng bộ tác động không có hộp giảm tốc, cơ cấu đó được gọi là cơ cấu chấp hành truyền động trực tiếp. Việc dùng hộp giảm tốc cho phép sử dụng động cơ nhỏ hơn, do đó làm giảm quán tính của cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên, độ lệch khớp của của các bánh răng trong hộp giảm tốc có thể gây ra sai số vị trí ở bộ phận tác động. Kỹ thuật truyền động trực tiếp khắc phục được vấn đề bánh răng và có thể tăng tốc độ cho cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên, các động cơ truyền động trực tiếp tương đối lớn và nặng. Do đó chúng thường được dùng để truyền động khớp thứ nhất của cơ cấu chấp hành, động cơ được láp đặt ở đế. Nói chung động cơ cũng có thể được lắp đặt ở đế để truyền động khớp thứ hai hoặc khớp thứ ba thông qua đai kim loại hoặc khâu thanh đẩy. Một số cơ cấu chấp hành sử dụng bộ cánh bánh răng, xích và đĩa để truyền động các khớp. Khi sử dụng hệ thống truyền động này cho cơ cấu chấp hành qua nhiều khớp, độ dịch chuyển của sẽ phụ thuộc lẫn nhau. Các cơ cấu chấp hành kiểu đó gọi là vòng kín. d) Phân loại theo hình dạng hình học không gian làm việc. Không làm việc của cơ cấu chấp hành được xác định là thể tích không gian đầu tác động có thể với tới. Nói chung, thường sử dụng hai định nghĩa về không gian làm việc. Thứ nhất là không gian có thể với tới, thể tích không gian trong cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm theo ít nhất là một chiều. Thứ hai là không gian linh hoạt, thể tích không gian trong đó cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm theo mọi chiều có thể. Không là một phần của không gian có thể với tới. Mặc dù đây không phải điều kiện cần, nhưng nhiều cơ cấu chấp hành nối tiếp được thiết kế với 3 khâu đầu dài hơn các khâu còn lại, do đó 3 khâu này được dùng chủ yếu để thao tác vị trí, các khâu còn lại được dùng để điều khiển hướng của đầu tác dụng. Vì lí do đó 3 khâu đầu được gọi là cánh tay, các khâu còn lại được gọi là cổ tay. Trừ các cơ cấu chấp hành có bậc tự do lớn hơn là 6, cánh tay thường có 3 bậc tự do, cổ tay có 1-3 bậc tự do. Hơn nữa, bộ cổ tay thường được thiết kế với các trục khớp cắt nhau tại một điểm chung gọi là tâm cổ tay. Bộ cánh tay có thể có nhiều kiểu cấu trúc động học, tạo ra các biên làm việc khác nhau, được gọi là vùng không gian làm việc. Không gian do nhà sản xuất Robot cung cấp thường được xác định theo không gian làm việc. Tay máy được gọi là Robot trụ nếu khớp thứ nhất hoặc khớp thứ hai của Robot Cartersian (Hình 1.1e) được thay thế bằng khớp quay. Tay máy được là Robot cầu nếu hai khớp đầu là khớp quay khác nhau và khớp thứ 3 là khớp lăng trụ (Hình 1.1a). vị trí tâm cổ tay của Robot cầu là tập hợp các toạ độ cầu liên quan với 3 biến khớp nối. Do đó trong không gian làm việc của Robot cầu được giới hạn theo hai khối cầu đồng tâm. Tay máy được gọi là Robot quay nếu cả 3 khớp đều là khớp quay. Không gian làm việc của Robot này rất phức tạp thường có tiết diện hình xuyến. Nhiều Robot công nghiệp là loại Robot quay (Hình 1.1c). Hình 1.1: Mô hình một số tay máy thông dụng d) Tay máy SCARA b) Tay máy CYLINICAL c) Tay máy REVOIUTE a) Tay máy POLAR e) Tay máy CARTERSIAN 1.3 Một số ứng dụng của robot công nghiệp Mục tiêu ứng dụng của robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng xuất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Điều kiện đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của Robot, đó là: - Robot có thể thực hiện một qui trình thao tác hợp lý bằng hoặc hơn thợ lành nghề một cách ổn định hơn trong xuốt thới gian làm việc. Vì thế Robot có thể góp phần nâng cao chất lượng và khả năng canh tranh của sản phẩm. Hơn thế, Robot còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc để thích nghi với sự biến đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh. - Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng Robot là giảm được đáng kể chi phí cho người lao động. - Việc áp dụng Robot có thể làm tăng năng xuất dây chuyền công nghệ. Sở dĩ như vậy vì nếu tăng nhịp độ khẩn trương của dây chuyền sản xuất, nếu không thay con người bằng Robot thì người thợ không thể theo kịp hoặc chóng mệt mỏi. - ứng dụng Robot có thể cải thiện điều kiện lao động. Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà chúng ta cần phải quan tâm, vì trong thực tế có rất nhiều nơi người lao động phải làm việc suốt buổi trong môi trường rất bụi bặm, ẩm ước, nóng nực hoặc ồn ào quá mức cho phép nhiều lần, thậm chí làm việc trong môi trường độc hại, nghi hiểm đến sức khoẻ của con người, dễ sảy ra tai nạn. Một trong các lĩnh vực ứng dụng của Robot công nghiệp đó là kĩ nghệ đúc. Thường trong xưởng đúc, môi trường làm việc rất nóng bức, độc hại, chất lượng sản phẩm lại phụ thuộc nhiều vào quá trình thao tác, nên việc ứng dụng Robot công nghiệp vào quá trình đúc là rất hiệu quả. Trong ngành gia công áp lực điều kiện làm việc làm cũng khá nặng nề, để gây mệt mổi nhất là trong các phân xưởng rèn dập nên đòi hỏi sớm áp dụng Robot công nghịêp. Các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm nhiều công việc nặng nhọc, độc hại và ở nhiệt độ cao. Do vậy ở đây nhanh chóng ứng dụng kỹ thuật Robot công nghiệp. Robot được sử dụng phổ biến trong tự động hoá quá trình hàn, đặt biệt trong kỹ thuật ôtô. Robot cũng được dùng trong gia công và lắp ráp. thường thường người ta sử dụng Robot chủ yếu vào việc tháo lắp phôi và sản phẩm cho các máy gia công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động. 1.4 Cấu trúc robot song song 1.4.1 Cấu trúc cơ cấu Cũng như các Robot thông thường, Robot song song là loại Robot có cấu trúc vòng kín trong đó các khâu (dạng thanh) được nối với nhau bằng các khớp động [3]. Sơ đồ động cơ cấu tay máy thông thường là chuỗi nối tiếp các khâu động, từ khâu cuối (là khâu trực tiếp thực hiện thao tác công nghệ) đến giá cố định. Còn trong Robot song song, khâu cuối được nối với giá cố định bởi một số mạch động học, tức là nối song song với nhau. Sự khác nhau về sơ đồ động đó cũng tạo nên nhiều đặc điểm khác biệt về động học và động lực học. 1.4.2 Khâu, khớp, chuỗi động và cơ cấu chấp hành của robot song song - Khâu: là phần có chuyển động tương đối với các phần khác trong cơ cấu. Chúng ta coi các khâu là vật rắn, điều đó làm cho việc nghiên cứu các kết cấu, Robot được dễ dàng hơn. Tuy nhiên với các cơ cấu tốc độ cao hoặc mang tải lớn thì hiện tượng đàn hồi của vật liệu trở nên quan trọng đáng kể và chúng ta phải xét đến. - Khớp là chuỗi động giữa hai khâu. Tuỳ theo cấu trúc, môi khớp hạn chế một số chuyển động giứa hai khâu, bề mặt tiếp xúc của mỗi khâu tại khớp gọi là thành phần khớp. Hai thành phần của khớp tạo thành một khớp động. Khớp động có thể phân thành khớp thấp và khớp cao tuy thuộc vào dạng tiếp súc. ã Khớp thấp: nếu hai thành phần tiếp xúc là bề mặt. ã Khớp cao: nếu hai thành phần tiếp xúc là điểm hoặc đường. Có 6 loại khớp thấp và 2 loại khớp cao cơ bản thường được dùng trong các cơ cấu máy và các Robot, đó là: Khớp quay (Revolute Joint-R): khớp để lại chuyển động của khâu này đối với khâu khác quanh một trụ quay. nghĩa là khớp quay hạn chế 5 khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp và có một bậc tư do. Khớp lăng trụ (Prismatic Joint-P): cho phép 2 khâu trược trên một trục. Do đó khớp lăng trụ hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa hai khâu và có một bậc tự do. Người ta cũng thường gọi khớp lăng trụ là khớp tịch tiến. Khớp trụ (Cylindrical joint-C): cho phép hai chuyển động độc lập,gồm một chuuyển động quay quanh một trục và một chuyển động tịch tiến theo trục đó. Do đó khớp trụ hạn chế 4 khả năng chuyển dộng giữa hai khâu và có hai bậc tự do. Khớp ren (Helical Joint-H): cho phép chuyển động quay quanh trục đồng thời tịch tiến theo trục quay. Tuy nhiên chuyển động tịch tiến phụ thuộc vào chuyển động quay bởi bước của ren vít. Do đó, khớp ren hạn chế 5 chuyển động tương đối giữa hai khâu và còn lại 1 bậc tự do. Khớp cầu (Spherical Joint-S): cho phép chuyển động quay giữa hai thành phần khớp tâm cầu theo tất cả các hướng, nhưng không có chuyển động tịch tiến giữa hai thành phần khớp này. do đó khớp cầu hạn chế 3 khả năng chuyển động và có 3 bậc tự do. Khớp phằng (Plane Joint-E): có hai khả năng chuyển động tịch tiến theo hai trục trong mặt tiếp xúc và khả năng quay quanh trục vuông góc với mặt tiếp xúc. Do đó khớp phẳng hạn chế 3 khả năng chuyển động và có 3 bậc tự do. Khớp bánh răng phẳng (Gear Pair-G): cho hai bánh răng ăn khớp với nhau. Các mặt tiếp xúc đẩy nhau, chúng thường trược lên nhau. Do đó khớp bánh răng hạn chế 4 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thành phần khớp và còn lại hai bậc tự do. Khớp cam phẳng (Cam Pair-Cp): tương tự như khớp bánh răng, hai thành phần khớp luôn tiếp xúc với nhau. Do đó, khớp cam phẳng có hai bậc tư do. Khớp quay, khớp lăng trụ, khớp trụ, khớp ren, khớp cầu và khớp phẳng là các khớp thấp, khớp báng răng phẳng và các khớp cam phẳng là các khớp cao. Trong tài liệu chuyên khảo có hai khái niệm cần phân biệt: - Cơ cấu: là tập hợp các khâu được nối với nhau bằng các khớp động (chuỗi động). Robot nối tiếp có cấu trúc chuỗi hở, còn Robot song song có cấu trúc chuối kín. Chuỗi động học được gọi là cơ cấu khi một trong các khâu được nối là cố định. Trong cơ cấu có thể có một hoặc nhiều khâu được ấn định là khâu dẫn với các thông số cho trước. Sự chuyển động của các khâu dẫn là độc lập, sự chuyển động của các khâu khác là phụ thuộc vào chuyển động của khâu dẫn. Cơ cấu là một thiết bị truyền chuyển động từ một hay nhiều khâu dẫn tới các khâu khác. - Máy móc: Gồm một hoặc nhiều cơ cấu, cùng các thành phần điện, thuỷ lực và/hoặc khí nén, được dùng để biến đổi năng lượng bên ngoài thành cơ năng hoặc dạng năng lượng khác. Cơ cấu chấp hành của hệ thống Robot là cơ cấu. Để cơ cấu này trở thành máy cần phải có một bộ điều khiển dựa trên bộ vi xử lý, bộ mã hoá và/hoặc các cảm biến lực, cùng với các bộ phận khác, chẳng hạn hệ thống quan sát phối hợp với nhau để chuyển đổi năng lượng bên ngoài thành công hữu ích. Mặc dù máy có thể gồm một hoặc nhiều cơ cấu, nhưng cơ cấu không phải là máy do không thực hiện công, chỉ có chức năng truyền chuyển động. 1.4.3 Bậc tự do của robot cấu trúc song song Xét hai vật thể hay hai khâu A và B để rời nhau trong không gian gắn vào A một hệ toạ độ Oxy (hình 1.2) thì B sẽ có 6 khả năng chuyển động tương đối so với A, hay nói cách khác là giữa A và B có 6 khả năng chuyển động tương đối. Các khả năng chuyển động độc lập là: - Các chuyển động tịnh tiến dọc trục Ox, Oy, Oz ký hiệu là Tx, Ty, Tz - Các chuyển động quay quanh trục Ox, Oy, Oz ký hiệu là Rx, Ry, Rz z Hình 1.2: Các khả năng chuyển động tuơng đối giũa hai vật thể Ty Tx Tz Ry Rz Rx B x y O A Định nghĩa: Bậc tự do của cơ cấu là số thông số độc lập tuyến tính cần thiết để hoàn toàn xác định vị trí của cơ cấu. Ta có thể xác định được biểu thức tổng quát về số bậc tự do của cơ cấu theo số khâu, số khớp và kiểu khớp trong cơ cấu. Để thống nhất cho việc tính toán số bậc tự do của cơ cấu ta sử dụng các ký hiệu sau, xem [5]: ci: số ràng buộc của khớp i. F: số bậc tự do của cơ cấu. fi :số chuyển động tương đối được phép của khớp i. j : số khớp trong cơ cấu. Ji : số khớp với i bận tự do. L: số vòng độc lập trong cơ cấu. n: số khâu trong cơ cấu, kể cả khâu cố định. l: số bậc tư do trong không gian làm việc của cơ cấu. Ta giả thiết tất cả các khớp đều là hai chiều, khớp ba chiều được coi là hai khớp hai chiều, khớp bốn chiều được coi là ba khớp hai chiều, … Ngoài ra, còn giả thiết một giá trị l được dùng cho các chuyển động của tất cả các khâu chuyển động, chúng đều vận hành trong không gian làm việc, do đó l = 6 đối với các khâu không gian và l = 3 đối với cơ cấu phẳng và cơ cấu cầu. Giá trị bậc tự do của cơ cấu chính bằng số bậc tự do của tất cả các khâu dẫn trừ đi số ràng buộc bởi các khớp. Do đó, nếu các khâu đều tự do, số bậc tự do của cơ cấu n- khớp, với một khớp cố định, sẽ bằng l(n-1). Tuy nhiên, tổng các ràng buộc của các khớp là bằng , do đó giá trị bậc tự do của cơ cấu được tính theo phương trình: f = l(n-1) - (1.1) Số ràng buộc của một khâu và số bậc tư do của khâu đó bàng thông số chuyển động l, do đó: l = ci + fi (1.2) Do tổng các ràng buộc của khâu là: = = jl - (1.3) Thay phương trình (1.3) vào phương trình (1.1) ta được: f = l (n - j - 1) - (1.4) Phương trình (1.4) được gọi là phương trình tiêu chuẩn Grubler hoặc Kutzbach. Tiêu chuẩn Grubler đúng cho trường hợp các ràng buộc tại các khớp là độc lập và không dư. Ví dụ 1 khớp quay cầu liên kết chuỗi với khớp quay có trục xuyên qua tâm của khớp cầu sẽ tạo ra một bậc tự do thừa. Kiểu bậc tự do này gọi bậc tự do thụ động, cho phép khâu trung gian quay tự do quanh trục xác định từ hai khớp hai khớp đó. Mặt dù khâu trung gian có khả năng truyền lực hoặc momen cho các khâu khác, nhưng nó không có khả năng truyền momen cho trục thụ động. Nói chung, các khâu hai chiều với các cặp với các cặp S-S, E-E, S-E đều có bậc tự do thụ động. Bảng (1.1) thống kê sự phối hợp các khâu loại hai chiều và các khớp S-S, E-E, S-E với các khớp cuối cùng của chúng có một bậc tự do. STT Kiểu Bậc tự do thụ động (thừa) 1 S-S Quay quanh trục đi qua các tâm của các khớp cầu 2 S-E Quay quanh trục đi qua các tâm của các khớp cầu và vuông góc với mặt phẳng của khớp phẳng 3 E-E Trượt dọc trục song song với giao tuyến tạo bởi các mặt phẳng của khớp phẳng. nếu hai mặt phẳng này song song sẽ có 3 bậc tự do thụ động Bảng 1.1 Bậc tự do thụ động không thể truyền momen và chuyển động cho trục thụ động. Khi có một khớp này tồn tại trong cơ cấu, cần trừ đi một bậc tự do từ phương trình tính bậc tự do. Giả sử, là số bậc tự do thụ động trong cơ cấu thì số bậc tự do chủ động trong cơ cấu là: (1.5) Ví dụ: Cơ cấu chấp hành song song Stewart-Gough. Đế cố định Bàn máy động Khớp cầu Khớp lăng trụ Khớp cầu Hình 1.3: Cơ cấu chấp hành song song Stewart Gough 1.4.4 Các bài toán cơ bản về robot Robot là một ngành khoa học hay ngành học về công nghệ truyền thống kết hợp với lý thuyết và ứng dụng của các hệ thống Robot. Việc nghiên cứu bao gồm cả hai vấn đề về nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng, những vấn đề đó chia ra công tác thiết kế Robot: cơ học kết cấu, thiết kế quĩ đạo và điều khiển, công tác lập trình … Cơ học là một nhánh nghiên cứu các vấn đề về năng lượng, lực và tác dụng của chúng đối với chuyển động của hệ thống cơ khí.Việc nghiên cứu bao gồm 3 vấn đề có quan hệ với nhau: động học, tĩnh học, động lực học. a) Động học Động học nghiên cứu các đặt trưng của chuyển động mà không quan tâm đến nguyên nhân gây ra chúng như lực, momen. Khoa học động học nghiên cứu về vị trí, vận tốc, gia tốc và các đạo hàm theo thời gian bậc cao của các biến vị trí cũng như các biến số khác. Sự thay đổi các khâu của Robot liên quan đến vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối cùng bởi sự ràng buộc của các khớp. Những quan hệ động học đó là trọng tâm đáng chú ý của việc nghiên cứu động học các Robot. Việc nghiên cứu động học có hai vấn đề: đó là Phân tích động học (Kinematic Analysis) và tổng hợp động học (Kinematic Syntheis). Tuy nhiên quá trình phân tích động học và tổng hợp động học luôn luôn liên quan với nhau. Một nhà thiết kế cần nắm bắt một cách sâu sắc những kỹ năng phân tích để có thể thay đổi các thông số thiết kế để chọn thiết kế tốt nhất. Do đó, vấn đề thiết kế và điều khiển Robot là những vấn đề cần được quan tâm hơn của bài toán động học. Phân tích động học là việc tìm nguồn gốc, các quan hệ chuyển động của các khâu Robot. Vấn đề phân tích động học có hai bài toán là bài toán động học thuận (Derct Kinematic) và bài toán động học ngược (Invers Kinematic). Tổng hợp động chính là quá trình ngược lại của việc phân tích động học. Trong trường hợp này nhà thiết kế cần phải đặt ra những Robot hay máy mới, điều đó đòi hỏi nhưng thay đổi nhất định về mặt động học. Cụ thể khi có trong tay các bộ thông số về vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối cùng, chúng ta cần xác định các thay đổi tương ứng ở các khâu dẫn và cấu trúc hình học của tay máy. Hơn thế nữa, vấn đề tổng hợp động học có thể chia làm 3 giai đoạn quan hệ với nhau: tổng hợp về kiểu, tổng hợp về số lượng, tổng hợp về kích thước. b) Tĩnh học(Statics) Trong nghiên cứu quan hệ về lực ở trạng thái cân bằng của các thành phần thay đổi của Robot. Một Robot có thể hoạt động nhờ tác động lực sinh ra từ các nguồn kích động khác nhau, như: trọng lực, tải trọng, ma sát, lực quán tính,…Những lực này cần phải được xem xét cẩn thận khi thiết kế các Robot bởi vì các thành phần của chúng có thể có trị số đáng kể và có thể làm cho Robot không đảm bảo chức năng đã định. Lực cân bằng phụ thuộc vào cấu tạo và đặc điểm của Robot mà không phụ thuộc vào thời gian. c) Động lực học (dynamics) Động lực học Robot cũng có hai vấn đề: Phân tích động lực học (Dynamic Analyis) và Tổng hợp động lực học (Dynamic Synthesis). Có hai bài toán động lực học: Bài toán động lực học thuận (Direct Dynamics) và bài toán động lực học ngược (Inverse Dynamics). Bài toán động học thuận có thể phát biểu như sau: đặt momen, lực vào các khâu dẫn, đi tìm kết quả chuyển động như các hàm thời gian trên cơ cấu chấp hành cuối cùng. Bài toán động lực học ngược: cho quỹ đạo chuyển động của khâu chấp hành cuối cùng theo thời gian, đi tìm momen và lực đặt lên các khâu dẫn để có được sự chuyển động đó. Việc tính toán hiệu quả của bài toán động học thuận là không có giới hạn khi dùng máy tính để mô phỏng các Robot. Mặt khác hiệu quả của bài toán động học ngược vô cùng quan trọng trong thời gian thực, mô hình cơ sở của điều khiển Robot. Khi thay dổi các phương pháp phân tích, như các phương trình Newton-Euler, các phương trình Lagrange có thể áp dụng cho việc phân tích động lực học Robot. Tổng hợp động lực học là quá trình ngược lại các quá trình phân tích động lực học. Cụ thể, một tay máy mới, được thiết kế phải đảm bảo các yêu cầu về các thông số chuyển động động lực học. Vấn đề tổng hợp động lực học phức tạp hơn nhiều so với vấn đề phân tích động lực học. 1.5 Phân loại robot song song 1.5.1 Robot song song đối xứng Một Robot song song được gọi là đối xứng nếu nó thoả mãn các điều kiện sau: + Số chân bằng số bậc tự do của bàn máy di động. + Số khớp và loại khớp trong tất cả các chân được sắp sếp giống nhau. + Số lượng và vị trí các khớp động trong tất cả các chân đều như nhau. Khi các điều kiện trên không thoả mãn thì Robot được gọi là không đối xúng. Trong cơ cấu chấp hành đối xứng, số chân m bằng số bậc tự do f, đồng thời cũng bằng tổng số vòng, l+1 (kể cả các vòng ngoại vi ), nghĩa là: m=f=l+1 (1.6) Độ liên kết, Ck, của một chân là các bậc tự do có quan hệ với tất cả các khớp trong chân đó: = (1.7) với j là số khớp trong cơ cấu. Từ (1.6) (1.7) suy ra: = (1.8) với là số bậc tự do trong không gian mà cơ cấu hoạt động. Mỗi chân có độ liên kết thoả mãn: (1.9) 1.5.2 Các robot song song phẳng Với các Robot song song phẳng ta có: thay vào phưong trình (1.8) ta được: C1+ C2+ C3=4.f-3=9 Đồng thời từ (1.9) ta có: 3 Do đó mỗi chân có 3 bậc tự do trong cách tạo nên chúng. Tóm lại, mỗi chân gồm 3 khâu và 2 khớp, mỗi khớp cần có một bậc tự do, sử dụng khớp quay và khớp trượt làm cặp đôi khớp, ta nhận thấy 7 loại chân có thể chấp nhận được, đó là: RRR, RRP, RPR, PRR, RPP, PPR và PPP. Do đó ta giới hạn cấu trúc chân của các Robot thì chỉ có 7 loại thuộc lớp Robot song song phẳng tự do có thể thực hiện được. A1 A2 A3 E1 E3 E2 B1 B3 B2 Hình 1.4: Robot song song phẳng 3 bật tự do với cấu trục chân RRR I G A F C E B D H Hình 1.5: Cấu trúc chấp hành song song 3PRP Bàn máy động Đế cố định 1.5.3 Các Robot song song cầu Các cơ cấu cầu có ba bậc tự do. Do đó yêu cầu liên kết trong cơ cấu chấp hành song song cầu giống như các cơ cấu chấp hành song song phẳng. Trong cơ cấu chấp hành liên kết cầu loại khớp được phép là khớp quay, tất cả các trục khớp phải giao nhau tại một điểm chung, đó là tâm hình cầu, câú trúc chân duy nhất được phép là cấu trúc RRR. Cơ cấu chấp hành mô tả trên hình 1.6 là cơ cấu chấp hành song song cầu 3RRR, 3 bậc tự do. Chú ý rằng một khớp cầu có thể được lắp ở tâm của cơ cấu hành song song cầu. Tuy nhiên, khớp cầu như thế chỉ có thể là khớp thụ động, vì các bộ tác động hiện hữu không thể truyền động cho khớp đó. Vì thế, nếu dùng 1 khớp cầu, cần có thêm 3 chân để tác động song song bệ chuyển động. A1 A2 A3 B1 B3 B2 C1 C3 C2 Hình 1.6: Cấu trúc chấp hành kiểu cầu 3RRR Đế cố định Bàn máy động 1.5.4 Các robot song song không gian Đối với Robot song song trong không gian, thay vào các hệ thức(1.8) và (1.9) ta được : = (1.10) (1.11) Giải đồng thời (1.10) (1.11) với các số nguyên dương Ck, k=1,2,3…Có thể phân Loại Robot song song không gian ứng số bậc tự do và độ liên kết được nêu trên bảng (1.2). Bậc tự do F Số vòng L Tổng các bậc tự do khớp Độ liên kết Ck k=1,2,3,… 2 1 8 4,4 5,3 6,2 3 2 15 5,5,5 6,5,4 6,6,3 4 3 22 6,6,5,5 6,6,6,4 6 5 36 6,6,6,6,6,6 Bảng 1.2 Một số cấu trúc chân: R R C Bàn máy động Giá Giá Bàn máy động C R S S R C Bàn máy động Giá Giá Bàn máy động C R R S R C Bàn máy động Giá R S P S Bàn máy động Giá Giá Bàn máy động S C S S Bàn máy động Giá C R S (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) Hình 1.9: Tám kiểu chân hay sử dụng 1.6 Kết cấu Robot song song 3RPS Trong đề tài, yêu cầu tính toán và mô phỏng số Robot song song 3RPS thường được thiết kế để mang phôi gia công và được lắp đặt trên bàn gá phôi của máy phay. Ba chân với chiều dài có thể thay đổi được điều bởi các xi lanh thuỷ lực sẽ dẫn bệ động di động mang phôi chuyển động theo quỹ đạo xác định trước. Hai đầu của các chân một đầu được liên kết với đế cố định bằng khớp bản lề và một đầu được liên kết với bệ di động bằng khớp cầu. Ưu điểm của loại Robot này là khối lượng nhỏ, cấu trúc gọn nhẹ, độ cứng vững cao, có 3 bậc tự do và độ chính xác cao. Tất cả các thành phần cơ khí được lựa chọn và thiết kế càng nhỏ gọn càng tốt và không có khe hở theo chiều dọc trục của các chân, các chân được điều khiển của Robot được dẫn động bằng các cơ cấu chấp hành tuyến tính. Hình 1.10 mô tả sơ đồ của Robot này. - Chi tiết 1: Bàn di động có 3 bậc tự do trong không gian, trong trường hợp cụ thể ở đây là phần mặt dùng để gá dụng cụ cắt kim loại (đầu dao phay,…) hoặc lắp đồ gá phôi (thước chia độ, kẹp phôi gia công,…) có dạng tam giác (thường là tam giác đều). Trên bàn di động thường lắp các đồ gá để kẹp chi tiết hoặc lắp đặt động cơ-đài dao gia công. Bàn được thiết kế có các lỗ, chốt định để lắp đồ gá. Đồ gá được lắp chặt trên bàn di động bằng các bu lông. -Chi tiết 2: là một xi lanh thuỷ lực một đầu nối với bàn cố định bằng khớp bản lề và một đầu còn lại được nối với bàn di động bằng khớp cầu. -Chi tiết 3: là khớp cầu. -Chi tiết 4: là khớp bản lề. z1 -Chi tiết 5: Đế cố định. y1 A1 A2 A3 B1 B3 B2 Hình 1.10: Cấu trúc chấp hành song aong 3RPS Đế cố định Bàn máy động x0 y0 z0 x1 x1 x2 x3 z1 z2 z3