Tài liệu Thiết kế và chế tạo robot song song rps

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ NGỌC SƠN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG RPS TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. LƢU ĐỨC BÌNH Phản biện 1: PGS.TS. ĐINH MINH DIỆM Phản biện 2: PGS.TS. PHẠM ĐĂNG PHƢỚC Luận văn đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật, chuyên ngành kỹ thuật cơ khí họp tại Trƣờng Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 10 năm 2018. * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa -Thư viện Khoa cơ khí, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, robot song song đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp, thiết bị y tế, khoa học quân sự,… bởi vì nó có nhiều ƣu điểm so với mô hình robot nối tiếp nhƣ khả năng chịu tải trọng lớn (large load capacity), độ cứng vũng cao (high stiffness), độ chính xác cao (excellent accuracy), … Tuy nhiên, robot song song vẫn tồn tại một số nhƣợc điểm nhƣ vùng làm việc bị hạn chế (limited workspace), việc giải bài toán động học và động lực học phức tạp, tồn tại nhiều điểm kỳ dị trong vùng làm việc nên việc điều khiển trở nên phức tạp hơn. Nhiều kết cấu robot song song đƣợc sử dụng tùy theo ứng dụng, nhƣ Stewart – Gough robot, giới thiệu lần đầu bởi Gough và đƣợc thiết kế ứng dụng trong mô hình mô phỏng lái máy bay bởi Stewart . Robot này có 6 bậc tự do, nên nó thƣờng đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi chuyển động lớn. Tuy nhiên trong nhiều ứng dụng công nghiệp, hệ thống chỉ cần các robot hoạt động với ít bậc tự do hơn, nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động động bộ của hệ thống. Chính vì vậy một số mô hình robot đƣợc giới nhƣ robot H4 với 4 bậc tự do, đƣợc sử dụng trong pick và place với tốc độ cao, giới thiệu bởi công ty Poerot năm 1999, robot Delta – 3 bậc tự do với 3 khâu chấp hành tịnh tiến , robot Delta với 3 khâu chấp hành quay , Robot phẳng hai bậc tự do RR, … Năm 1993, Hunt giới thiệu mô hình robot 3RPS (R – Revolute, P – Prismatic; S – Spherical), chuyển động dọc theo trục z, quay quanh trục x và trục y. Kết cấu robot gồm có 1 tấm đế cố định và một tấm chuyển động (thƣờng đƣợc gắn cơ cấu chấp hành) đƣợc nối với nhau bới ba chân thông qua 3 khớp ở mỗi chân. Giữa tấm đế và chân nối nhau bởi khớp quay, giữa tấm chuyển động và chân là khớp cầu, nối giữa hai khớp quay và khớp cầu là cơ cấu chấp hành tịnh tiến. 2. Mục tiêu nghiên cứu Tác giả tiến hành nghiên cứu mô hình robot song song RPS, phân tích động học thuận, động học ngƣợc robot. Kết quả phân tích đƣợc 2 sử dụng trong phân tích vùng làm việc, các điểm kỳ dị cũng nhƣ các chỉ số hoạt động (Performace Index) robot. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đề tài thực hiện với nội dung chủ yếu sau: - Nghiên cứu tổng quan về robot song song - Nghiên cứu lý thuyết và giải bài toán động học của robot RSP - Phân tích vùng làm việc, các điểm kỳ dị, các chỉ số hoạt động của robot. - Thiết kế và chế tạo mô hình robot song song RPS. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Cách tiếp cận: Tìm hiểu và phân tích các nghiên cứu về robot song song, robot RPS và các bài toán tối ƣu hóa. - Phƣơng pháp nghiên cứu: •Nghiên cứu lý thuyết và mô hình 5. Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Đƣợc sử dụng cho các nghiên cứu khác liên quan đến robot song song 6. Cấu trúc luận văn MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ CHẾ TẠO ROBOT KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan cơ bản Robot có cấu trúc song song 1.1.1. Robot có cấu trúc song song 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 đƣợc 3 Gough và Whitehall nghiên cứu năm 1962 và sự chú ý ứng dụng của Robot cấu trúc song song đã đƣợc khởi động bởi Stewart, vào năm 1965 ông là ngƣời cho ra đời buồng tập lái máy bay dựa trên cấu trúc song song. Hiện nay cơ cấu song song đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. 1.1.2. 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. a) Phân loại theo số bậc tự do b) Phân loại theo cấu trúc động học c) Phân loại theo hệ thống truyền động 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc thuộc lĩnh vực đề tài 1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu của thế giới về robot song song - Từ năm 1947, tại Birmingham, Anh quốc, tiến sĩ Eric Gough đã cho ra đời cấu hình đầu tiên về tay máy song song. Thiết kế này đƣợc Eric Gough hoàn thiện và chế tạo vào năm 1954 tại hãng Dunlop Rubber với mục đích sử dụng để nâng chuyển các tải trọng nặng (hình 1.1) 4 Hình 1.1 Tay máy song song được Eric Gough hoàn thiện và chế tạo tại hãng Dunlop Rubber - Năm 1965, tại IMechE, Anh Quốc, Tiến sĩ D.Stewart, công bố công trình mô tả một ứng dụng tấm chuyển động (platform) 6 bậc tự do dùng để mô phỏng và huấn luyện bay. Bản thiết kế này đã gây tác động rất lớn đến việc hình thành các dạng tay máy song song sau này (hình 1.2). Hình 1.2. Thiết bị mô phỏng bay 5 - Năm 1980: Giáo sƣ Reymond Clavel thiết kế ra Delta robot , sau này trở thành một trong những tay máy song song nổi tiếng nhất (hình 1.3). Hình 1.3. Robot Delta - Năm 1985: Tay máy song phẳng ra đời dựa trên các cơ cấu phẳng 3 bậc tự do dùng khớp trụ và tịnh tiến. - Năm 1987: Máy động học theo cơ cấu song song ra đời. - Năm 2002: Hội nghị khoa học về tay máy song song đƣợc tổ chức tại Đại học Laval, Quebec, Canada đƣa ra những định hƣớng phát triển quan trọng về ứng dụng cho tay máy song song. - Hàng năm những hội nghị khoa học quốc tế do IFToMM, ASME, IFAC, IEEE, ICRA, IROS, … đều công bố các công trình nghiên cứu mới về tay máy song song. Nhiều dự án ở các nƣớc nhƣ CHLB Đức, Thụy Sĩ, Hoa Kỳ đã đƣợc triển khai trên cơ sở ứng dụng tay máy song song – Hexapod nhƣ: - Dự án NIST (Mỹ) (hình 1.4) với mục tiêu là đo đạc và mở rộng khả năng của máy dựa trên nguyên lý Stewart–Gough Platform - Hexapod đƣợc triển khai từ năm 1998 đến năm 2001. 6 Hình 1.4. Thiết bị gia công hexapod - Dự án Cubic Hexapod hợp tác giữa Đại học Washington và Tập đoàn công nghệ Hood kéo dài 6 năm từ năm 1998 đến năm 2004. Dự án này đƣợc phát triển từ tay máy Stewart–Gough Platform để loại trừ nhiễu trong các hệ thống chính xác , điều khiển vị trí với độ chính xác 1 nanômét. - Dự án Hexaglide đƣợc triển khai ở Viện robot của Thụy sỹ bắt đầu từ năm 1996. Tay máy là hệ cấu trúc song song 6 bậc tự do, sử dụng máy phay tốc độ cao với không gian làm việc 700600500 mm, sử dụng hệ điều khiển VME-Bus và hệ thống thời gian thực. Ƣu điểm của nó là có thể thực hiện các chuyển động nhanh với độ cứng vững và độ chính xác cao. - Công ty Elekta (Thụy Điển), một công ty chuyên về các trang thiết bị y tế đã dùng robot Delta để làm thiết bị Surgiscope nâng giữ kính hiển vi có khối lƣợng 20 kg dùng trong giải phẫu (hình 1.5). 7 Hình 1.5. Thiết bị Surgiscope - Một dự án của châu Âu chế tạo robot CRIGOS (Compact Robot for Image Guided Orthopedic Surgery) sử dụng cơ cấu Gough-Stewart nhằm cung cấp cho các bác sĩ phẫu thuật một công cụ hiệu suất cao cho phẫu thuật xƣơng. - Hãng Symetrie (Pháp, chuyên thiết kế và chế tạo tay máy song song) tham gia các dự án nhƣ: Kính viễn vọng không gian James Webb đƣợc thiết kế với hai hệ thống định vị cảm biến CCD và nguồn sáng dùng hai tay máy song song kiểu Hexapod (tay máy SONORA và BREVA). Hệ thống thử nghiệm động cơ PSA cho hãng ô tô PeugeotCitroën - Những ứng dụng Robot trong các nhà máy sản xuất của thế giới : Robot hàn trong nhà máy sản xuất ô tô của Volkwagen ở Emden nƣớc Đức. 8 Hình 1.6. Robot hàn đang làm việc trong nhà máy Hình 1.7. Robot Inrotech - Một số nghiên cứu đã đƣợc đăng trên các tạp chí và trang web uy tín của thế giới nhƣ : Đánh giá thời gian thực của động học ngƣợc đối với rô bốt y tế 3-RPS sử dụng nền tảng dSpace đƣợc đăn trên tạp chí IEEE. Bài báo liệt kê ba phƣơng pháp cho động học ngƣợc của một robot song song y tế 3 bậc tự do với cấu trúc chung R-P-S (Revolute-Prismatic-Spherical) sử dụng nền tảng MATLAB / Simulink và dSpace. Ba phƣơng thức đƣợc thực 9 hiện trong MATLAB / Simulink và đƣợc xuất sang nền tảng phát triển dSpace.So sánh giữa thời gian của ba phƣơng pháp này đã đƣợc nghiên cứu. Phạm vi của bài báo này là để đƣợc xem xét là một trong những nghiên cứu phù hợp trong một ứng dụng y tế thời gian thực. Phân tích điểm kì dị của một Robot 3 RPS song song phẳng và Robot song song đối xứng 3 RPS dựa trên ma trận Jacobi tịnh tiến/quay đƣợc đăng trên trang web scientific.net. Bài báo nếu ra một phƣơng pháp mới về phân tích điểm kỳ dị của robot song song 3 bậc tự do phẳng và đối xứng đã đƣợc giới thiệu, dựa trên ma trận Jacobi tịnh tiến và quay. Điểm kỳ dị của các Robot song song với dạng tịnh tiến thuần tuý và dạng quay thuần túy đƣợc giới thiệu một cách tổng thể.Cuối cùng, kết quả cho thấy điểm kỳ dị tổng quát hơn có thể đƣợc giải quyết thông qua các phƣơng pháp mới. 1.2.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước về robot song song - Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển Robot đã có những bƣớc tiến đáng kể trong nhiều năm vừa qua. Nhiều đơn vị trên toàn quốc thực hiện thành công các nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng về Robot nhƣ Trung tâm Tự động hoá, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Điện tử, Tin học, Tự động hoá thuộc Bộ Công nghệp, Đại học Bách khoa TP.HCM, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin thuộc Viện KHCNVN, các công ty doanh nghiệp tƣ nhân.Nổi bật nhƣ Công ty Cổ phần Robot TOSY, doanh nghiệp thiết kết và chế tạo Robot Việt Nam có nhiều sản phẩm ấn tƣợng trên trƣờng quốc tế. - Mới đây nhất Việt Nam thành lập 2 viện nghiên cứu tƣ nhân do tập đoàn Phenikaa phối hợp cùng đại học Thành Tây phát triển gồm Viện Nghiên cứu và Công nghệ Phenikaa (PRATI - Phenikaa Research and Technology Institute) và Viện Nghiên cứu Tiên tiến Thành Tây (TIAS - Thanh Tay Institute for Andvance study). - Các sản phẩm Robot do Việt Nam nghiên cứu chế tạo nổi bật nhƣ : 10 Robot 5 bậc tự do có tỷ lệ nội địa hóa 95%: Hình 1.8. Sử dụng thử nghiệm robot VNR-T1 trong đào tạo. Ảnh. V. Đức Viện Cơ học phát triển thành công Hệ thống Robot 6 bậc tự do SM6 phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam Hình 1.9. Hệ thống robot khi hoàn thành 11 Hình 1.10. Robot SM6 chuẩn bị tích hợp trong quy trình hàn ghép tại tại Xí nghiệp 197 Robot song song Hexapod Hình 1.11. Robot song song 6 chân Robot song song 6 chân dựa trên nguyên lý Gough - Stewart Platform cho mục đích gia công cắt gọt với chuyển động của bàn máy (mang phôi) đƣợc vận hành và điều khiển bởi 6 chân (Hexapod). 12 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG 2.1. Lý thuyết về phân tích động học 2.1.1. Các phương trình liên kết cho Robot song song RPS tổng quát Trên hình 2.1 mô tả sơ đồ động học của Robot song song RPS. z1 B3 z0 P Bàn máy động B1 B2 y z3 A3 x1 z1 z2 x3 x2 O Đế cố định A1 x0 y0 A2 x1 Hình 2.1. Cấu trúc chấp hành song song RPS a) Quan hệ về hình học và các hệ toạ độ b) Tính toán các phần tử của hệ thức 13 2.1.2. Bài toán động học thuận 2.1.3. Bài toán động học ngược 2.2. Tính toán các chỉ số hoạt động robot . Tính toán vị trí cho robot song song RPS cụ thể a) Bài toán động học thuận. b) Bài toán động học ngược 2.3. Giới Thiệu rduino N NO Hình 2.4. Arduino NANO Arduino hiện nay đã đƣợc biết đến một cách rộng rãi tại Việt Nam, và trên thế giới thì nó đã quá phổ biến! Sức mạnh của chúng ngày càng đƣợc chứng tỏ theo thời gian với vô vàn các ứng dụng mở (open source) độc đáo đƣợc chia sẻ rộng rãi. CHƢƠNG 3 THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG RPS 3.1. Thiết Kế Hệ Thống Cơ Khí 3.1.1. Chọn phương án sơ đồ động để thiết kế robot RPS Trong phạm vi của luận án này, ta chọn sơ đồ động học nhƣ hình 3.1 để thiết kế. Đây là sơ đồ giống với nguyên bản ban đầu của Robot RPS 14 Hình 3.1. Sơ đồ động học của Robot RPS - Dùng phần mềm Pro-engineer ta vẽ đƣợc sơ đồ kết cấu 3D của Robot song song RPS Hình 3.2. Sơ đồ kết cấu của Robot RPS 3.1.2. Thông số cơ bản của Robot RPS 15 y1 x1 B1 z1 B2 O1 k1 B3 k2 y s22 z x s11 s12 A1 s21 A2 k3 O s32 A3 s31 Hình 3.3. Thông số cơ bản của Robot RPS Khớp Chú thích A1, A2, A3 Khớp quay Khớp bị động 2 A1B1, A2B2, Khớp tịnh tiến Khớp chủ A3,B3 động 3 B1, B2, B3 Khớp cầu Khớp bị động 3.1.3. Phạm vi hoạt động của Robot Bảng thông số hình học của Robot RPS Thông Số giá trị No. 1 Vị trí Hành trình mỗi piston 150 mm Chiều cao thấp nhất của Robot 280mm Chiều cao cao nhất của Robot 430mm 16 Góc làm việc của khớp cầu ± 200 Mục tiêu thiết kế góc nghiên ban đầu 120 3.1.4. Bài toán động học 3.1.5. Lựa Chọn Các Thành phần cơ khí - Trục piston hành trình có tín hiệu output : Hình 3.23. Trục piston hành trình 17 - Khớp cầu: đƣợc làm bằng vật liệu sắt Hình 3.24. Khớp cầu - Tấm đế phẳng cố định: đƣợc làm bằng vật liệu sắt Hình 3.25. Tấm đế cố định 18 - Tấm xoay: đƣợc làm bằng vật liệu nhựa cứng Hình 3.26. Tấm di động 3.2. Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển 3 2 1 ơ đồ khối m hình điều khiển Hình . 7. Sơ đồ khối m hình điều khi n.