Tài liệu Tính toán trạng thái nội lực trong các khâu của robot song song trong chuyển động có kể đến ảnh hưởng của ngoại lực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ Tính toán trạng thái nội lực trong các khâu của robot song song trong chuyển động có kể đến ảnh hưởng của ngoại lực NGÔ THÁI SƠN [email protected] Ngành Kỹ thuật Cơ điện tử Giảng viên hướng dẫn: TS. Đỗ Đăng Khoa Khoa: Cơ điện tử Chữ ký của GVHD HÀ NỘI, 07/2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn : Ngô Thái Sơn. Đề tài luận văn: Tính toán trạng thái nội lực trong các khâu của robot song song trong chuyển động có kể đến ảnh hưởng của ngoại lực Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện tử. Mã số SV: CB190057. Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày….........................………… với các nội dung sau: - Sửa lại các lỗi chính tả, chế bản. - Bổ sung thêm nhận xét và giải thích các kết quả đạt được. - Phân tích thêm về các ngoại lực tác dụng lên robot. Ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Tên đề tài: Tính toán trạng thái nội lực trong các khâu của robot song song trong chuyển động có kể đến ảnh hưởng của ngoại lực Giáo viên hướng dẫn Ký và ghi rõ họ tên LỜI CẢM ƠN Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại khoa Cơ điện tử-Trường Cơ Khí Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đến nay tôi đã hoàn thành luận văn thạc sỹ của mình với nội dung “Tính toán trạng thái nội lực trong các khâu của robot song song trong chuyển động có kể đến ảnh hưởng của ngoại lực”. Luận văn này được hoàn thành nhờ sự giúp đỡ, tạo điều kiện của các thầy cô khoa Cơ Điện tử trường Cơ khí – Trường đại học Bách khoa Hà Nội. Tác giả xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt tới TS. Đỗ Đăng Khoa, người thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên và truyền cho tôi những kinh nghiệm quý báu trong thời gian học tập, nghiên cứu thực hiện đề tài Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô trong nhóm nghiên cứu Cơ học ứng dụng - khoa Cơ Điện tử - Trường Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội có những nhận xét tâm huyết, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn của mình. TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN So với robot dạng tay máy có cơ cấu dạng chuỗi hở, robot song song có cấu trúc động học phức tạp, khó khăn trong nghiên cứu, thiết kế và điều khiển nhưng có một số ưu điểm nổi trội như chịu được tải trọng lớn, độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng có thể phân bố đều tải trọng, có thể thực hiện những thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính xác cao.Vì vậy,việc ứng dụng các cơ cấu song song trong thực tế ngày càng trở nên phổ biến. Trong quá trình làm việc khi chịu tác dụng lực từ môi trường, trạng thái nội lực tại các liên kết khớp của rô bốt cũng như tại những vị trí cần đảm bảo độ cứng vững là một vấn đề đáng quan tâm khi thiết kế. Chính vì vậy việc đi sâu nghiên cứu trạng thái nội lực tại các khâu của robot song song rất có ý nghĩa trong thực tế . Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết với mục tiêu thiết lập hệ phương trình vi phân – đại số mô tả chuyển động của robot song song phằng 3RRR dựa trên phương trình Lagrange dạng nhân tử. Sau đó áp dụng các phương pháp số để thực hiện giải các hệ phương trình vi phân – đại số thiết lập được để khảo sát nội lực trong các khâu của robot được thể hiện dưới dạng các nhân tử Lagrange. Ý nghĩa khoa học Luận văn tập trung vào việc phân tích động lực học ngược cho robot song song phẳng để tìm quy luật của trạng thái nội lực trong các khâu của robot theo quy luật của bàn máy động dưới tác dụng của ngoại lực biến đổi từ môi trường, luận văn sẽ là tài liệu tham khảo ý nghĩa cho việc nghiên cứu, phân tích các đối tượng tương tự có cấu trúc mạch vòng kín. Các kết quả dự kiến đạt được - Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của robot song song theo phương pháp Lagrange nhân tử và phương pháp tách cấu trúc. - Áp dụng các phương pháp số khảo sát bài toán động học ngược, động lực học ngược, sử dụng phần mềm Matlab - Simulink tính toán trạng thái nội lực tại các khâu, lực liên kết khớp của robot trong quá trình làm việc. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................. xii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG PHẲNG.................. 1 1.1 Giới thiệu chung [4] ................................................................................... 1 1.2 Phân loại robot [4] ...................................................................................... 1 1.3 Phân loại robot dựa trên cấu trúc động học [3] [4] .................................... 1 1.4 1.5 1.3.1 Tay máy robot nối tiếp ................................................................ 2 1.3.2 Tay máy robot song song [3] [4] ................................................. 3 1.3.3 So sánh cấu trúc song song và tay máy chuỗi [3] [4] [7] [12] .... 4 1.3.4 Phân loại Robot song song .......................................................... 6 Một số ứng dụng của robot song song ....................................................... 6 1.4.1 Ứng dụng trong y học ................................................................. 6 1.4.2 Ứng dụng trong công nghiệp ...................................................... 7 1.4.3 Một số ứng dụng khác ................................................................. 8 1.4.4 Tình hình nghiên cứu trong nước................................................ 9 1.4.5 Các nghiên cứu ngoài nước....................................................... 10 Xác định mô hình nghiên cứu .................................................................. 10 Kết luận chương 1 ................................................................................................ 12 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ........................ 13 2.1 2.2 2.3 Các khái niệm mở đầu [1] ........................................................................ 13 2.1.1 Hệ cơ học .................................................................................. 13 2.1.2 Cơ hệ tự do và cơ hệ chịu liên kết............................................. 13 2.1.3 Liên kết ..................................................................................... 13 2.1.4 Liên kết holonom và không holonom ....................................... 13 2.1.5 Khâu .......................................................................................... 13 2.1.6 Khớp .......................................................................................... 14 Cơ sở về xây dựng phương trình vi phân chuyển động [1] [2] [3] [4] .... 14 2.2.1 Phương pháp tách cấu trúc. ....................................................... 14 2.2.2 Phương pháp nhân tử Lagrange ................................................ 15 Phương pháp số khảo sát bài toán động học ngược ................................. 16 2.3.1 Bài toán vị trí............................................................................. 16 2.3.2 Bài toán vận tốc......................................................................... 16 2.3.3 2.4 Bài toán gia tốc ......................................................................... 17 Phương pháp số khảo sát bài toán động lực học ngược ........................... 17 Kết luận chương 2 ................................................................................................ 18 CHƯƠNG 3. THIẾT LẬP HỆ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN – ĐẠI SỐ MÔ TẢ CHUYỂN ĐỘNG CỦA ROBOT SONG SONG PHẲNG 3RRR ............ 19 3.1 Xây dựng mô hình động lực của robot song song phẳng 3RRR.............. 19 3.2 Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động theo phương pháp nhân tử Lagrange. .............................................................................................................. 20 3.3 Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động theo phương pháp tách cấu trúc. ................................................................................................................ 27 3.4 Đánh giá mô hình và chương trình tính ................................................... 34 Kết luận chương 3 ................................................................................................ 36 CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN TRẠNG THÁI NỘI LỰC TẠI CÁC KHỚP CỦA ROBOT SONG SONG PHẲNG 3RRR .................................................. 37 4.1 Quy luật chuyển động của bàn máy và các điều kiện đầu ....................... 37 4.2 Bài toán động học ngược ......................................................................... 37 4.2.1 Bài toán vị trí............................................................................. 37 4.2.2 Bài toán vận tốc......................................................................... 38 4.2.3 Bài toán gia tốc ......................................................................... 40 4.3 Trạng thái nội lực trong các khâu của Robot khi không chịu ảnh hưởng của ngoại lực. ....................................................................................................... 41 4.3.1 Nội dung mô phỏng số .............................................................. 41 4.3.2 Các kết quả mô phỏng số .......................................................... 49 4.4 Bài toán động lực học ngược trong trường hợp Robot chịu ảnh hưởng của ngoại lực biến thiên tác dụng lên bàn máy. .......................................................... 51 4.4.1 Nội dung mô phỏng số .............................................................. 51 4.4.2 Các kết quả mô phỏng số .......................................................... 53 Kết luận chương 4 ................................................................................................ 58 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN .................................................................................. 59 5.1 Kết luận .................................................................................................... 59 5.2 Kiến nghị hướng phát triển trong tương lai ............................................. 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 60 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Một số loại robot trong công nghiệp ...................................................... 1 Hình 1.2. Tay máy robot nối tiếp [13] ................................................................... 2 Hình 1.3. Khâu thao tác cuối của robot.................................................................. 2 Hình 1.4. Robot dạng tay máy của một số hãng như KUKA, ABB ...................... 3 Hình 1.5. Robot song song [13] ............................................................................ 3 Hình 1.6. Robot song song được sử dụng trong phẫu thuật [21] ........................... 6 Hình 1.7. Robot song song ứng dụng làm tay giả nhân tạo [21] ........................... 7 Hình 1.8. Ứng dụng của robot song song trong đóng hộp tự động ........................ 7 Hình 1.9. Ứng dụng robot song song trong dây chuyền phân loại sản phẩm ........ 7 Hình 1.10. Ứng dụng trong gia công chế tạo cơ khí .............................................. 8 Hình 1.11 Ứng dụng trong thiết bị mô phỏng tập lái máy bay .............................. 8 Hình 1.12. Ứng dụng trong các máy chơi game thực tế ảo ................................... 8 Hình 1.13. Robot song song ứng dụng trong ứng dụng phát triển khung xương ngoài hỗ trợ di chuyển. ........................................................................................... 9 Hình 1.14.Robot song song Isoglide3 .................................................................. 10 Hình 1.15. Mô hình robot song song khảo sát ..................................................... 11 Hình 3.1. Khảo sát mô hình robot song song phẳng 3RRR ................................. 19 Hình 3.2. Tách cấu trúc chân thứ nhất ................................................................. 27 Hình 3.3. Tách cấu trúc chân thứ hai ................................................................... 29 Hình 3.4. Tách cấu trúc chân thứ ba .................................................................... 31 Hình 3.5. Tách cấu trúc bàn máy động ................................................................ 33 Hình 3.6. Đồ thị tính toán mô men khớp chủ động sử dụng bộ tham số theo tài liệu tham khảo [22] .............................................................................................. 36 Hình 4.1. Đồ thị xác định vị trí các khâu trong từng chân của robot theo quy luật chuyển động cho trước của bàn máy .................................................................... 38 Hình 4.2. Đồ thị xác định vận tốc các khâu trong từng chân của robot theo quy luật chuyển động cho trước của bàn máy ............................................................. 39 Hình 4.3. Đồ thị sai số phương trình liên kết và đạo hàm phương trình liên kết theo thời gian ........................................................................................................ 40 Hình 4.4. Đồ thị xác định vận tốc các khâu trong từng chân của robot theo quy luật chuyển động cho trước của bàn máy ............................................................. 41 Hình 4.5. Tách chân thứ nhất ............................................................................... 43 Hình 4.6. Tách các khâu chân thứ nhất. ............................................................... 44 Hình 4.7. Tách mặt cắt các khâu và đưa vào phản lực liên kết ............................ 46 Hình 4.8. Lực liên kết tại khớp B1,B2 trong trường hợp không chịu tác dụng của ngoại lực ............................................................................................................... 49 Hình 4.9. Lực liên kết tại khớp B3 và mô men dẫn động tại O1,O2,O3 trong trường hợp không chịu tác dụng của ngoại lực................................................................ 50 Hình 4.10. Lực liên kết tại khớp O1,A1 trong trường hợp không chịu tác dụng của ngoại lực ............................................................................................................... 50 Hình 4.11. Lực liên kết tại khớp O2,A2 trong trường hợp không chịu tác dụng của ngoại lực ............................................................................................................... 50 Hình 4.12. Lực liên kết tại khớp O3,A3 trong trường hợp không chịu tác dụng của ngoại lực ............................................................................................................... 51 Hình 4.13. Trạng thái nội lực mặt cắt S1, S2 trong các khâu 1, khâu 2 của chân robot ..................................................................................................................... 51 Hình 4.14. Quy luật của ngoại lực tác dụng lên bàn máy khi làm việc ............... 52 Hình 4.15. Lực liên kết tại khớp B1,B2 khi bàn máy tác dụng ngoại lực với hệ số kx = k y = k = 1.2 .................................................................................................. 54 Hình 4.16. Lực liên kết tại khớp O1,O2,O3 khi bàn máy chịu tác dụng ngoại lực với hệ số kx = k y = k = 1.2 ................................................................................... 54 Hình 4.17. Lực liên kết tại khớp O1, A1 khi bàn máy chịu tác dụng ngoại lực với hệ số kx = k y = k = 1.2 ......................................................................................... 54 Hình 4.18. Lực liên kết tại khớp O2, A2 khi bàn máy chịu tác dụng ngoại lực với hệ số kx = k y = k = 1.2 ......................................................................................... 55 Hình 4.19. Lực liên kết tại khớp O3, A3 khi bàn máy chịu tác dụng ngoại lực với hệ số kx = k y = k = 1.2 ......................................................................................... 55 Hình 4.20. Trạng thái nội lực tại mặt cắt S1, S2 trong các khâu 1, khâu 2 của chân thứ nhất robot khi bàn máy chịu tác dụng ngoại lực với hệ số kx = k y = k = 1.2 55 Hình 4.21. Ngoại lực tác dụng lên bàn máy động khi kx = k y = k = 6.8 ............. 56 Hình 4.22. Lực liên kết tại khớp B1,B2 khi bàn máy tác dụng ngoại lực với hệ số kx = k y = k = 6.8 .................................................................................................. 56 Hình 4.23 Lực liên kết tại khớp B3 và mô men dẫn động tại O1,O2,O3 khi bàn máy chịu tác dụng ngoại lực với hệ số kx = k y = k = 6.8 ............................................ 56 Hình 4.24. Lực liên kết tại khớp O1, A1 khi bàn máy chịu tác dụng ngoại lực với hệ số kx = k y = k = 6.8 ......................................................................................... 57 Hình 4.25. Lực liên kết tại khớp O2, A2 khi bàn máy chịu tác dụng ngoại lực với hệ số kx = k y = k = 6.8 ......................................................................................... 57 Hình 4.26. Lực liên kết tại khớp O3, A3 khi bàn máy chịu tác dụng ngoại lực với hệ số kx = k y = k = 6.8 ......................................................................................... 57 Hình 4.27. Trạng thái nội lực tại mặt cắt S1, S2 trong các khâu 1, khâu 2 của chân thứ nhất robot khi bàn máy chịu tác dụng ngoại lực với hệ số kx = k y = k = 6.8 .................................................................................................. 58 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. So sánh robot dạng chuỗi và robot song song [4] ................................. 5 Bảng 1.2. Phân loại robot song song ...................................................................... 6 Bảng 1.3. Thông số tính toán của robot ............................................................... 12 Bảng 3.1. Thông số Robot mô hình tham chiếu................................................... 35 MỞ ĐẦU Ngày nay, các kỹ thuật robot với sự hỗ trợ của máy tính đã đáp ứng được độ chính xác cao, thời gian thu nhận và xử lý các tín hiệu nhanh chóng, tin cậy, đã làm tăng năng suất lao động, hạn chế các tai nạn và độc hại cho con người… Tuy nhiên, loại robot nối tiếp hiện đang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực đã bộc lộ nhiều nhược điểm như tính linh hoạt thấp, tốc độ xử lý và khả năng đáp ứng không cao, độ cứng vững cũng như độ chính xác chưa đảm bảo. Để khắc phục phần nào các nhược điểm trên, một loại robot mới đã ra đời, đó là robot (hay còn gọi là tay máy) song song. Robot song song là robot có cấu trúc mạch vòng kín trong đó các khâu được nối với nhau bằng các khớp động [3]. Trong robot song song, khâu thao tác được nối với giá cố định bởi một số mạch động học, tức là nối song song với nhau và cũng hoạt động song song với nhau. So với robot dạng tay máy có cơ cấu dạng chuỗi hở, robot song song có cấu trúc động học phức tạp, khó khăn trong nghiên cứu, thiết kế và điều khiển nhưng có một số ưu điểm nổi trội như chịu được tải trọng lớn, độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng có thể phân bố đều tải trọng, có thể thực hiện những thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính xác cao.Vì vậy, việc ứng dụng các cơ cấu song song trong thực tế ngày càng trở nên phổ biến. Trong quá trình làm việc khi chịu tác dụng lực từ môi trường, trạng thái nội lực tại các liên kết khớp của rô bốt cũng như tại những vị trí cần đảm bảo độ cứng vững là một vấn đề đáng quan tâm khi thiết kế. Chính vì vậy việc đi sâu nghiên cứu trạng thái nội lực tại các khâu của robot song song rất có ý nghĩa trong thực tế. Mục tiêu nghiên cứu Xuất phát từ trong thực tế, khi làm việc Robot song song thường chịu tác động của các ngoại lực từ môi trường. Các lực này có thể là lực từ đầu tay kẹp, lực tác dụng từ dụng cụ cắt lên bàn máy động…Các lực này có thể cho bằng một quy luật xác định. Mục tiêu của đề tài là tính toán trạng thái nội lực tại một số vị trí trong các khâu của rô bot song song trong quá trình làm việc khi chịu ảnh hưởng của ngoại lực từ môi trường, qua đó phục vụ hỗ trợ bảo trì, bảo dưỡng robot một cách có hiệu quả. Phạm vi nghiên cứu Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết với mục tiêu thiết lập hệ phương trình vi phân – đại số mô tả chuyển động của robot song song phằng 3RRR dựa trên phương trình Lagrange dạng nhân tử. Sau đó áp dụng các phương pháp số để thực hiện giải các hệ phương trình vi phân – đại số thiết lập được để khảo sát nội lực trong các khâu của robot. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Luận văn tập trung vào việc phân tích động lực học ngược cho robot song song phẳng để tìm quy luật của trạng thái nội lực trong các khâu của robot theo quy luật chuyển động của bàn máy dưới tác dụng của ngoại lực, luận văn sẽ là tài liệu tham khảo ý nghĩa cho việc nghiên cứu, phân tích các đối tượng tương tự có cấu trúc mạch vòng kín. Các kết quả dự kiến đạt được - Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của robot song song theo phương pháp Lagrange nhân tử và phương pháp tách cấu trúc. - Áp dụng các phương pháp số khảo sát bài toán động học ngược, động lực học ngược, sử dụng phần mềm Matlab - Simulink tính toán trạng thái nội lực tại các khâu, lực liên kết khớp của robot trong quá trình làm việc. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG PHẲNG 1.1 Giới thiệu chung [4] Thuật ngữ robot lần đầu tiên được nhà viết kịch người Séc Karek Capek sử dụng trong vở kịch Rossum’s Universal Robots năm 1920 của ông, từ robota là từ tiếng Sec chỉ công nhân. Từ đó, thuật ngữ này được áp dụng cho rất nhiều thiết bị cơ khí, máy móc, các phương tiện tự hành,… Hầu như bất kỳ thứ gì hoạt động với một mức độ tự chủ, thường là dưới sự điều khiển của máy tính, tại một số thời điểm đều được gọi là Robot. 1.2 Phân loại robot [4] Phân loại robot dựa trên đặc tính chuyển động và môi trường làm việc có thể phân thành các dạng như hình 1.1: - Robot có giá cố định bao gồm robot dạng tay máy chuỗi, tay máy song song; - Robot di động bao gồm di động bằng bánh xe, bánh xích: xe tự hành AGV. - Robot di động trên mặt đất di chuyển bằng chân: một chân, hai chân dạng người , mô phỏng theo các loại động vật bốn chân, sáu chân,… - Robot di động trong không gian: Drone, Quadrotor, các phương tiện bay không người lái,… - Robot di động trong nước: ROV. Ngoài ra có thể kể đến nhiều loài robot khác như xe tự hành AGV lắp thêm tay máy di động, robot phối hợp bầy đàn,… Hình 1.1. Một số loại robot trong công nghiệp 1.3 Phân loại robot dựa trên cấu trúc động học [3] [4] Dựa trên 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. 1 1.3.1 Tay máy robot nối tiếp Robot nối tiếp, được gọi là cánh tay robot là tập hợp một số khâu rắn được kết nối với nhau theo chuỗi thông qua các loại khớp dẫn động khác nhau, thường là khớp quay hoặc hình lăng trụ. Điểm đầu tiên của chuỗi động học nối tiếp này là một khâu cố định sẽ được gắn với nền được gọi là chân đế và điểm cuối cùng là khâu tác động cuối tự do làm liên kết đầu ra, được gắn với một thiết bị kẹp vạn năng hoặc một bàn tay cơ học, được trang bị một công cụ để cầm nắm, có thể nâng và thao tác các chi tiết gia công trong không gian hoặc thực hiện các công việc lắp ráp. Hình 1.2. Tay máy robot nối tiếp [13] Khâu thao tác cuối làm nhiệm vụ giao tiếp cơ học giữa tay máy và đối tượng/môi trường, nó có thể được trang bị cảm biến lực, đòi hỏi sự khéo léo và linh hoạt nhất định, là một thiết bị chuyên dụng được xử lý các vật thể có hình dạng, kích thước hoặc trọng lượng tương tự trong một hoạt động lặp đi lặp lại. Theo cấu trúc, một tay máy được gọi là có cấu trúc hở hay cấu trúc cây nếu nó bao gồm một loạt các khớp chủ động kết nối từ chân đến đế khâu thao tác cuối và có dạng một chuỗi động hở. Dựa trên chuỗi động hở, tay máy nối tiếp thường có mức độ khéo léo cao và bao phủ một không gian làm việc lớn so với không gian sàn bị chiếm dụng, nhưng có độ cứng vững thấp. Hình 1.3. Khâu thao tác cuối của robot 2 Do cấu trúc kiểu công xôn, tay máy nối tiếp đã phát triển vượt bậc trong các ngành công nghiệp với các ứng dụng khác nhau, từ vận hành tại chỗ đến điểm hàn và lắp ráp. Các tay máy nối tiếp có các nhược điểm như độ cứng vững thấp gây ra sai số ở khâu tác động cuối, sai số định vị tương lớn tích lũy từ khâu này sang khâu khác và không tích hợp cho các ứng dụng có tốc độ và gia tốc cao. Hình 1.4. Robot dạng tay máy của một số hãng như KUKA, ABB 1.3.2 Tay máy robot song song [3] [4] Robot song song hay tay máy song song là hệ cơ khí có cấu trúc động học vòng kín mà khâu tác động cuối hay còn gọi là bàn động được liên kết với giá cố định bằng một chuỗi động học độc lập được gọi là các chân, có tiềm năng rất lớn về độ chính xác, độ cứng và khả năng thao tác với tải trọng lớn với sai số định vị thấp. Hình 1.5. Robot song song [13] Nhiều chân được tạo thành như chuỗi động nối tiếp kết nối bệ động với bệ cố định. Các khâu của robot có thể được kết nối với nhau bằng các loại khớp khác nhau như: khớp cầu, khớp trụ, khớp quay hoặc khớp lăng trụ. 3 1.3.3 So sánh cấu trúc song song và tay máy chuỗi [3] [4] [7] [12] Nếu như với robot chuỗi, tải trọng ảnh hưởng tăng dần từ cơ cấu chấp hành cuối đến đầu tiên thì với robot song song, tải trọng được chia sẻ giữa các chân của robot, nên cơ cấu chấp hành song song thường có khả năng chịu tải lớn. Khi hoạt động, robot song song có quán tính nhỏ hơn nhiều so với robot chuỗi do các động cơ dẫn động có thể bố trí ngay tại bệ máy, trong khi các bộ phận mang tải có thể được bố trí gần với bệ máy. Robot song song có độ cứng cao vì tải trọng của robot được chuyển sang dạng kéo nén các khâu, tránh hiện tượng bị uốn như trên robot chuỗi. Độ chính xác vị trí của robot song song cao vì các lỗi được bù trung bình từ lỗi của từng chân do cấu trúc song song mà không bị tích lũy như robot nối tiếp. Chứa một hoặc nhiều vòng động học, robot song song có thể được coi là một loại cơ cấu đặc biệt và được xác định có chủ đích để khai thác những lợi thế của cấu trúc vòng kín. Với robot song song, các động cơ dẫn thường được đặt trên giá cố định, do đó giảm thiểu tải trọng và khối lượng chuyển động giúp robot có thể đạt được vận tốc và gia tốc cao. Trong khi đó, tay máy nối tiếp thường được dẫn động tại mỗi khớp dọc theo chuỗi động. Đối với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao hoặc khả năng chịu tải lớn so với khối lượng của robot thì sử dụng cấu trúc song song mang lại những ưu điểm vượt trội hơn hẳn các cấu trúc dạng nối tiếp. Bên cạnh nhưng ưu điểm của robot song song so với robot dạng chuỗi, các cấu trúc song song vẫn có một số nhược điểm như: không gian làm việc nhỏ hơn robot chuỗi do kết cấu dạng vòng kín giới hạn chuyển động, hơn nữa, tính linh hoạt của robot song song cũng kém hơn nhiều. Bài toán động học robot chuỗi đơn giản hơn bài toán ngược, trong khi đối với robot song song, động học ngược đơn giản hơn bài toán động học thuận. Với nhiều ưu điểm trong sử dụng mà robot song song đã và đang có nhiều ứng dụng trong thực tế. Tay máy robot song song có thể tìm thấy trong nhiều ứng dụng, như mô phỏng máy bay sử dụng trong đào tạo phi công, mô phỏng xe ô tô trong đào tạo lái xe, nhặt và đặt, phân loại sản phẩm trong dây chuyền sản xuất tự động, căn chỉnh sợi quang, v.v.. Robot song song ngày càng phổ biến hơn với những công việc yêu cầu tốc độ cao, định vị chính xác cao với không gian làm việc hạn chế, chẳng hạn như lắp ráp bản mạch in, gia công phay tốc độ cao, độ chính xác cao, sử dụng trong máy in 3D, v.v.. Một số robot song song tiêu biểu có thể kể ra như: Stewart platform, Gough-Stewart platform, octahedral hexapod, Delta phẳng, Delta không gian, Delta Rostock, FlexPicker, robot song song năm khâu, robot song song Descartes, Robot song song cầu. Đôi khi tên của tay máy song song còn được đặt theo số bậc tự do, theo loại khớp sử dụng của các chân, chẳng hạn 3-RRR là robot ba bậc tự do mỗi chân sử dụng ba khớp quay, hay 3PRR là robot ba bậc tự do cấu trúc một chân gồm các khớp trượt, quay và quay, 6-PSS là robot sáu bậc tự do mỗi chân gồm các khớp trượt – cầu – cầu, v.v.. Để so sánh ưu nhược điểm của robot song song so với robot chuỗi, được thể hiện trong bảng dưới đây : 4 Bảng 1.1. So sánh robot dạng chuỗi và robot song song [4] Tiêu chí so sánh Robot dạng chuỗi Robot song song 1 Độ chính xác lặp lại Thấp hơn Cao hơn 2 Độ chính xác khâu cuối Thấp hơn Cao hơn 3 Không gian làm việc Cao hơn Thấp hơn 4 Độ cứng vững Thấp hơn Cao hơn 5 Tỉ số tải/khối lượng Thấp hơn Cao hơn 6 Tải trọng quán tính Cao hơn Thấp hơn 7 Tốc độ làm việc Thấp hơn Cao hơn 8 Độ phức tạp tính toán Thấp hơn Cao hơn 9 Gia tốc khâu thao tác Thấp hơn Cao hơn 10 Khả năng thao tác linh Cao hơn hoạt STT Thấp hơn - Độ chính xác tuyệt đối và độ chính xác lặp lại của robot song song song cao hơn robot chuỗi bởi vì robot chuỗi có cấu trúc bởi các khâu kết nối liên tiếp nhau nên chúng gặp phải sai số tích lũy từ các khâu trước trong khi những robot song song không phải lặp lại điều này. - Độ cứng vững của robot song song cao hơn robot chuỗi: Do trong nhiều các trường hợp, tải trọng đặt vào robot song song được chuyển thành lực kéo nén đặt vào các khâu nên độ cứng của cả cơ hệ tốt hơn. - Tỷ lệ tải/khối lượng robot: Robot song song có tỷ lệ lớn hơn, điều này cũng làm cho robot song song tiêu tốn ít năng lượng hơn so với robot chuỗi khi thực hiện cùng nhiệm vụ. - Gia tốc khâu thao tác cuối: Robot song song có gia tốc lớn hơn do kết cấu nhẹ và vững chắc của chúng. - Không gian làm việc: Robot song song có không gian làm việc hạn chế hơn robot chuỗi do có sự ràng buộc của nhiều khâu với nhau. - Tính linh hoạt: Robot song song kém hơn robot chuỗi do có sự ràng buộc về mặt cấu trúc cơ khí. - Độ phức tạp tính toán: Việc thực hiện khảo sát các bài toán động học/ động lực học robot song song có độ phức tạp cao hơn. 5 1.3.4 Phân loại Robot song song Bảng 1.2. Phân loại robot song song Phân loại Hình ảnh Robot song song phẳng Robot song song không gian Robot song song đối xứng Robot song song cầu 1.4 Một số ứng dụng của robot song song 1.4.1 Ứng dụng trong y học Robot song song với ưu điểm nổi bật là độ cứng vững và độ chính xác cao nên thường được lựa chọn ứng dụng trong y học như phẫu thuật, các thiết bị thay thế bộ phận cơ thể con người như tay, chân nhân tạo. Hình 1.6. Robot song song được sử dụng trong phẫu thuật [21] 6 Hình 1.7. Robot song song ứng dụng làm tay giả nhân tạo [21] 1.4.2 Ứng dụng trong công nghiệp Với nhiều ưu điểm mang lại, đặc biệt là tính cứng vững cao và khả năng mang tải lớn so với khối lượng bản thân robot nên robot song song có nhiều ứng dụng trong thực tế như sử dụng trong dây chuyền đóng hộp, dùng trong định hướng gia công cơ khí. Hình 1.8. Ứng dụng của robot song song trong đóng hộp tự động Hình 1.9. Ứng dụng robot song song trong dây chuyền phân loại sản phẩm 7