Tài liệu Tính toán động học, động lực học và thiết kế chế tạo mô hình robot song song Delta Rostock

  • Số trang: 102 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 183 |
  • Lượt tải: 1
anhnguyen504008

Tham gia: 10/04/2017

Mô tả:

Tổng quan về robot song song. Tính toán thiết kế chế tạo cơ khí robot song song delta rostock. Thiết kế chế tạo mạch điều khiển robot. Tính toán động học ngược robot song song delta rostock. Tính toán động lực học ngược robot song song delta rostock.
MỤC LỤC Trang MỤC LỤC ................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................v HỆ THỐNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ............................................................... vi HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................. vi HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................... vi MỞ ĐẦU ................................................................................................................ - 1 Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG ......................................... - 3 1.1 Lịch sử phát triển của robot song song ............................................................ - 3 1.2 Ƣu nhƣợc điểm của robot song song so với robot chuỗi ................................. - 4 1.2.1 Ƣu điểm ......................................................................................................... - 4 1.2.2 Nhƣợc điểm ................................................................................................... - 4 1.3 Ứng dụng của robot song song ....................................................................... - 4 1.3.1 Ứng dụng trong công nghiệp......................................................................... - 4 1.3.2 Ứng dụng trong mô phỏng ............................................................................ - 6 1.3.3 Ứng dụng trong y tế ...................................................................................... - 7 1.4 Các hƣớng nghiên cứu mở rộng về robot song song ....................................... - 8 1.5 Tình hình nghiên cứu robot song song tại Việt Nam ....................................... - 9 1.6 Nghiên cứu robot song song ở Trƣờng Đại học Kinh doanh và Công nghệ Hà Nội và Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội .......................................................... - 11 Chƣơng 2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO CƠ KHÍ ROBOT .................... - 12 SONG SONG DELTA ROSTOCK ..................................................................... - 12 2.1 Đặt vấn đề ...................................................................................................... - 12 2.1.1 Robot song song Delta dạng 3RRR ............................................................ - 12 2.1.2 Robot song song Delta dạng 3PRS ............................................................. - 12 2.2 Phân tích và lựa chọn kết cấu ......................................................................... - 14 2.2.1 Yêu cầu chung ............................................................................................. - 14 2.2.2 Phƣơng án thiết kế....................................................................................... - 14 -i- 2.2.3 Yêu cầu đặt ra của đề tài ............................................................................. - 15 2.3 Tính toán và lựa chọn bộ truyền động cho robot ........................................... - 15 2.3.1 Tính toán lựa chọn động cơ......................................................................... - 15 2.3.2 Lựa chọn bộ truyền cho robot ..................................................................... - 17 2.4 Thiết kế cụm chi tiết ....................................................................................... - 17 2.4.1 Thiết kế khung máy ..................................................................................... - 17 2.4.2Thiết kế bộ truyền động tịnh tiến ................................................................. - 19 2.4.3 Thiết kế khâu hình bình hành ...................................................................... - 20 2.4.4 Thiết kế cụm giá di động ............................................................................. - 20 2.5 Chế tạo cơ khí robot ....................................................................................... - 21 2.6 Các thông số kích thƣớc sau khi thiết kế chế tạo ........................................... - 23 Chƣơng 3. THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN ROBOT .................... - 25 3.1 Đặt vấn đề ...................................................................................................... - 25 3.2 Nguyên lý điều khiển động cơ bƣớc .............................................................. - 26 3.3 Thiết kế hệ điều khiển .................................................................................... - 30 3.3.1 Nguồn điện .................................................................................................. - 30 3.3.2 Modun điều khiển ....................................................................................... - 31 3.3.3 Thiết kế mạch trên Orcad ............................................................................ - 36 Chƣơng 4. TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC NGƢỢC ROBOT SONG SONG DELTA ROSTOCK ........................................................................................................... - 46 4.1 Kết cấu động học robot song song Delta Rostock ......................................... - 46 4.1.1 Mô hình robot song song Delta Rostock ..................................................... - 46 4.1.2 Xác định số bậc tự do .................................................................................. - 47 4.1.3 Các kích thƣớc từ mô hình Robot ............................................................... - 47 4.2 Xây dựng mô hình cơ học gần đúng cho robot .............................................. - 48 4.2.1 Chọn hệ tọa độ khảo sát .............................................................................. - 48 4.2.2 Chọn các tọa độ suy rộng ............................................................................ - 50 4.3 Thiết lập phƣơng trình liên kết ....................................................................... - 50 4.4 Tính vận tốc các khối tâm và vận tốc góc các khâu ....................................... - 52 - -ii- 4.4.1 Vận tốc các khối tâm ................................................................................... - 52 4.4.2 Tính toán vận tốc góc các khâu ................................................................... - 54 4.5 Bài toán động học ngƣợc ............................................................................... - 56 4.6 Mô phỏng số bài toán động học robot song song Delta Rostock................... - 61 4.6.1 Kết quả bài toán động học ngƣợc................................................................ - 62 4.6.2 Mô phỏng đối với các khối tâm và vận tốc góc, gia tốc góc các khâu ....... - 69 4.7 Mô phỏng robot vẽ đƣờng tròn ...................................................................... - 76 4.7.1 Sơ đồ mô phỏng .......................................................................................... - 76 4.7.2 Xây dựng mô hình ....................................................................................... - 76 4.7.3 Kết quả mô phỏng ....................................................................................... - 77 Chƣơng 5. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC NGƢỢC ROBOT ......................... - 78 SONG SONG DELTA ROSTOCK ..................................................................... - 78 5.1 Thiết lập phƣơng trình động lực học .............................................................. - 78 5.1.1 Thiết lập phƣơng trình vi phân chuyển động của chân A1 trong hệ tọa độ cố định Ox1ay1az1a gắn với chân A (Hệ tọa độ (A1)) ................................................. - 79 5.1.2 Thiết lập phƣơng trình vi phân chuyển động của bàn máy động ................ - 85 5.2 Thí dụ mô phỏng bài toán động lực học ngƣợc ............................................. - 85 KẾT LUẬN .......................................................................................................... - 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... - 90 PHỤ LỤC ............................................................................................................. - 93 - -iii- LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Mai Trọng Dũng, học viên cao học khóa 2012B.CĐT.KH chuyên ngành Cơ Điện Tử. Sau gần 2 năm học tập, nghiên cứu tại trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, đƣợc sự giúp đỡ của các thầy cô giáo, đặc biệt là GS.TSKH. Nguyễn Văn Khang, tôi đã hoàn thành xong luận văn tốt nghiệp thạc sĩ. Với đề tài luận văn là: "Tính toán động học, động lực học và thiết kế chế tạo mô hình robot song song Delta Rostock", tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dƣới sự hƣớng dẫn của GS. TSKH. Nguyễn Văn Khang và chỉ tham khảo các tài liệu đƣợc liệt kê. Tôi không sao chép công trình của cá nhân khác dƣới bất kỳ hình thức nào. Nếu có, tôi xin hoàn thành chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày 29 tháng 3 năm 2015 Ngƣời cam đoan Mai Trọng Dũng -iv- LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình thực hiện đề tài "Tính toán động học, động lực học và thiết kế chế tạo mô hình robot song song Delta Rostock", em đã đạt đƣợc một số kết quả nhất định: Nghiên cứu các loại robot song song, tính toán động học, động lực học robot, các phƣơng thức lập trình, điều khiển hoạt động robot, cũng nhƣ hiểu thêm về cách thiết kế, chế tạo cơ khí robot. Em xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của GS. TSKH. Nguyễn Văn Khang và các thầy trong bộ môn Cơ học ứng dụng, Viện Cơ khí đã tạo điều kiện để em hoàn thành đề tài này. Tuy nhiên, với kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên luận văn không thể tránh đƣợc những thiết sót và chƣa thể hoàn thiện một cách hoàn hảo nhƣ mong đợi. Kính mong quý thầy cô đóng góp những ý kiến để đề tài đƣợc hoàn thành tốt hơn. Hà Nội, ngày 29 tháng 3 năm 2015 Tác giả luận văn Mai Trọng Dũng -v- HỆ THỐNG KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VSS: Nguồn cung cấp Vdd: Nguồn cung cấp (+3V ~ +5V) V0: Điều chỉnh độ tương phản RS: Lựa chọn thanh ghi R/W: Đọc và ghi HỆ THỐNG DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 . Bảng danh sách các chi tiết chế tạo Bảng 2. Bảng thông số kích thước robot Bảng 3. Bảng thông số động học HỆ THỐNG DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Robot song song của Stewart Hình 1.2 Tấm dịch chuyển Gough Hình 1.3 Robot Delta ứng dụng trong công nghệ thực phẩm Hình 1.4 Tấm dịch chuyển Stewart Hình 1.5 Sản phẩm Persival của École Nationale dE1quitation (Pháp) Hình 1.6 Bộ mô phỏng xe đạp của KAIST và sản phẩm Caren của Motek Hình 1.7 SurgiScope đang vận hành, Đại học Humboldt (Berlin, Đức) Hình 1.8 Robot CRIGOS dùng để phẫu thuật tái tạo xương Hình 1.9 Mô hình thiết bị đồ gá và thiết bị thực tế tại Viện Cơ học Hình 1.10 Sơ đồ khối bộ điều khiển Robot song song Hình 2.1 Robot song song Delta 3RRR Hình 2.2 Robot song song Delta 3PRS Hình 2.3 Mô hình robot song song Delta Rostock Hình 2.4 Vị trí phân tích lực Hình 2.5 Giá cố định Hình 2.6 Gân tăng cứng -vi- Hình 2.7 Bàn máy cố định Hình 2.8 Trục cố định Hình 2.9 Bộ bạc trượt Hình 2.10 Bộ căng đai Hình 2.11 Khâu hình bình hành Hình 2.12Giá di động Hình 2.13 Bút viết Hình 2.14Mô hình robot sau khi chế tạo Hình 3.1 Động cơ bước của SANYO DENKI Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý tổng quát Hình 3.3 Hình ảnh nguyên lý cấu tạo động cơ bước Hình 3.4 Giản đồ phương pháp điều khiển full-step Hình 3.5 Giản đồ phương pháp điều khiển half-step Hình 3.6 Nguồn sử dụng chạy động cơ Hình 3.7 Nguồn sử dụng cho mạch Main Hình 3.8 Vi điều khiển ATmega 128 Hình 3.9 Sơ đồ chức năng ATmega128 Hình 3.10Mạch chip ATmega128 Hình 3.11 Các phím chức năng Hình 3.12 Màn hình LCD Hình 3.13 Sơ đồ chân của LCD Hình 3.14 LCD thiết kế trên Orcad Hình 3.15 Jam cắm mở rộng thiết kế trên Orcad Hình 3.16 Nguồn cấp cho vi điều khiển Hình 3.17IC công suất L298N Hình 3.18 Sơ đồ khối L298 Hình 3.19 Dùng L298 để điều khiển 2 động cơ 1 chiều Hình 3.20 Dùng L298 để điều khiển 1 động cơ bước 4 dây. Hình 3.21 Sơ đồ chân L298 -vii- Hình 3.22 Ảnh chụp L297 Hình 3.23 Mạch công suất điều khiển động cơ bước Hình 3.24 Chế độ HALF STEP của L297 Hình 3.25 Chế độ Normal của L297 Hình 3.26 Chế độ sóng của L297 Hình 3.27 Hình ảnh Mạch công suất Hình 3.28Hình ảnh mạch công suất hoàn chỉnh Hình 3.29 Mạch Main hoàn chỉnh Hình 3.30Mạch Main hoàn chỉnh Hình 4.1 Robot song song Delta Rostock ba bậc tự do trong không gian Hình 4.2Mô hình cơ học Hình 4.3 Sơ đồ khảo sát hệ tọa độ gắn vào chân A1 Hình 4.4 Khớp Cardan có 2 trục vuông góc Hình 4.5 Tọa độ suy rộng khớp chủ động (m) Hình 4.6 Tọa độ suy rộng khớp bị động θ1 ,θ 2 ,θ 3 (rad) Hình 4.7 Tọa độ suy rộng khớp bị động γ1 , γ 2 , γ 3 (rad) Hình 4.8 Vận tốc suy rộng các khớp chủ động (m/s) Hình 4.9 Vận tốc suy rộng các khớp bị động θ&1 ,θ&2 ,θ&3 (rad/s) Hình 4.10 Vận tốc suy rộng các khớp bị động γ&1 , γ&2 , γ&3 (rad/s) Hình 4.11 Gia tốc suy rộng các khớp chủ động (m/s2) 2 & && && & Hình 4.12 Gia tốc suy rộng các khớp bị động θ 1 ,θ 2 ,θ3 (m/s ) 2 & && & γ& Hình 4.13 Gia tốc suy rộng các khớp bị động & 1 , γ 2 , γ 3 (m/s ) Hình 4.14 Sai số vị trí của tâm bàn máy động theo trục X(m) Hình 4.15 Sai số vị trí của tâm bàn máy động theo trục Y(m) Hình 4.16 Sai số vị trí của tâm bàn máy động theo trục Hình 4.17 Sai số vận tốc của tâm bàn máy động (m/s) Hình 4.18 Sai số gia tốc của tâm bàn máy động (m/s2) Hình 4.19Tọa độ khối tâm C1c của chân A1 (m) -viii- Hình 4.20Tọa độ khối tâm C2c của chân A2 (m) Hình 4.21 Tọa độ khối tâm C3c của chân A3 (m) Hình 4.22 Quỹ đạo các tâm C1, C2, C3 trong không gian Hình 4.23 Vận tốc tâm C1 của chân A1 (m/s) Hình 4.24 Vận tốc tâm C2 của chân A2 (m/s) Hình 4.25 Vận tốc tâm C3 của chân A3 (m/s) Hình 4.26 Vận tốc góc của chân 1c (rad/s) Hình 4.27 Vận tốc góc của chân 2c (rad/s) Hình 4.28 Vận tốc góc của chân 3c (rad/s) Hình 4.29 Gia tốc góc của chân 1c (rad/s2) Hình 4.30 Gia tốc góc của chân 2c (rad/s2) Hình 4.31 Gia tốc góc của chân 3c (rad/s2) Hình 4.32 Mô hình robot trên phần mềm mô phỏng Hình 4.33 Hình ảnh mô phỏng robot Hình 5.1 Chân A1 và bàn máy động Hình 5.2 Đồ thị lực dẫn động các khớp chủ động Hình 5.3 Đồ thị các phản lực liên kết của chân A1 Hình 5.4 Đồ thị các phản lực liên kết tại chân A2 Hình 5.5 Đồ thị các phản lực liên kết tại chân A3 -ix- MỞ ĐẦU I. ĐẶT VẤN ĐỀ Thế kỷ21 chứng kiến sự phát triển vƣợt bậc của nhân loại cả về khoa học kỹ thuật lẫn kinh tế. Ngày nay, Robot không còn là cái gì đó quá xa lạ với mọi ngƣời. Chúng là sự kết tinh những thành tựu to lớn về khoa học kỹ thuật của nhân loại. Robot đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, y tế, nghiên cứu khoa học, giải trí, phục vụ đời sống con ngƣời. Trong các họ robot, chúng ta không thể không nhắc tới robot song song với những đặc thù riêng mà các loại robot khác không có. Robot song song có nhiều ƣu điểm về độ cứng vững, độ chính xác cũng nhƣ khả năng ứng dụng trong thực tế và cho đến nay nó đã dần khẳng định vai trò quan trọng không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực dân sự và quân sự, thu hút đƣợc rất nhiều sự đầu tƣ nghiên cứu của các nhà khoa học, doanh nghiệp. Do đó em đã chọn đề tài : “Tính toán động học, động lực học và thiết kế chế tạo mô hình robot song song Delta Rostock” làm luận văn tốt nghiệp. II. MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN - Tính toán thiết kế và chế tạo mô hình robot song song Delta Rostock - Thiết kế chế tạo mạch điện tử và lập trình điều khiển robot - Tính toán động học, động lực học và mô phỏng chuyển động robot - Tạo tiền đề cho việc áp dụng robot song song vào các lĩnh vực nhƣ máy in 3D, máy gia công, robot lắp đặt sản phẩm III. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA LUẬN VĂN Luận văn nghiên cứu và chế tạo mô hình robot song song . Các kết quả nghiên cứu về động học ngƣợc robot, động lực học ngƣợc robot sẽ bổ sung vào một phần lý thuyết về robot song song IV. Ý NGHĨA THỰC TIỄN Nội dung nghiên cứu của đề tài có ý nghĩa thực tiễn cao đối với con ngƣời trong xã hội hiện đại ngày nay. Trong lĩnh vực y tế, robot có độ chính xác cao đảm bảo -1- khả năng thao tác trong các nhiệm vụ nhƣ phẫu thuật. Trong lĩnh vực công nghiệp, robot song song có thể thao tác nhanh với gia tốc lớn đảm bảo trong qúa trình lắp đặt sản phẩm. Robot song song ứng dụng trong máy in 3D là một sản phẩm đã và đang ứng dụng rất nhiều trong đời sống. Ngoài ra, sử dụng robot song song trong mô phỏng là một lĩnh vực đang đƣợc nhiều doanh nghiệp, viện nghiên cứu quan tâm. V. NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN Luận văn đƣợc trình bày cụ thể các vấn đề nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về robot song song Sơ lƣợc về lịch sử phát triển của robot song song, phân loại robot song song và ứng dụng của robot song song, qua đó đƣa ra kết luận và định hƣớng nghiên cứu đề tài Chƣơng 2: Tính toán thiết kế chế tạo cơ khí robot song song Delta Rostock Chỉ ra đƣợc mô hình robot song song cần nghiên cứu của luận văn, các cơ sở lý thuyết và mô hình động học của robot, đƣa ra đƣợc phƣơng án thiết kế, chế tạo robot. Chƣơng 3: Thiết kế mạch điện tử điều khiển robot Chọn động cơ và phƣơng pháp điều khiển động cơ. Trên cơ sở đó thiết kế, lựa chọn mạch điều khiển phù hợp để điều khiển robot. Chƣơng 4: Tính toán động học ngƣợc robot song song Delta Rostock Chƣơng này trình bày bài toán động học ngƣợc robot. Chƣơng 5: Tính toán động lực học ngƣợc robot Delta Rostock Chƣơng này trình bày bài toán động lực học ngƣợc robot. -2- Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG 1.1 Lịch sử phát triển của robot song song Xuất phát từ nhu cầu và khảnăng linh hoạt trong sản xuất, các cơ cấu Robot cũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú. Thuật ngữ Robot bắt đầu xuất hiện từ năm 1920 trong tác phẩm Rossum’s universal Robots của nhà văn Czech, Karel Capek. Sau đó vài năm, những cơ cấu có cấu trúc nối tiếp dạng chuỗi hở đƣợc nghiên cứu nhằm thực hiện hoạt động giống nhƣ cánh tay ngƣời. Năm1962, Gough và Whitehall là những ngƣời đầu tiên đặt nền móng cho việc nghiên cứu Robot song song. Đó là loại Robot gồm các chuỗi động học kín, có thể đối xứng hoặc bất đối xứng. Đến năm 1965, Stewart là ngƣời bắt đầu nghiên cứu tới ứng dụng của Robot song song. Ông đã cho ra đời buồng tập lái máy bay dựa trên các cơ cấu có cấu trúc song song. Ngày nay, lĩnh vực Robot song song đã có các bƣớc phát triển mạnh mẽ đa dạng cấu trúc, độ linh hoạt cũng nhƣ không gian làm việc. Robot song song NUWAR có thể đạt tới gia tốc 600 (m/s2). Robot song song đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp, y tế, giáo dục,.. Hình 1.1 Robot song song của Stewart -3- 1.2 Ƣu nhƣợc điểm của robot song song so với robot chuỗi 1.2.1 Ƣu điểm - Có khả năng chịu tải cao. - Độ cững vững cao. - Có thể thực hiện đƣợc các thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính xác cao - Khả năng công nghệ đa dạng, từ việc lắp ráp các chi tiết nhỏ, nâng, gắp vật, tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp nhƣ gia công cơ: khoan , tiện, hàn… 1.2.2 Nhƣợc điểm - Khoảng không gian làm việc của Robot song song nhỏ hơn Robot dạng chuỗi nếu kích thƣớc hình học tƣơng đƣơng. - Việc giải các bài toán về động học, động lực học phức tạp hơn. - Có nhiều điểm suy biến( kỳ dị động học) trong không gian làm việc. 1.3 Ứng dụng của robot song song 1.3.1 Ứng dụng trong công nghiệp Vào năm 1947, Eric Gough [19] đã đƣa ra các nguyên lý cơ bản và phát triển thiết bị tên là “ Universal Tyre-Testing Machine” dùng để kiểm tra lốp xe cho hãng Dunloo. Thiết bị này chính thức đi vào vận hành năm 1955. Tấm dịch chuyển của thiết bị này có hình lục giác, mỗi góc nối với các khâu tác động tuyến tính bằng các khớp cầu. Đầu còn lại của các khâu tác động đƣợc nối với bệ bằng các khớp cardan. Các khâu có chiều dài thay đổi do cơ cấu dẫn động tịnh tiến. Thiết bị này vẫn sử dụng đến năm 2000. Hiện nay, thiết bị này đang đƣợc trƣng bày tại Viện bảo tàng khoa học Anh. Một loại robot khác đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp là robot Delta [20]. Robot song song Delta đƣợc sáng chế bởi Reymond Clavel vào đầu thập niên 1980 với ý tƣởng là dùng các hình bình hành để chế tạo robot song song có 3 bậc tự do chuyển động tịnh tiến và một bậc chuyển động quay. Robot Delta đã nhận đƣợc -4- 36 bằng phát minh, trong đó có những bằng sáng chế quan trọng nhƣ của WIPO (WO 87/03528 cấp này 18/06/1987), bằng sáng chế Hoa Kỳ (US 4,976,582 cấp ngày 11/12/1990) và bằng sáng chế châu Âu (EP 0 250 470 cấp ngày 17/07/1991). Robot Delta đƣợc dùng trong dây chuyền đóng gói thực phẩm, làm thiết bị nâng gắp… Hình 1.2 Tấm dịch chuyển Gough Hình 1.3 Robot Delta ứng dụng trong công nghệ thực phẩm -5- 1.3.2 Ứng dụng trong mô phỏng Vào năm 1965, Stewart đã đề xuất sử dụng cơ cấu song song để làm thiết bị mô phỏng bay École Nationale dE1quitation (Pháp) đã phát triển một thiết bị đƣợc đặt tên là Persival dùng để huấn luyện các nài ngựa.Sản phẩm này đã đƣợc thƣơng mại hóa. Hình 1.4 Tấm dịch chuyển Stewart Hình 1.5 Sản phẩm Persival của École Nationale dE1quitation (Pháp) -6- KAIST (Hàn Quốc) đã phát triển thiết bị mô phỏng xe đạp. Motek đã chế tạo Caren dùng để huấn luyện thể thao và phục hồi chức năng cho ngƣời bệnh và khuyết tật. Hình 1.6 Bộ mô phỏng xe đạp của KAIST và sản phẩm Caren của Motek 1.3.3 Ứng dụng trong y tế Công ty Elekta (Thụy Điển), một công ty chuyên về các trang thiết bị y tế đã dùng robot Delta để làm thiết bị nâng giữ kính hiển vi có khối lƣợng 20 kg dùng trong việc giải phẫu. Hình 1.7 SurgiScope đang vận hành, Đại học Humboldt (Berlin, Đức) -7- Một dự án của châu Âu chế tạo robot CRIGOS (viết tắt của chữ Compact Robot for Image Guided Orthopedic) sử dụng cơ cấu Gough-Stewart nhằm cung cấp cho các bác sĩ phẫu thuật với một công cụ hiệu suất cao cho phẫu thuật xƣơng. Hình 1.8 Robot CRIGOS dùng để phẫu thuật tái tạo xương 1.4 Các hƣớng nghiên cứu mở rộng về robot song song Ta nhận thấy một điều là có một số lƣợng lớn các nghiên cứu về động học và tĩnh học tay máy song song và các vấn đề này đã đƣợc giải quyết khá trọn vẹn. Tuy nhiên còn có ít nghiên cứu về động lực học và điều khiển, và cũng có ít bài báo về phân tích vùng làm việc và phân tích các cấu hình đặc biệt, chỉ giải quyết từng phần của vấn đề chứ chƣa hề có đƣợc sự phân tích trọn vẹn và hoàn chỉnh. Một vài vấn đề còn để mở trong lĩnh vực tay máy song song đang thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong thời gian sắp tới, bao gồm: - Về động lực học và điều khiển: nghiên cứu đáp ứng động lực học của tay máy thông qua việc mô phỏng và sử dụng các công cụ phân tích/số học, khám phá các khả năng của các chiến lƣợc điều khiển đặc biệt đem lại ƣu điểm cho cấu trúc -8- song song của tay máy và cải thiện các tác vụ, từ đó rút ra các kết quả liên quan đến việc quan sát và điều khiển. - Về vùng làm việc và cấu hình đặc biệt: việc mô tả vùng làm việc một cách chi tiết và dễ sử dụng, tìm hiểu tất cả các tính chất của các dạng cấu hình đặc biệt, nghiên cứu việc phân đoạn vùng làm việc bởi các dạng cấu hình đặc biệt, tổng hợp vùng làm việc của tay máy song song, và thiết lập các tiêu chuẩn cho các đƣờng đi không có cấu hình đặc biệt với một thế cho trƣớc. - Về thiết kế: tổng hợp động học tối ƣu của tay máy để thu đƣợc vùng làm việc có điều kiện tốt, phát triển các tay máy song song có bậc tự do thừa và tìm hiểu các đặc tính của nó, so sánh các tay máy song song không có bậc tự do thừa với các tay máy song song có bậc tự do thừa thông qua việc vận hành, ƣu điểm của từng loại. 1.5 Tình hình nghiên cứu robot song song tại Việt Nam Các tác giả Phạm Văn Bạch Ngọc, Vũ Thanh Quang, Đỗ Trần Thắng và Phạm Anh Tuấn tại phòng cơ điện tử, viện cơ học đã lựa chọn mô hình, mô phỏng động lực học và tính toán thiết kế để chế tạo một robot cơ cấu song song cụ thể (Hexapod) ứng dụng trong gia công cơ khí [9]. Các máy công cụ truyền thống sau khi thêm bộ đồ gá vạn năng có thể gia công đƣợc những chi tiết có bề mặt phức tạp mà trƣớc đây không thực hiện đƣợc. Nhóm tác giả cũng đã chế tạo thành công thiết bị này và thiết bị hiện đang đƣợc trƣng bày tại Viện Cơ học. Ƣu điểm nổi bật của loại robot này là bề mặt tấm đế di động của robot có thể chuyển động tự do linh hoạt, vì vậy việc tạo hình bề mặt đƣợc thực hiện dễ dàng hơn và đạt yêu cầu về độ chính xác cao hơn. Kết cấu động học của robot song song có độ cứng vững cao và chịu đƣợc tải trọng lớn mặc dù kích thƣớc robot nhỏ. Tầm hoạt động của robot 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... Ngoài ra, robot song song dễ dàng đƣợc lắp đặt ở các vị trí và các hƣớng khác nhau (trên thuyền và treo trên trần, tƣờng...). Điểm sáng tạo trong nghiên cứu là việc thiết kế, phát triển và tích hợp hoàn chỉnh một hệ điều khiển (phần cứng và phần mềm) cho Hexapod với 2 phần chính là: -9- Phần mềm SACR 1.0 (Simulation and Control of robot), dùng cho thiết kế quỹ đạo, mô phỏng và điều khiển robot. Đặc biệt, SACR đã đƣợc phát triển là hệ mở và tổng quát để có thể sử dụng cho các loại robot khác nhau. Bộ điều khiển vị trí đa trục có chức năng điều khiển phối hợp đồng thời sáu bộ truyền động cho 6 cơ cấu chấp hành của PR6-01. Hình 1.9 Mô hình thiết bị đồ gá và thiết bị thực tế tại Viện Cơ học Nhóm tác giả Nguyễn Minh Thạnh, Nguyễn Ngọc Lâm, Trần Công Tuấn và Nguyễn Công Mậu đã trình bày cách tiếp cận những cấu hình đặc biệt của tay máy song song bằng cách xem xét số bậc tự do của khâu ra và số lƣợng các chuỗi động học phụ liên kết với nền và khâu ra. Lý thuyết A.P. Kotelnikov cũng đã đƣợc dùng trong nhóm vít duy nhất biểu diễn những nhóm dịch chuyển để loại trừ dịch chuyển không-điều khiển của khâu ra. Phòng cơ điện tử (viện cơ học) đã đƣa ra một giải pháp hoàn chỉnh điều khiển robot cơ cấu song song, phân tích xử lý song song, xử lý phân tán và ứng dụng nguyên lý Hardware-in-the-Loop trong mô phỏng điều khiển. Các nhà nghiên cứu tại bộ môn Cơ Điện tử, Khoa Cơ khí, Đại học Bách Khoa Tp.HCM là Từ Diệp Công Thành và Đặng Văn Nghìn đã nghiên cứu và chế tạo bộ điều khiển cho robot song song. Do có cấu trúc khác với cấu trúc nối tiếp, nên nếu - 10 - dùng các phƣơng pháp điều khiển thông thƣờng thì tính đáp ứng của robot sẽ chậm. Nhóm tác giả đã chế tạo bộ điều khiển robot có 6 khâu động học độc lập kết hợp với giải thuật điều khiển song song để tăng tính đáp ứng và linh hoạt cho robot. Hình 1.10 Sơ đồ khối bộ điều khiển Robot song song Ngoài ra, cũng còn rất nhiều các nghiên cứu về tính toán, mô phỏng và chế tạo các mẫu Robot song song khác đƣợc tiến hành ở các trƣờng đại học và các viện nghiên cứu. 1.6 Nghiên cứu robot song song ở Trƣờng Đại học Kinh doanh và Công nghệ Hà Nội và Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội Các kỹ sƣ Mai Trọng Dũng, Phạm Công Dũng, Đào Anh Tùng – Khoa Cơ khí – Điện tử, Trƣờng Đại học Kinh doanh và Công nghệ Hà Nội đã nghiên cứu tính toán thiết kế chế tạo 3 mô hình robot song song: Robot song song Stewart, 2 loại robot song song Delta. Tại trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, nhóm nghiên cứu của Giáo sƣ Nguyễn Văn Khang [2, 6, 7, 26] đã nghiên cứu các phƣơng pháp tính toán động học, động lực học và điều khiển robot song song ( Robot song song Delta 3RRR, robot song song Delta 3PRS, robot Stewart…) - 11 -
- Xem thêm -