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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ NGỌC SƠN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG RPS Chuyên ngành : Kỹ thuật cơ điện tử Mã số : 8520114 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. LƢU ĐỨC BÌNH Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn VÕ NGỌC SƠN MỤC MỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC MỤC TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ......................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................................1 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................1 4. Phƣơng pháp nghiên cứu.......................................................................................... 2 5. Ý nghĩa khoa học thực tiễn ......................................................................................2 6. Cấu trúc luận văn .....................................................................................................2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................4 1.1. Tổng quan cơ bản Robot có cấu trúc song song ...................................................4 1.1.1. Robot có cấu trúc song song ...........................................................................4 1.1.2. Phân loại chung về Robot ...............................................................................5 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc thuộc lĩnh vực đề tài ........7 1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu của thế giới về robot song song ..................7 1.2.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nƣớc về robot song song .................13 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG ....................17 2.1. Lý thuyết về phân tích động học .........................................................................17 2.1.1. Các phƣơng trình liên kết cho Robot song song RPS tổng quát ..................17 2.1.2. Bài toán động học thuận ...............................................................................21 2.1.3. Bài toán động học ngƣợc ..............................................................................21 2.2. Tính toán các chỉ số hoạt động robot ..................................................................22 2.3. Giới Thiệu Arduino NANO ................................................................................25 CHƢƠNG 3. 29THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG RPS ............................................29 3.1. Thiết Kế Hệ Thống Cơ Khí .................................................................................29 3.1.1. Chọn phƣơng án sơ đồ động để thiết kế robot RPS......................................29 3.1.2. Thông số cơ bản của Robot RPS ..................................................................30 3.1.3. Phạm vi hoạt động của Robot .......................................................................31 3.1.4. Bài toán động học ......................................................................................... 31 3.1.5. Lựa Chọn Các Thành phần cơ khí ................................................................ 44 3.2. Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển ..........................................................................47 3.2.1.Sơ đồ khối m hình điều khiển ......................................................................47 3.2.2. Mach hiển thị LCD I2C ................................................................................48 3.2.3. Mạch cấp nguồn cho hệ thống ......................................................................49 3.2.4. Mạch điều khiển: .......................................................................................... 50 3.2.5. Mạch điều khiển động cơ Cylinder............................................................... 51 3.2.6. Tạo giao diện điều khiển GUI ......................................................................52 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ CHẾ TẠO ROBOT .............................................................. 56 4.1. Kết quả mô hình Robot sau khi chế tạo xong ..................................................... 56 4.2. Giao Diện Điều Khiển Sau Khi Hoàn Thành...................................................... 57 KẾT LUẬN CHUNG ....................................................................................................58 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 59 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 60 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT SONG SONG RPS Học viên: Võ Ngọc Sơn Mã số: 8.52.01.14 Khóa: K32 Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện Tử Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Robot song song RPS đang đƣợc phát triển và ứng dụng rộng rãi tại các nhà máy trên toàn tế giới vì nó có nhiều ƣu điểm hơn so với mô hình robot nối tiếp nhƣ khả năng chịu tải trọng lớn, độ cứng vững cao, độ chính xác cao. Tuy nhiên, Robot song song vẫn tồn tại một số nhƣợc điểm nhƣ vùng làm việc bị hạn chế,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. Trong đề tài này, 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 sử dụng trong phân tích vùng làm việc, các điểm kỳ dị cũng nhƣ các chỉ số hoạt động robot. Từ việc lựa chọn các thành phần cơ khí, tác giả đã thiết kế và chế tạo Robot song song RPS. Các phân tích về các bài toán động học và hệ thống điều kiển cũng đƣợc giới thiệu trong luận văn. Tác giả đã tóm tắt các kết quả đã đạt đƣợc và đƣa ra các hƣớng phát triển tiếp theo. DESIGN AND MANUFACTURE PARALLEL ROBOT RPS Abstract - RPS parallel robots are being developed and widely used in factories around the world as it has many advantages over serial robot models such as large load capacity, high stiffness,excellent accuracy. However, parallel robots still have some disadvantages such as limited workspace, complex dynamics and complex dynamics, there are many singular points in the work area, so the control becomes more complex. In this topic, the author conducts the study of RPS parallel robot model, dynamic kinematics analysis, reverse robot robot. Analytical results are used in work area analysis, singularities as well as robot performance indicators. From the selection of mechanical components, the author has designed and manufactured the parallel robot RPS. Analyzes of dynamical problems and control systems are also presented in the dissertation. The achieved results are summarized and perspective of the work is provided. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT RPS R – Revolute, P – Prismatic; R : Revolute khớp quay P : Prismatic khớp tịnh tiến S : Spherical khớp cầu S – Spherical DANH MỤC CÁC HÌNH Số Tên hình hiệu 1.1. Tay máy song song đƣợc Eric Gough hoàn thiện và chế tạo tại hãng Dunlop Rubber Trang 8 1.2. Thiết bị m phỏng bay 8 1.3. Robot Delta 9 1.4. Thiết bị gia c ng hexapod 10 1.5. Thiết bị Surgiscope 11 1.6. Robot hàn đang làm việc trong nhà máy 11 1.7. Robot Inrotech 12 1.8. Sử dụng thử nghiệm robot VNR-T1 trong đào tạo. Ảnh. V. Đức 14 1.9. Hệ thống robot khi hoàn thành 14 1.10. Robot SM6 chuẩn bị tích hợp trong quy trình hàn ghép tại tại Xí nghiệp 197 15 1.11. Robot song song 6 chân 15 1.12. M hình một số tay máy th ng dụng 16 2.1. Cấu trúc chấp hành song song RPS 17 2.2. Hệ toạ độ cố định Oxyz 19 2.3. Cấu trúc chấp hành song song RPS 22 2.4. Arduino NANO 25 3.1. Sơ đồ động học của Robot RPS 29 3.2. Sơ đồ kết cấu của Robot RPS 30 3.3. Th ng số cơ bản của Robot RPS 30 3.4. Tọa độ điểm O1 – tâm của tấm di động 35 3.5. Góc quay của tấm di động 35 3.6. Hành trình chuyển động của các piston 36 3.7. Góc nghiên của các piston 36 3.8. Vận tốc chuyển động tịnh tiến của các piston 37 3.9. Tọa độ điểm O1 – tâm của tấm di động 37 3.10. Góc quay quanh trục x của tấm di động 38 3.11. Hành trình chuyển động của các piston 38 Số Tên hình hiệu Trang 3.12. Góc nghiên của các piston 39 3.13. Vận tốc chuyển động tịnh tiến của các piston 39 3.14. Tọa độ điểm O1 – tâm của tấm di động 40 3.15. Góc quay quanh trục x và y của tấm di động 40 3.16. Hành trình chuyển động của các piston 41 3.17. Góc nghiên của các piston 41 3.18. Vận tốc chuyển động tịnh tiến của các piston 42 3.19. Góc quay quanh trục x và y của tấm di động 43 3.20. Hành trình chuyển động của các piston 43 3.21. Góc nghiên của các piston 44 3.22. Vận tốc chuyển động tịnh tiến của các piston 44 3.23. Trục piston hành trình 45 3.24. Khớp cầu 46 3.25. Tấm đế cố định 46 3.26. Tấm di động 47 3.27. Sơ đồ khối m hình điều khiển. 47 3.28. Sơ đồ nguyên lý mạch điện hệ thống 48 3.29. Module I2C 48 3.30. Khối cấp nuồn 49 3.31. IC LM750 50 3.32. Mạch điều khiển 51 3.33. Khối điều khiển động cơ 51 3.34. Khởi động GUI 52 3.35. diện GUI 53 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 m 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 c ng 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 m hình robot song song RPS, phân tích động học thuận, động học ngƣợc robot. Kết quả phân tích đƣợc 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. 2 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  Lý do chọn đề tài  Mục tiêu  Đối tƣợng nghiên cứu  Phƣơng pháp nghiên cứu  Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG 1.1.Tổng quan cơ bản về robot song song RPS  1.1.1 Robot có cấu trúc song song  1.1.2 Phân loại chung về Robot 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  1.2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nƣớc về robot song song CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG 2.1 Lý thuyết về phân tích động học :  2.1.1 Các phƣơng trình liên kết cho Robot song song RPS tổng quát  2.1.2 Bài toán động học thuận  2.1.3 Bài toán động học ngƣợc 2.2. Tính toán các chỉ số hoạt động robot  2.2.1 Tính toán vị trí cho robot song song RPS cụ thể 2.3 Giới Thiệu Arduino NANO CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT 3.1. Thiết Kế Hệ Thống Cơ Khí:  3.1.1. Chọn phƣơng án sơ đồ động để thiết kế robot RPS  3.1.2. Thông số cơ bản của Robot RPS 3  3.1.3 Phạm vi hoạt động của Robot  3.1.4 Bài toán động học  3.1.5. Lựa chọn các thành phần cơ khí 3.2.Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển :  3.2.2. Mach hiển thị LCD I2C  3.2.1.Sơ đồ khối m hình điều khiển  3.2.3. Mạch cấp nguồn cho hệ thống  3.2.4. Mạch điều khiển  3.2.5 Mạch điều khiển động cơ Cylinder  3.2.6 Tạo giao diện điều khiển GUI CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ CHẾ TẠO ROBOT 4.1 Kết quả mô hình Robot sau khi chế tạo xong 4.2 Giao diện điều khiển sau khi hoàn thành KẾT LUẬN 4 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 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 đƣợc 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 ng 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. Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động đƣợc nối với giá cố định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân. thƣờng số chân bằng số bậc tự do, đƣợc điều khiển bằng nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc ngay trên chân. Chính lý do này mà các Robot song song đ i khi còn gọi là các Robot có bệ. Do tính ƣu việt của Robot song song nên ngày càng thu hút đƣợc nhiều nhà khoa học nghiên cứu đồng thời cũng đƣợc 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 c ng cơ khí chính xác, máy c ng cụ CNC. + Ngành Bƣu chính viễn th ng: 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 đƣợc dùng làm bệ đỡ ổn định đƣợc 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 ƣu điểm và có thể đƣợc 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…  Ƣu điểm: - Khả năng chịu đƣợc tải cao: Các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên khối lƣợng của các thành phần cũng nhỏ hơn. - Độ cứng vững cao do kế cấu hình học của chúng. 5 - Tất cả các lực tác động đồng thời đƣợc 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 đƣợc 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 thƣớc khác nhau. - Đơn giản hoá các cơ cấu máy và giảm số lƣợng phần tử do các chân và khớp nối đƣợc 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 lƣợng và kích thƣớc 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 nhƣ: 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 m i trƣờng sản xuất. Chúng có thể làm việc ngay cả khi trên thuyền và treo trên trần, tƣờng… - Giá thành của các Robot song song ứng dụng trong gia c ng Cơ khí ít hơn so với máy CNC có tính năng tƣơng đƣơng.  Nhƣợc điểm: Tuy nhiên các Robot song song cũng có nhƣợc điểm nhất định khi so sánh với các Robot chuỗi nhƣ: - 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. 1.1.2. 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 c ng, các đặt tinh chuyển động. a) Phân loại theo số bậc tự do Sơ đồ phân loại Robot thƣờng dùng là theo số bậc tự do. Một cách lý tƣởng cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để sử lý đối tƣợng 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 dƣ có thêm một bậc tự do dể di chuyển qua các hƣớng chƣớng ngại vật hoặc trong không gian hẹp. Mặt khác, đối với một số ứng 6 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 đƣợc 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 đƣợc dùng cho Robot. Hầu hết các cơ cấu chấp hành đều sử dụng động cơ bƣớc hoặc động cơ trợ động DC, do chúng tƣơng đối dễ điều khiển. Tuy nhiên khi cần tốc độ cao và khả năng mang tải cao, thƣờng dùng chuyển động thuỷ lực hoặc khí nén có tính linh hoạt khá cao. Mặc dù truyền động khí nén sạch và nhanh nhƣng khó điều khiển do không khí là chất khí nén đƣợc. Trong cơ cấu nối tiếp, nói chung một bộ tác động đƣợc dùng để điều khiển chuyển động của từng khớp. Nếu từng khâu chuyển động đƣợc truyền động bằng một bộ tác động lắp trên khâu trƣớc đó th ng 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 ƣớc. Mặt khác, nếu mỗi khớp đƣợc truyền động trực tiếp bằng bộ tác động không có hộp giảm tốc, cơ cấu đó đƣợc 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 đƣợc vấn đề bánh răng và có thể tăng tốc độ cho cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên, các động cơ truyền động trực tiếp tƣơng đối lớn và nặng. Do đó chúng thƣờng đƣợc dùng để truyền động khớp thứ nhất của cơ cấu chấp hành, động cơ đƣợc láp đặt ở đế. Nói chung động cơ cũng có thể đƣợc lắp đặt ở đế để truyền động khớp thứ hai hoặc khớp thứ ba th ng 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 đƣợc xác định là thể tích không gian đầu tác động có thể với tới. Nói chung, thƣờng sử dụng hai định nghĩa về không 7 gian làm việc. Thứ nhất là không gian có thể với tới, thể tích kh ng 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 kh ng 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 kh ng phải điều kiện cần, nhƣng nhiều cơ cấu chấp hành nối tiếp đƣợc thiết kế với 3 khâu đầu dài hơn các khâu còn lại, do đó 3 khâu này đƣợc dùng chủ yếu để thao tác vị trí, các khâu còn lại đƣợc dùng để điều khiển hƣớng của đầu tác dụng. Vì lí do đó 3 khâu đầu đƣợc gọi là cánh tay, các khâu còn lại đƣợc gọi là cổ tay. Trừ các cơ cấu chấp hành có bậc tự do lớn hơn là 6, cánh tay thƣờng có 3 bậc tự do, cổ tay có 1-3 bậc tự do. Hơn nữa, bộ cổ tay thƣờng đƣợc 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, đƣợc gọi là vùng không gian làm việc. Không gian do nhà sản xuất Robot cung cấp thƣờng đƣợc xác định theo không gian làm việc. Tay máy đƣợc gọi là Robot trụ nếu khớp thứ nhất hoặc khớp thứ hai của Robot Cartersian (Hình 1.12e) đƣợc thay thế bằng khớp quay. Tay máy đƣợc là Robot cầu nếu hai khớp đầu là khớp quay khác nhau và khớp thứ 3 là khớp lăng trụ (Hình 1.12a). 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 kh ng gian làm việc của Robot cầu đƣợc giới hạn theo hai khối cầu đồng tâm. Tay máy đƣợc gọi là Robot quay nếu cả 3 khớp đều là khớp quay. Không gian làm việc của Robot này rất phức tạp thƣờng có tiết diện hình xuyến. Nhiều Robot công nghiệp là loại Robot quay (Hình 1.12c). 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) 8 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, c ng 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 - 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). 9 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. 10 Hình 1.4. Thiết bị gia công hexapod - Dự án Cubic Hexapod hợp tác giữa Đại học Washington và Tập đoàn c ng 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). 11 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 kh ng 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 t Peugeot-Citroën - 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. Hình 1.6. Robot hàn đang làm việc trong nhà máy