thiết kế và phân tích động học tay máy song song ba bậc tự do
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.72 MB, 106 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN THIẾT KẾ MÁY
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC
TAY MÁY SONG SONG BA BẬC TỰ DO
GVHD : Ts. PHẠM HUY HOÀNG
Ks. TRỊNH HOÀNG KIÊN
SVTH : NGUYỄN THÀNH PHÚC
MSSV : 20502102
TP. HỒ CHÍ MINH, 01/2010
i
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian ngồi trên giảng đường đại học, em đã tiếp thu được rất nhiều
kiến thức mà quý Thầy Cô đã tận tình truyền đạt. Ngày hôm nay, bản thân em đang đứng
trước sự chuyển tiếp từ vị trí người sinh viên trở thành người Kỹ sư đảm nhận những
công việc thực tế trong xã hội. Chính vì vậy, Luận văn tốt nghiệp là cơ hội để bản thân em
trải nghiệm những kiến thức đã học vào công việc thực tế, là bước đầu tiên, là nền tảng để
đảm nhận vai trò của một Kỹ sư.
Trong quá trình thực hiện đề tài, em đã nhận được sự hướng dẫn tận tình từng bước
của Thầy Phạm Huy Hoàng. Em xin gửi đến thầy lòng biết ơn chân thành nhất. Cùng với
sự hướng dẫn tận tình của Thầy Phạm Huy Hoàng, em xin gửi lời cảm ơn đến Kỹ sư
Trịnh Hoàng Kiên (Trung tâm Đào tạo Bảo dưỡng công nghiệp trường Đại học Bách
Khoa TP.HCM), anh đã truyền đạt lại những kinh nghiệm đã trải qua cùng với sự góp ý
trong suốt quá trình hoàn thành luận văn. Để hoàn thành mô hình luận văn, em cũng nhận
được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy Trương Công Tiễn (Trung tâm Đào tạo
Bảo dưỡng công nghiệp trường Đại học Bách Khoa TP.HCM ) trong những ngày gia
công mô hình tại xưởng gia công của Thầy, xin gửi đến Thầy và các anh em trong xưởng
gia công lời cảm ơn sâu sắc nhất.
Cuối cùng, em xin kính tặng những kết quả đạt được cho Cha Mẹ, Thầy Cô, chia sẻ
với bạn bè và những người thân của em, những người đã luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi
nhất cho em có được ngày hôm nay.
TP.HCM ngày 11, tháng 01, năm 2010
Sinh Viên
Nguyễn Thành Phúc
ii
TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Ngày nay bên cạnh sự phát triển của các robot nối tiếp, các tay máy song song cũng
được nghiên cứu và phát triển. Dựa trên các nghiên cứu về các tay máy song song đã có
và các ứng dụng thực tế đã có, đề tài “ Thiết kế và phân tích động học tay máy song song
ba bậc tự do” đã được đề ra với các nhiệm vụ sau: tìm hiểu tay máy song song và các
ứng dụng thực
tế,
thiết kế động học tay máy song song ba bậc tự
do
,phân tích động học
tay máy thiết
kế,
thiết kế chế tạo mô hình và thử
nghiệm.
Trong luận văn, đã sử dụng phương pháp hình học để phân tích động học tay máy,
giải quyết được các bài toán động học thuận và động học nghịch của tay máy. Đồng thời
đưa ra được ma trận Jacobian, áp dụng vào việc phân tích động học tay máy, bao gồm:
phân tích lực tay máy, phân tích vị trí kỳ dị của tay máy. Dựa trên các phân tích đó, đưa
ra giải thuật lập trình điều khiển tay máy bằng công cụ lập trình toán học kỹ thuật Matlab
R2008a.
Dựa trên các lý thuyết phân tích trên, và điều kiện thực tế, đề tài cũng đã xây dựng
được mô hình thực tế đơn giản với mục đích thử nghiệm các kết quả đã phân tích. ứng
dụng động cơ bước vào mô hình để điều khiển tay máy.
iii
MỤC LỤC
Nhiệm vụ luận văn
Lời cảm ơn i
Tóm tắt đề tài ii
Mục lục iii
Danh sách hình vẽ vi
Danh sách bảng biểu ix
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1
1.1 Định nghĩa về robot 1
1.2 Thuật ngữ tay máy 2
1.3 Tay máy song song 3
1.3.1 Giới thiệu 3
1.3.2 Đặc điểm của tay máy song song 6
1.3.3 Ứng dụng của tay máy song song 6
1.4 Khái quát về tay máy song song ba bậc tự do 12
1.5 Một số nghiên cứu đã có về tay máy song song ba bậc tự do 14
1.6 Nhiệm vụ luận văn 16
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TAY MÁY
SONG SONG 3 BẬC TỰ DO 17
2.1 Giới thiệu 17
2.2 Xác định bậc tự do của tay máy 18
2.3 Phân tích động học tay máy 18
2.3.1 Lựa chọn phương pháp phân tích tay máy 19
2.3.2 Phân tích hình học tay máy 21
2.3.4 Bài toán động học nghịch 24
2.3.5 Bài toán động học thuận 26
iv
2.4 Phân tích ma trận Jacobian 29
2.4.1 Giới thiệu 29
2.4.2 Xây dựng ma trận Jacobian cho tay máy
song song 3 bậc tự do 31
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH LỰC TAY MÁY 34
3.1 Giới thiệu 34
3.2 Phương pháp phân tích bằng sơ đồ phân tích lực 35
3.3 Phương pháp sử dụng nguyên lý công khả dĩ 39
3.3.1 Giới thiệu 39
3.3.2 Phân tích lực tay máy bằng phương pháp công khả dĩ 40
3.4 Kết luận 41
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VỊ TRÍ TAY MÁY 43
4.1 Tính kỳ dị vị trí của tay máy song song 43
4.2 Phân tích tính kỳ dị của tay máy song song 3 bậc tự do 44
4.2.1 Kỳ dị động học nghịch 44
4.2.2 Kỳ dị động học thuận 45
4.2.3 Kỳ dị động học kết hợp 46
4.3 Phân tích không gian làm việc của tay máy 47
4.3.1 Không gian làm việc 47
4.3.2 Không gian làm việc cảu tay máy song song 3 bậc tự do 47
CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY
DỰA TRÊN CÁC PHÉP BIẾN HÌNH 49
5.1 Các phép biến hình hai chiều 49
5.1.1 Phép tịnh tiến 49
5.1.2 Phép quay hình hai chiều 50
5.2 Xây dựng giải thuật điều khiển tay máy 52
v
5.2.1 Hệ phương trình ràng buộc 52
5.2.2 Xây dựng các phép biến đổi 53
5.3 Sử dụng công cụ MATLAB R2008a lập trinh điều khiển tay máy 58
5.3.1 Lập trình trên MATLAB 58
5.3.2 Tổng quan về chương trình điều khiển 58
5.4 Kết luận 59
CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ MÔ HÌNH TAY MÁY 61
6.1 Mục đích và yêu cầu thiết kế 61
6.2 Lựa chọn kích thước hình học ban đầu 61
6.3 Sơ đồ nguyên lý của tay máy 62
6.4 Thiết kế các chi tiết 63
CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 75
7.1 Giới thiệu về giao tiếp với máy tính 75
7.2 Giao tiếp qua cổng nối tiếp 75
7.3 Giới thiệu về động cơ bước 78
7.3.1 Nguyên lý đặc điểm của động cơ bước 79
7.3.2 Cấu tạo chung của động cơ bước 79
7.3.3 Phân loại động cơ bước 80
7.3.4 Các vần đề về điều khiển trong động cơ bước 81
7.4 Giới thiệu về vi điều khiển 87
7.5 Thiết kế các mạch điều khiển 89
7.6 Kết luận và hướng phát triển của đề tài 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
Phụ lục code chương trình điều khiển A1
vi
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Robot KUKA 6-Dof 3
Hình 1.2 Kết cấu tay máy nối tiếp Elbow 4
Hình 1.3 Cấu trúc tay máy song song 3RRR wrist 4
Hình 1.4 Mô hình tay máy song song Gough-Stewart Platform 6-Dof 5
Hình 1.5 Ứng dụng của mô hình Gough-Stewart Platform 5
Hình 1.6 Ứng dụng dò theo vết mặt phẳng của Robot song song 6
Hình 1.7 Tricept một tay máy song song phun sơn có độ linh hoạt cao 7
Hình 1.8 Robot Hexa áp dụng trong công nghệ lắp ráp 7
Hình 1.9 Robot Tornado được cấu hình làm máy phay 5 trục
dùng trong gia công tự động 8
Hình 1.10 Hexabot kết hợp với máy phay ngang tạo
thành máy CNC 5 trục 8
Hình 1.11 Rotbot song song Dragonfly cắt phôi bằng tia nước 9
Hình 1.12 Tay máy song song trong hệ thống giám sát 10
Hình 1.13 Tay máy song song phẫu thuật từ xa 10
Hình 1.14 MTS máy vận chuyển phôi 3 trục 11
Hình 1.15 Tay máy vận chuyển sản phẩm ParaDex 11
Hình 1.16 Cấu trúc mô phỏng của mắt người 12
Hình 1.17 Tay máy 3RRR Spherical Parallel Robot
áp dụng trong kính thiên văn 12
Hình 1.18 Các kiểu kết cấu tay máy song phẳng 13
Hình 1.18 Kết cấu nguyên lý tay máy song song 3 bậc tự do 13
Hình 1.19 Mô hình nghiên cứu tại trường Nanyang[2002] 14
Hình 1.20 Mô hình nghiên cứu tại Viện Công nghệ Georgia, Mỹ [2002] 15
Hình 1.21 Mô hình nghiên cứu tại IEEE [2003] 15
Hình 1.22 Mô hình nghiên cứu tại Viện khoa học kỹ thuật Kwangju [2002] 16
Hình 2.1 Mô hình mô tả tay máy song phẳng 3 bậc tự do 3-RRR 17
vii
Hình 2.2 Định nghĩa hệ toạ độ và các thông số Denavit Hartenberg 20
Hình 2.3 Xác định các thông số D-H của kết cấu động học vòng kín 20
Hình 2.4 Xác định thông số hình học tay máy 21
Hình 2.5 Thông số hình học của cánh tay thứ nhất 22
Hình 2.6 Thông số hình học của cánh tay thứ hai 23
Hình 2.7 Thông số hình học của cánh tay thứ ba 24
Hình 2.8 Hai vị trí của cánh tay 28
Hình 2.9 Các vị trí chứng minh số nghiệm của phương trình động học 29
Hình 2.8 Mô hình phân tích ma trận Jacobian 31
Hình 3.1 Sơ đồ phân tích lực tay máy 35
Hình 3.2 Mômen tác động trên các khâu nối giá 38
Hình 4.1 Vị trí kỳ dị động học nghịch 44
Hình 4.2 Vị trí kỳ dị động học thuận 46
Hình 4.3 Mô hình có vị trí kỳ dị kết hợp 46
Hình 4.4 Không gian làm việc của tay máy 48
Hình 5.1 Phép tịnh tiến 1 đối tượng 49
Hình 5.2 Phép quay 1 điểm trong mặt phẳng 51
Hình 5.3 Các thông số ràng buộc của tay máy 52
Hình 5.4 Tọa độ các điểm nối giá trong hệ tọa độ cố định 54
Hình 5.5 Tọa độ các điểm nối mâm trong hệ tọa độ cố định 54
Hình 5.6 Lập ma trận mối quan hệ động học cho cánh tay thứ I 55
Hình 5.7 Sơ đồ giải thuật 58
Hình 5.8 Giao diện chương trình điều khiển tay máy 59
Hình 6.1 Các thông số hình học tay máy 62
Hình 6.2 Sơ đồ truyền động ở mỗi cánh tay 62
Hình 6.3 Cơ cấu khớp bản lề 63
Hình 6.4 kết cấu khớp bản lề 64
Hình 6.5 Đầu nối khớp 64
Hình 6.6 Kết cấu trục khớp 65
viii
Hình 6.7 Bạc trượt 65
Hình 6.8 Kết cấu khớp bản lề liên kết với mâm di động 65
Hình 6.9 Kết cấu đế nối mâm di động 66
Hình 6.10 Kết cấu trục khớp nối mâm di động 66
Hình 6.11 Kết cấu khâu liên kết 67
Hình 6.12 Khâu liên kết 67
Hình 6.13 Động cơ bước STEP SYN 68
Hình 6.14 Khớp nối trục đàn hồi 69
Hình 6.15 Kích thước nối trục 69
Hình 6.16 Kết cấu ổ trục bạc đạn nhào 70
Hình 6.17 Gối trục ổ bi nhào UCF 204 71
Hình 6.18 Kết cấu trục tác động 72
Hình 6.19 Mô hình thiết kế mô phỏng 72
Hình 6.20 Mô hình chế tạo thực tế 73
Hình 6.21 Cụm cơ cấu tác động 73
Hình 6.22 Cụm động cơ dẫn động 74
Hình 7.1 Các kiểu giao tiếp với máy tính 75
Hình 7.2 Sơ đồ các chân cổng COM DB25 và DB9 77
Hình 7.3 Cấu tạo động cơ bước 80
Hình 7.4 Cấu tạo của động cơ bước có từ trở thay đổi có 3 cuộn dây pha 81
Hình 7.5 Mặt cắt của động cơ đơn cực có
s = 300 82
Hình 7.6 Mặt cắt của động cơ lưỡng cực 84
Hình 7.7 Nguyên lý điều khiển bước đủ 85
Hình 7.8 Nguyên lý điều khiển Microstepping 86
Hình 7.9 Sơ đồ chân PIC 18F4331 88
Hình 7.10 Mạch điều khiển 18F43318 89
Hình 7.11 Mạch điều khiển PIC 18F4331 với RS232 90
Hình 7.12 Mạch điều khiển step Motor 90
Hình 7.13 Mạch công suất chính 90
ix
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 7.1: Bảng các đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS232 77
Bảng 7.2: Bảng mô tả các chân cổng COM 78
A
1
PHỤ LỤC
PHỤ LỤC CODE CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
% RRR.m
% Thiet lap giao dien
clear
all;
fig = figure(
'Name', 'Dieu khien tay may song ba bac tu do',
'NumberTitle', 'off',
'Position', [7,60,850,600]);
set(gca,
'drawmode', 'fast');
set(fig,
'MenuBar', 'none', 'BackingStore', 'off');
subplot(
'Position', [0.08,0.1,0.6,0.85]);
axis
equal; axis([-400 400 -400 400]); grid;
% Hinh hoc tay may
rA = 170;
% khau noi gia
rAs = rA^2;
l = 150;
% khau noi mam di dong
ls = l^2;
% toa do gia
O = 300*[0, -cos(pi/6), cos(pi/6);
1, -sin(pi/6), -sin(pi/6)];
% toa do tam phang
Bp = 130*[0, -cos(pi/6), cos(pi/6);
1, -sin(pi/6), -sin(pi/6)];
B = Bp;
% toa do tam phang ban dau
Bo = zeros(2,3);
A = zeros(2,3);
plat = line(
'color',[.5,0,0],'erasemode','xor','LineWidth',1.3);
% toa do tam tam phang
C = [0; 0];
tooltip=line(
'color',[0,0,0.3],'Marker','+','MarkerSize',5,'erasemode','xor
'
);
tooltraj=line(
'color',[1,0,0],'Marker','.','MarkerSize',1,'erasemode','none
'
);
set(tooltraj,
'xdata',C(1),'ydata',C(2));
set(tooltip,
'xdata',C(1),'ydata',C(2));
% ve gia
Base01=line(
'color',[0,0,0.5],'Marker','o','MarkerSize',5,'erasemode','none
'
);
Base02=line(
'color',[0,0,0.5],'Marker','o','MarkerSize',5,'erasemode','none
'
);
Base03=line(
'color',[0,0,0.5],'Marker','o','MarkerSize',5,'erasemode','none
'
);
set(Base01,
'xdata',O(1,1),'ydata',O(2,1));
set(Base02,
'xdata',O(1,2),'ydata',O(2,2));
set(Base03,'xdata',O(1,3),'ydata',O(2,3));
% Xac dinh cac khau
link1p=line(
'color',[0,0.3,0],'LineStyle','-
'
,'erasemode','xor','LineWidth',1.5);
link2p=line(
'color',[0,0.3,0],'LineStyle','-
'
,'erasemode','xor','LineWidth',1.5);
link3p=line(
'color',[0,0.3,0],'LineStyle','-
'
,'erasemode','xor','LineWidth',1.5);
link1d=line(
'color',[0,0.3,0],'Marker','o','MarkerSize',5,
'LineStyle','-','erasemode','xor','LineWidth',1.5);
link2d=line(
'color',[0,0.3,0],'Marker','o','MarkerSize',5,
'LineStyle','-','erasemode','xor','LineWidth',1.5);
A
2
link3d=line('color',[0,0.3,0],'Marker','o','MarkerSize',5,
'LineStyle','-','erasemode','xor','LineWidth',1.5);
% ve he toa do
X_axis=line('color','k','erasemode','none','LineWidth',1.5);
Y_axis=line(
'color','k','erasemode','none','LineWidth',1.5);
Z_axis=line(
'color','k','erasemode','none','LineWidth',1.5);
set(X_axis,
'xdata',[0; 50],'ydata',[0; 0]);
set(Y_axis,
'xdata',[0; 0],'ydata',[0; 50]);
text(60,0,
'X'); text(0,60,'Y');
RRR_GUI;
% chay giao dien
% RRR_GUI.m
IM = 1; %Che do dieu khien tay
stop = 1;
% Thong bao kiem tra vi tri
OK =
'Pham vi lam viec';
MessBox = uicontrol(fig,
'Style','text','Pos',[630 250 200 16],
'FontWeight','demi','String',OK);
% Menu "Chay"
Run_menu = uimenu(fig,
'Label','Chay','Interruptible','on',
'CallBack',['if IM == 0,','run=1;,',
'while run, refresh(fig); RRR_draw; run=0; end; end;']);
% Menu “lam moi”
Refresh_menu = uimenu(fig,
'Label','Lam moi','CallBack','refresh(fig)');
% Me nu “Duong dan”
Traj_menu = uimenu(fig,
'Label','Bien dang');
Traj_submenu0 = uimenu(Traj_menu,
'Label','Dieu khien tay',
'CallBack','IM = 1; refresh(fig); X = 0; Y = 0; PHI = 0;');
Traj_submenu1 = uimenu(Traj_menu,
'Label','Duong tron','Separator','on');
Traj_submenu1_rem = uimenu(Traj_submenu1,
'Label',
'Chuyen dong song phang theo duong tron','CallBack',['IM = 0;,'
'traj_01;']);
% Menu “Thoat”
Quit_menu = uimenu(fig,
'Label','Thoat','CallBack',['close(fig);','clear
all;'
]);
% Reset ve vi tri ban dau
X = 0; Y = 0; PHI = 0;
traj_00; RRR_draw;
% Thanh truot X
sli_X = uicontrol(fig,
'Style','slider','Pos',[670 150 120 17],
'Min',-400,'Max',400,'SliderStep',[1/800 10/800],
'Val',0,'CallBack',['if
IM==1,'
,'X=round(get(sli_X,''Val''));,'
'set(X_cur,''String'',num2str(X)),','traj_00,','RRR_draw,','end']);
% Thanh truot Y
sli_Y = uicontrol(fig,'Style','slider','Pos',[670 100 120 17],
'Min',-400,'Max',400,'SliderStep',[5/800 50/800],
'Val',0,'CallBack',['if IM==1,','Y=round(get(sli_Y,''Val''));,'
'set(Y_cur,''String'',num2str(Y)),','traj_00,','RRR_draw,','end']);
% Thanh truot PHI
sli_PHI = uicontrol(fig,
'Style','slider','Pos',[670 50 120 17],
'Min',-180,'Max',180,'SliderStep',[1/180 1/18],
'Val',0,'CallBack',['if IM==1,','PHI=round(get(sli_PHI,''Val''));,'
'set(PHI_cur,''String'',strcat(num2str(PHI),''°'')),',
'traj_00,','RRR_draw,','end']);
A
3
% Hien thi gia tri nho nhat
X_min = uicontrol(fig,
'Style','text','Pos',[624 150 45 17],'String','-
300'
);
Y_min = uicontrol(fig,
'Style','text','Pos',[624 100 45 17],'String','-
300'
);
PHI_min = uicontrol(fig,
'Style','text','Pos',[629 50 40 17],'String','-
180°'
);
% Hien thi gia tri nho nhat
X_max = uicontrol(fig,
'Style','text','Pos',[791 150 45
17],
'String','+300');
Y_max = uicontrol(fig,
'Style','text','Pos',[791 100 45
17],
'String','+300');
PHI_min = uicontrol(fig,
'Style','text','Pos',[791 50 40
17],
'String','+180°');
% Nhan Thanh Truot
X_label = uicontrol(fig,
'Style','text','Pos',[700 170 20
17],
'String','X:');
Y_label = uicontrol(fig,
'Style','text','Pos',[700 120 20
17],
'String','Y:');
PHI_label = uicontrol(fig,
'Style','text','Pos',[700 70 20 17],
'FontName','Symbol','String','f:');
% Hien thi cac giua tri hien tai
X_cur = uicontrol(fig,
'Style','text','Pos',[722 170 45 17],'String',
num2str(get(sli_X,
'Value')));
Y_cur = uicontrol(fig,
'Style','text','Pos',[722 120 45 17],'String',
num2str(get(sli_Y,
'Value')));
PHI_cur = uicontrol(fig,
'Style','text','Pos',[722 70 35 17],'String',
strcat(num2str(get(sli_PHI,
'Value')),'°'));
% Hien thi cac gia tri cac goc lam viec dau vao
MessBox2 = uicontrol(fig,
'Style','text','Pos',[630 200 200 16],
'FontWeight','demi','String','Vi tri lam viec');
MessBox3 = uicontrol(fig,
'Style','text','Pos',[630 320 200 16],
'FontWeight','demi','String','Theta1-Theta2-Theta3');
% Nut reset
pbreset = uicontrol(fig,
'Style','push','Pos',[701 400 60 22],
'String','RESET','CallBack',['if IM == 1,',
'set(sli_X,''Value'',0),','set(sli_Y,''Value'',0),',
'set(sli_PHI,''Value'',0),',
'set(X_cur,''String'',''0''),','set(Y_cur,''String'',''0''),',
'set(PHI_cur,''String'',''0''),',
'X = 0; Y = 0; PHI = 0;',
'refresh(fig); traj_00; RRR_draw; ','end;']);
% RRR_draw.m(Giai bai toan dong hoc nghich)
% Vong lap chinh
for j=1:num_steps,
% Ma tran bien doi cua toa do tam phang
B = C(:,j)*ones(1,3) + R(:,:,j)*Bp;%toa do tam phang sau khi bien doi
% Xuat vi tri tam phng ra man hinh
set(plat,
'xdata',B(1,[1:3,1]),'ydata',B(2,[1:3,1]));
% Tinh toan cac thong so rang buoc hinh hoc
Ba = B - O;
param1 = Ba(1,:).^2+Ba(2,:).^2;
param2 = (param1+rAs-ls)/(2*rA);
param3 = Ba(1,:).^2+Ba(2,:).^2-param2.^2;
if any(param3<0),
sound(2*cos(0:pi/30:10*pi));
set(MessBox,
'String','Ngoai vung lam viec','ForegroundColor','red');
break;
end;
A
4
param4 = sqrt(param3);
% Tinh toan gia tri cac goc
Theta = 2*atan((Ba(2,:)+param4)./(param2+Ba(1,:)));
DT2 =num2str(Theta*180/pi);
MessBox3 = uicontrol(fig,
'Style','text','Pos',[630 300 200 16],
'FontWeight','demi','String',DT2);%xuatbien Theta2 ra man hinh hien thi
% Vi tri cac khop bi dong
A = rA*[cos(Theta); sin(Theta)] + O;
n = (B-A)/l;
%vecto doc theo cac khau
set(link1p,
'xdata',[O(1,1);A(1,1)],'ydata',[O(2,1);A(2,1)]);
set(link2p,
'xdata',[O(1,2);A(1,2)],'ydata',[O(2,2);A(2,2)]);
set(link3p,
'xdata',[O(1,3);A(1,3)],'ydata',[O(2,3);A(2,3)]);
set(link1d,
'xdata',[A(1,1);B(1,1)],'ydata',[A(2,1);B(2,1)]);
set(link2d,
'xdata',[A(1,2);B(1,2)],'ydata',[A(2,2);B(2,2)]);
set(link3d,
'xdata',[A(1,3);B(1,3)],'ydata',[A(2,3);B(2,3)]);
% Ve toa do tam tam phang
set(tooltraj,'xdata',C(1,j),'ydata',C(2,j));
set(tooltip,
'xdata',C(1,j),'ydata',C(2,j));
drawnow
set(MessBox,
'String',OK,'ForegroundColor','black');
end
% RotMat.m(Matran xoay)
function res = RotMat(phi)
res = [ cos(phi), -sin(phi); sin(phi), cos(phi)];
% Che do dieu khien tay
num_steps = 1; % buoc di chuyen
C(:,1) = [X; Y];
R(:,:,1) = RotMat(pi*PHI/180);
% Chay theo bien dang
% Thong so quy dao
orientation = pi/6;
radius_circle = 100;
% ban kinh duong tron
s1 = 30; s2 = 100; s3 = s1;
% so buoc
num_steps = s1 + s2 + s3;
% dich chuyen theo phuong x vào diem dau cau quy dao
for i = 1:(1+s1);
C(:,i) = [ radius_circle*(i-1)/s1; 0];
phi = -orientation*(i-0)/s1;
R(:,:,i) = RotMat(phi);
end;
% chuyen dong theo duong tron voi goc dinh huong ko doi
for i = (s1+1):(s1+s2);
C(:,i) = [radius_circle*cos(2*pi*(i-s1)/s2);
radius_circle*sin(2*pi*(i-s1)/s2)];
R(:,:,i) = RotMat(phi);
end;
% tro ve
for i = (s1+s2+1):(s1+s2+s3);
C(:,i) = [radius_circle - radius_circle*(i-s1-s2)/s3; 0];
phi = -orientation + (orientation/s3)*(i-s1-s2);
R(:,:,i) = RotMat(phi);
end;
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Phạm Huy Hoàng
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Định nghĩa về robot
Ngày nay bên cạnh sự phát triển không ngừng của công nghệ gia công cơ khí,
công nghệ chế tạo các vi mạch điện tử, công nghệ thông tin và lý thuyết điều khiển tự
động thì lĩnh vực robot cũng không ngừng phát triển theo, hình thành các robot công
nghiệp thay thế cho con người thực hiện các thao tác công nghệ, đặc biệt trong môi
trường nguy hiểm độc hại. Có rất nhiều quốc gia trên thế giới nghiên cứu về lĩnh vực
này như là: Nhật Bản, Mỹ, Úc, Nga… Và các kết quả đạt được khiến con người không
phải không ngạc nhiên. Do vậy cũng có rất nhiều khái niệm, cũng như định nghĩa về
robot.
Theo viện nghiên cứu của Hoa Kỳ thì robot được định nghĩa như sau: “Robot là
một tay máy nhiều chức năng, thay đổi được chương trình hoạt động, được dùng để di
chuyển nguyên vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt
thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích hoàn thành
những nhiệm vụ đa dạng”, (Schlusel, 1985).
Định nghĩa về robot còn được Mikell P. Groover, một nhà nghiên cứu hàng đầu
trong lĩnh vực robot , mở rộng hơn như sau: “Robot công nghiệp là những máy, thiết
bị tổng hợp hoạt động theo chương trình có những đặc điểm nhất định tương tự như ở
con người”.
Định nghĩa của Mikell P. Groover về robot không dừng lại ở tay máy mà còn mở
rộng ra cho nhiều đối tượng khác có những đặc tính tương tự như con người như là suy
nghĩ, có khả năng đưa ra quyết định và có thể nhìn thấy hoặc cảm nhận được đặc điểm
của sự vật hay đối tượng mà nó phải thao tác hoặc xử lý.
Theo giáo sư Sitegu Watanabe ( Đại học Tổng hợp Tokyo) thì một robot công
nghiệp phải thỏa mãn các yếu tố sau:
Có khả năng thay đổi chuyển động;
Có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác;
Có số bậc chuyển động (bậc tự do) cao;
Có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động;
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Phạm Huy Hoàng
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 2
Có khả năng hoạt động tương hỗ với đối tượng bên ngoài.
Còn theo giáo sư Masahioo (viện công nghệ Tokyo) thì robot công nghiệp phải
phải có các đặc điểm sau:
Có khả năng thay đổi chuyển động.
Có khả năng xử lý thông tin (biết suy nghĩ).
Có tính vạn năng.
Có những đặc điểm của người và máy.
Từ những khác biệt trong định nghĩa về robot, căn cứ vào tính linh hoạt của
những hệ thống sản xuất có áp dụng robot, P.J. mckerrow, một nhà nghiên cứu về
robot của Úc đã đưa ra một định nghĩa ở một góc độ khác. Theo ông, robot là một loại
máy có thể lập trình để thực hiện những công việc đa dạng tương tự như một máy tính,
là một mạch điện tử có thể lập trình để thực hiện những công việc đa dạng.
Các robot đóng góp vào sự phát triển công nghiệp dưới nhiều dạng khác nhau:
tiết kiệm sức người, tăng năng suất lao động và giải phóng con người khỏi những công
nghiệp cực nhọc và tẻ nhạt. Tất nhiên, trong tương lai còn nhiều vấn đề nảy sinh khi
robot ngày càng thay thế các hoạt động của con người, nhưng trong việc đem lại lợi
ích cho con người, khám phá vũ trụ, và khai thác các nguồn lợi tự nhiên, robot đã thực
sự làm cho cuộc sống của chúng ta tốt đẹp hơn.
1.2 Thuật ngữ tay máy
Thuật ngữ “tay máy” và robot trong quan niệm của nhiều nhà chuyên môn trong
lĩnh vực này không có sự khác biệt. Để thuận tiện trong trình bày, ở đây ta hiểu tay
máy là một dạng robot có cấu tạo mô phỏng theo những đặc điểm cấu tạo của cánh tay
người. Cũng có thể hiểu tay máy là tập hợp các bộ phận và cơ cấu cơ khí được thiết kế
để hình thành các khối có chuyển động tương đối với nhau, được gọi là các khâu động.
Trong đó, phần liên kết giữa các khâu động được gọi là các khớp động hay còn gọi là
các trục. Tay máy cũng bao gồm cả các cơ cấu tác động là các phần tử thực sự thực
hiện các chuyển động để vận hành tay máy như động cơ điện, xy-lanh thủy lực, xy-
lanh khí nén,v.v … Phần quan trọng khác trên các tay máy là bộ phận hay khâu tác
động cuối cùng (End-Effector) để thao tác trên đối tượng làm việc – thường là các tay
gắp hoặc các đầu công cụ chuyên dùng.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Phạm Huy Hoàng
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 3
Tay máy hay có thể gọi là cánh tay cơ khí của robot là một chuỗi động học được
tạo thành từ nhiều khâu được liên kết với nhau nhờ các khớp động. Khâu cuối (hay
khâu tác động cuối) của tay máy thường có dạng một tay gắp hoặc được gắn dụng cụ
công tác. Mỗi khâu động trên tay máy có nguồn dẫn động riêng, năng lượng và chuyển
động truyền đến cho chúng được điều khiển trên cơ sở tín hiệu nhận được từ bộ phận
phản hồi là các cảm biến nhằm thông báo trạng thái hoạt động của các khâu chấp hành,
trong đó vấn đề được đặc biệt quan tâm là vị trí và vận tốc dịch chuyển của khâu cuối-
khâu thể hiện kết quả tổng hợp các chuyển động của các khâu thành phần.
1.3 Tay máy song song
1.3.1 Giới thiệu
Thông thường kết cấu của robot thường là các cánh tay nối tiếp bao gồm các
khâu liên kết với nhau bởi nhiều loại khớp liên kết khác nhau, điển hình là khớp xoay
và khớp tịnh tiến, liên kết nối tiếp nhau từ giá đến khâu tác động cuối cùng tạo nên
chuỗi động học hở. Kiểu kết cấu tay máy nối tiếp mang lại nhiều thuận lợi, bao gồm cả
không gian làm việc rộng. Kiểu tay máy này được ứng dụng rộng rãi trong các ngành
công nghiệp. Robot Kuka, 6 bậc tự do là một ví dụ điển hình cho kiểu tay máy nối
tiếp.
Hình 1.1 Robot KUKA 6-Dof
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Phạm Huy Hoàng
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 4
Hình 1.2 Kết cấu tay máy nối tiếp Elbow
Tuy nhiên, kiểu tay máy nối tiếp vẫn có những mặt hạn chế của chúng, các cơ cấu
chấp hành gắn trên giá phải mang và di chuyển cả cánh tay, các liên kết và cơ cấu
chấp hành, vì lý do đó trong thực tế khó có thể thực hiện việc điều khiển những dịch
chuyển nhanh và chính xác với cánh tay như vậy. Kết quả là cánh tay kém cứng vững
và kém chính xác. Vì vậy, các kiểu kết cấu được nghiên cứu và sử dụng trong robot.
Đó chính là kiểu kết cấu tay máy song song (Parallel manipulator).
Hình 1.3 Cấu trúc tay máy song song 3RRR wrist
Tay máy song song là một cấu trúc gồm nhiều chuỗi vòng kín với một nhóm các
cơ cấu dẫn động (nối giá) và cơ cấu tác động cuối mắc song song nhau. Với những
vòng kín như vậy sẽ làm tăng độ cứng vững của tay máy. Hơn thế nữa, tất cả các cơ
cấu chấp hành ta có thể đặt trên giá nếu cần để đạt được một kết cấu di chuyển rất nhẹ
và tận dụng được phần lớn năng lượng trực tiếp từ trục động cơ. Bên cạnh đó ta còn
giảm được sai số vị trí của cơ cấu tác động cuối, vì lý do đó mà cánh tay loại này
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Phạm Huy Hoàng
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 5
chiếm ưu thế trong điều khiển tốc độ cao, độ chính xác cao, tải trọng lớn và có độ
cứng vững cao hơn là tay máy nối tiếp.
Hình 1.4 Mô hình tay máy song song Gough-Stewart Platform
6-Dof
Để đạt được những yêu cầu đó người ta đã và đang thiết kế, phát triển loại
Parallel Robot và nhắm đến việc đưa chúng vào ứng dụng. Mô hình Gough-Stewart
Platform là một ví dụ điển hình cho kiểu tay máy song song. Tay máy song song 6
bậc tự do này bao gồm một tấm phẳng được tác động bởi 6 cơ cấu tác động thẳng (hệ
xi-lanh khí nén). Mô hình này được ứng dụng trong huấn luyện bay, chịu được tải
trọng lớn ( lên đến 15000 kg), dùng để huấn luyện phi công ở mặt đất.
Hình 1.5 Ứng dụng của mô hình Gough-Stewart Platform
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Phạm Huy Hoàng
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 6
1.3.2 Đặc điểm của tay máy song song
So với tay máy nối tiếp tay máy song song có những đặc điểm sau:
+ Ưu điểm:
- Tải trọng làm việc với lớn so với khối lượng riêng của bản thân tay máy.
- Có khả năng di chuyển nhanh nhẹn.
- Độ bền vững kết cấu cơ khí cao.
- Khối lượng nhỏ.
- Cấu trúc cơ khí đơn giản.
- Cơ cấu chấp hành nối giá.
+ Nhược điểm:
- Không gian làm việc nhỏ.
- Động học phức tạp.
- Phức tạp khi phân tích các điểm làm việc kỳ dị.
1.3.3 Ứng dụng của tay máy song song
Tay máy song song hiện nay được sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành, các
lĩnh vực khác nhau.
Trong ngành công nghiệp:
- Hàn điểm, hàn đường: Robot có thể sử dụng để thay thế công nhân làm việc trong
điều kiện môi trường ngặt nghèo như lò đúc xưởng rèn và xưởng hàn. Một tay máy
cấu trúc song song có thể ứng dụng trong cộng nghệ hàn điểm, hàn đường với nhiệm
vụ di chuyển theo đường điểm đã định sẵn để thực hiện thao tác hàn.
Hình 1.6 Ứng dụng dò theo vết mặt phẳng của Robot song song
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Phạm Huy Hoàng
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 7
- Phun sơn: sơn là công việc nặng nhọc và độc hai đối với con người nhưng lại
hoàn
toàn không nguy hiểm đối với Robot. Ngoài ra con người phải mất hơn thời gian để
nắm
được kỹ thuật và kỹ năng trở thành một thợ sơn lành nghề trong khi Robot chỉ
mất
vài
giờ để thiết lập bề mặt sơn và có khả năng lặp lại chính xác các động tác sơn
phức
tạp.
chính vì vậy cấu trúc tay máy song song cũng được ứng dụng để thực
hiện nhiệm
vụ
này. Tay máy phun sơn Tricept là một ví dụ điển
hình.
Hình 1.7 Tricept một tay máy song song phun sơn có độ linh hoạt cao
- Tay máy song song trong dây chuyền lắp ráp: Lắp ráp là một công việc tương đối
nhẹ nhàng, tuy nhiên do tính chất công việc là đơn điệu lặp đi lặp lại dễ gây nhàm
chán cho công nhân dẫn đến hiệu quả làm việc không cao và tốn nhiều nhân công.
Chính vì vậy tự động hóa trong dây chuyền lắp ráp là một yêu cầu lớn trong vấn đề tự
động hóa của nhà máy. Ở đó, robot sẽ thay công nhân thực hiện công việc lắp ráp sản
phẩm, mang lại hiệu quả làm việc và năng suất chất lượng sản phẩm tăng cao.
Hình 1.8 Robot Hexa áp dụng trong công nghệ lắp ráp
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Phạm Huy Hoàng
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 8
- Tay máy song song thực hiện các thao tác gia công đóng vai trò như máy CNC:
Trong sản xuất lớn, những Robot gia công này là những hệ thống được tự động hoá
hoàn toàn: từ việc gắp đặt phôi liệu, thay đổi dụng cụ đến cả thi hành các lệnh gia công
chi tiết. Nhờ vậy chất lượng của chi tiết cũng như độ chính xác gia công hoàn toàn hơn
hẳn việc gia công được thực hiện trên máy công cụ do các công nhân thao tác. Vừa tiết
kiệm được thời gian, nhân công, vừa nâng cao chất lượng sản phẩm do vậy ứng dụng
Robot trong gia công ngày càng nhiều. Đặc biệt các tay máy song song cũng được ứng
dụng nhiều trong lĩnh vực này.
Hình 1.9 Robot Tornado được cấu hình làm máy phay 5
trục
dùng trong gia công tự
động
Hình 1.10 Hexabot kết hợp với máy phay ngang tạo thành máy CNC 5 trục
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Phạm Huy Hoàng
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 9
- Tay máy song song trong chế tạo phôi:Bao gồm các Robot cắt phôi: cắt bằng nước,
bằng dao cắt, bằng tia laser.
Hình 1.11 Rotbot song song Dragonfly cắt phôi bằng tia nước
- Tay máy song song trong hệ thống nhận dạng và giám sát: Quá trình sản xuất luôn
phải kiểm tra và giám sát để kịp thời loại bỏ khuyết tật sản phẩm cũng như phân loại
sản phẩm. Tuy nhiên công việc này đòi hỏi độ chính xác cao. Đôi khi các khuyết tật
sản phẩm không thể nhận biết bằng mắt thường, mà phải thực hiện bằng các dụng cụ
kiểm tra giám sát. Chính vì vậy mà từ lâu người ta đã thay thế con người bằng các hệ
thống giám sát bằng cảm biến, bằng camera, cùng với các giải thuật nhận dạng ảnh để
xác định các chi tiết lắp ráp (dùng trong các dây chuyền lắp ráp), hay loại bỏ các phế
phẩm. Một trong các ưu điểm của hệ thống nhận dạng bằng camera là tôc độ nhận
dạng cao nhờ được xử lý bằng PC, có tốc độ xử lý cao hơn các bộ xử lý khác. Các mẫu
sau đây là một số Robot ứng dụng dùng trong giám sát.
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Phạm Huy Hoàng
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 10
Hình 1.12 Tay máy song song trong hệ thống giám
sát
Tay máy song song trong y học: Ngày nay y học ngày càng phát triển đạt nhiều
thành tựu cao trong việc chăm sóc sức khỏe con người. Các biện pháp y học ngày nay
cũng đã có mặt của lĩnh vực điều khiển, ví dụ như các hệ thống nội soi phát hiện các
khối u trong cơ thể, hoặc hệ thống nội phẫu thuật, ở đó đôi bàn tay khéo léo của các
bác sĩ đã được thay thế bằng các dụng cụ tinh vi và hiện đại. Đặc biệt trong lĩnh vực
phẫu thuật cũng đã có sự thay thế của các cánh tay robot thực hiện các ca phẫu thuật từ
xa.
Hình 1.13 Tay máy song song phẫu thuật từ
xa
Luận văn tốt nghiệp GVHD: TS. Phạm Huy Hoàng
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 11
Tay máy song song trong các cơ cấu nâng chuyển: Một trong các ưu điểm của
Robot song song là có hệ số lực lớn, tức là Robot có thể chịu tải trọng cao với một tỷ
lệ trọng lượng nhỏ. Nên Robot song song rất thích hợp trong các ứng dụng thao tác
động học như vận chuyển vật, nâng hạ vật có trọng lượng lớn như các mẫu Robot sau:
Hình 1.14 MTS máy vận chuyển phôi 3 trục
Hình 1.15 Tay máy vận chuyển sản phẩm ParaDex
