Tính toán động học, động lực học và thiết kế chế tạo mô hình 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 -


Chƣơng 2
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHẾ TẠO CƠ KHÍ ROBOT
SONG SONG DELTA ROSTOCK
2.1 Đặt vấn đề
Robot song song Delta đƣợc nghiên cứu có nhiều biến thể phụ thuộc vào kết
cấu truyền động. Dƣới đây là 2 loại robot Delta đƣợc nghiên cứu trong thực tế.

2.1.1Robot song song Delta dạng 3RRR

Hình 2.1 Robot song song Delta 3RRR
Robot trên có kết cấu gồm giá cố định, 3 động cơ dẫn động khớp quay, 3 khâu
hình bình hành, các khớp nối là khớp cầu, giá di động
2.1.2Robot song song Delta dạng 3PRS

Hình 2.2 Robot song song Delta 3PRS

- 12 -


Robot trên có kết cấu gồm giá cố định, 3 động cơ dẫn động tịnh tiến, 3 khâu
hình bình hành, các khớp nối là khớp cầu, giá di động
 Kết luận: Hai mô hình robot song song Delta kể trên, tác giả quyết định lựa
chọn mô hình Robot song song Delta dạng 3PRS làm đề tài nghiên cứu
 Mô hình Robot song song Delta Rostock

Hình 2.3 Mô hình robot song song Delta Rostock
 Kết cấu của Robot bao gồm các phần:
-

Bàn máy cố định

-

Có 3 khớp trƣợt dẫn động bởi 3 động cơ, các động cơ này gắn chặt với bàn
máy cố định

-

Có 6 thanh nối, 3 thanh nối đầu tiên đƣợc hàn cố định với 3 khớp dẫn động,
3 thanh nối còn lại đƣợc gắn chặt vào bàn máy di động.

-

Có 3 chân bị động, mỗi chân sử dụng một cấu trúc hình bình hành.

-

Robot có 12 khớp cầu, mỗi cơ cấu hình bình hành có 4 khớp cầu, để liên kết
giữa 2 khớp trƣợt chủ động với 2 thanh nối.

- 13 -


2.2 Phân tích và lựa chọn kết cấu
2.2.1 Yêu cầu chung
Mẫu robot song song Delta Rostock là mẫu robot phục vụ nghiên cứu và ứng
dụng trong công nghệ in 3D nên phù hợp với các yêu cầu:
 Yêu cầu về tính năng
-

Robot có khả năng vẽ đƣợc hình dạng theo yêu cầu của ngƣời lập trình.

-

Robot có đầu thao thác có thể làm việc trong vùng không gian phù hợp.

-

Robot đạt độ chính xác để có thể khả năng ứng dụng trong công nghệ in 3D.

 Yêu cầu về kích thƣớc
- Trong phạm vi luận văn là nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm mô hình robot
nên kích thƣớc robot phải nhỏ gọn và đảm bảo những yêu cầu kỹ thuật đặt ra.
 Yêu cầu về chế tạo
- Những thiết bị, linh kiện để chế tạo linh kiện phải thông dụng, dễ kiếm, mọi

quá trình chế tạo cần đƣợc đơn giản hóa tối đa phù hợp với nhu cầu của sản phẩm.
2.2.2Phƣơng án thiết kế
Dựa theo mẫu robot song song đƣợc chọn làm đối tƣợng nghiên cứu của luận
văn em đƣa ra phƣơng án thiết kế nhƣ sau:
-

Đế robot đƣợc chế tạo từ các tấm mika cắt ghép liên kết với nhau. Giá cố
định sẽ là vị trí để lắp đặt động cơ và bộ truyền động, cũng nhƣ các cụm chi
tiết khác cho robot.

-

Bộ truyền động sẽ ƣu tiên bộ truyền động đai giúp cho bạc đƣợc dẫn động
tịnh tiến.

-

Khớp cầu sẽ là lựa chọn phù hợp cho robot robot song song.

-

Robot đƣợc thiết kế vẽ hình dạng các quỹ đạo nên trên bàn máy di động sẽ
đƣợc tích hợp thêm bút viết.

- 14 -


2.2.3 Yêu cầu đặt ra của đề tài
Với các yêu cầu và phƣơng án thiết kế trên, mô hình robot cần đạt một số yêu cầu sau:
-

Tải trọng tối đa của robot : m=0.2kg

-

Vận tốc làm việc của bàn máy động v d =0.5m/s

2.3 Tính toán và lựa chọn bộ truyền động cho robot
2.3.1Tính toán lựa chọn động cơ
Robot song song hoạt động, bàn máy di động chịu tải trọng cố định không đổi,
chịu lực quán tính thay đổi theo các vị trí khác nhau. Do vậy để đơn giản việc tính
toán chọn động cơ sơ bộ, ta sẽ tính toán ở một số trƣờng hợp đặc biệt. Ta sẽ chọn
trƣờng hợp robot tại vị trí động cơ chịu tải lớn nhất, khi đó giả sử chỉ xét toàn bộ
lực tác dụng lên trên một động cơ của 1 nhánh(nhánh 1)
Xét robot tại trƣờng hợp nhƣ hình dƣới. Ta sẽ chọn sơ bộ động cơ tại nhánh 1.
Tại vị trí này trục bạc trƣợt chịu tác dụng của trọng lực P và lực quán tính Fqt. Giả
2
sử gia tốc cần đạt đƣợc lớn nhất là a = 5m / s

Hình 2.4 Vị trí phân tích lực
Khi đó công suất động cơ Pyc sẽ đƣợc tính:

Pyc =

Pct
η

- 15 -

Pyc : Công suất trên trục công tác

η : Hiệu suất của hệ dẫn động
Công suất trên trục công tác đƣợc tính theo công thức:

Pct = Flv v b
Trong đó

Flv là toàn bộ lực tác dụng lên trục dây đai
v b : Vận tốc trên toàn bộ bạc trƣợt ( dây đai), v b = 0.5m / s
Khi đó toàn bộ lực tác dụng lên trục dây đai:
Flv = P + Fqt

Với P=mg
Fqt = ma

Trong đó
m : Tải trọng tối đa của robot m= 0.2kg

a b : Gia tốc bạc trƣợt a b = 5m / s2

g : Gia tốc trọng trƣờng g = 9.81m / s 2
Nhƣ vậy:
Flv = P + Fqt = mg + ma b = m(g + a b )

= 0.2(9.81+5)=2.962(N)
Từ đó . Pct = Flv v b = 2.962x0.5 = 1.481W
Nhƣ trên hiệu suất hệ dẫn động sẽ đƣợc tính theo công thức:
h = h d h ol

Trong đó:
h d : Hiệu suất truyền động dây đai h d = 0.94

h ol : Hiệu suất truyền động dây đai h ol = 0.98

Do đó, hiệu suất truyền động h = 0.94x0.98 = 0.9212
Nhƣ vậy công suất sơ bộ cần thiết của động cơ là:

- 16 -