Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm robot ổn định thế khâu nuối (Luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHẠM ĐỨC DƯƠNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM ROBOT
ỔN ĐỊNH THẾ KHÂU CUỐI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã ngành: 8520103

TRƯỞNG KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. Phạm Thành Long

Thái Nguyên, tháng 4 năm 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng
dẫn khoa học của PGS.TS. Phạm Thành Long. Các kết quả tính toán, số liệu
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công
trình khoa học nào khác.
Tác giả luận văn

Phạm Đức Dương

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




ii
LỜI CẢM ƠN
Qua thời gian học tập, nghiên cứu chương trình cao học kỹ thuật Cơ khí
của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, đã giúp tác giả nhận thức sâu sắc về
cách thức nghiên cứu, phương pháp tiếp cận các đối tượng nghiên cứu và lựa
chọn đề tài luận văn tốt nghiệp cao học; đồng thời góp phần nâng cao kiến thức
chuyên môn vững vàng, nâng cao năng lực thực hành, khả năng thích ứng cao
trước sự phát triển của khoa học, kĩ thuật và kinh tế; có khả năng phát hiện, giải
quyết độc lập những vấn đề thuộc chuyên ngành được đào tạo và phục vụ cho
công tác được tốt hơn. Việc thực hiện nhiều bài tập nhóm trong thời gian học
đã giúp tác giả sớm tiếp cận được cách làm, phương pháp nghiên cứu, tạo tiền
đề cho việc độc lập trong nghiên cứu và hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
PGS.TS Phạm Thành Long đã giúp đỡ, hướng dẫn hết sức chu đáo, nhiệt
tình trong quá trình thực hiện để tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ này;
Các CBCNV trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận
lợi cho tác giả trong quá trình tiến hành thực nghiệm đề tài và bảo vệ luận văn thạc
sĩ;
Gia đình, bạn bè của tác giả đã giúp đỡ, tạo điều kiện về thời gian, động
viên tác giả trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này;
Tác giả mong muốn tiếp tục nhận được sự chia sẻ, hỗ trợ và tạo điều kiện
của Hội đồng Chấm luận văn thạc sĩ, để bản luận văn này hoàn thiện hơn.

Xin trân trọng cảm ơn.
Thái Nguyên, ngày 15 tháng 04 năm 2019

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




iii
BẢNG THUẬT NGỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT
STT Thuật ngữ/ Ký hiệu

Đơn vị

Ý nghĩa luận giải

1

RPY

Bộ góc Roll – Pitch - Yaw

2

DH

Denavit - Hatenberg

3

PCMM

4

P

(mm)

Prismatic

5

R

(rad)

Rotate

6

GRG

General Ruduce Gradient

7

MEMS

Micro Electro Mechanical Systems

8

SRS

Cấu trúc chân dẫn động khớp R

9

GY

Gyroscapes

10

DC

Direct Curent

11

a

(mm)

Lượng dịch chuyển theo trục x

12

d

(mm)

Lượng dịch chuyển theo trục z

13

ɵ

(rad)

Góc quay quanh trục z

14

β

(rad)

Góc quay quanh trục x

15

n

Cosin chỉ hướng trục x

16

s

Cosin chỉ hướng trục y

17

p

Véc tơ tọa độ điểm cuối

18

qi

Tọa độ suy rộng thứ i

19

tij

Portable Coodianate Measure
Machine

(rad)

ij góc thứ j của chân thứ i

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

iv
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Hệ Cơ điện tử với phản hồi tín hiệu ...................................................... 2
Hình 1. 2 Hệ servo với phản hồi công suất ........................................................... 3
Hình 1. 3 Cấu trúc phản hồi công suất của truyền dẫn một bậc tự do................. 3
Hình 1. 4 Sơ đồ động học của cơ cấu cổ tay cầu ba bậc tự do thiết kế theo lý
thuyết dòng năng lượng khép kín [1] .................................................................... 4
Hình 1. 5 Các tọa độ suy rộng của tay máy trước và sau biến dạng.................... 5
Hình 1. 6 Thuật toán bù kép để điều khiển động học robot mềm ......................... 6
Hình 1. 7 Tổ hợp bàn tay lên robot không dùng nguồn độc lập ........................... 6
Hình 1. 8 Chu kỳ làm việc của bàn tay giữa hai trạm .......................................... 7
Hình 1. 9 Các trạng thái khác nhau của bộ khóa cơ ............................................ 8
Hình 1. 10 Tay robot không sử dụng nguồn dẫn động độc lập ............................ 8
Hình 1. 11 Tay đo PCMM cấu hình robot hai khâu ............................................. 9
Hình 1. 12 Dữ liệu đo một contuor trước và sau khi xử lý qua phần mềm ........ 10
Hình 1. 13 Vật thể đo sau khi xử lý smoothness trên Catia ................................ 10
Hình 1. 14 Sơ đồ khai triển bước xoắn trên mặt trụ dùng thiết kế máy đo ........ 11
Hình 1. 15 Cấu trúc của máy đo dạng robot sử dụng đầu đo tiếp xúc ............... 11
Hình 1. 16 Biểu diễn tương quan độ chính xác các thành phần (T2, Q1) .......... 12
Hình 1. 17 Thử nghiệm máy đo thực tế tại Disoco ............................................. 13
Hình 1. 18 Cơ cấu pesian Joint 6 bậc tự do........................................................ 13
Hình 1. 19 Đồ thị quan hệ vận tốc ngõ vào/ ngõ ra của cơ cấu persian joint ... 14
Hình 2. 1 Quan hệ giữa giá O0 và đích P ở robot công nghiệp.......................... 16
Hình 2. 2 Ổn định pháo một góc không đổi ở vị trí “Home” khi di chuyển....... 17
Hình 2. 3 Ví dụ về khóa mục tiêu tĩnh khi di chuyển .......................................... 17
Hình 2. 4 Ổn định hướng bình chứa ................................................................... 18
Hình 2. 5 Ổn định con lắc ngược ........................................................................ 18
Hình 2. 6 Bay theo đội hình, bài toán hai yếu tố động ....................................... 19
Hình 2. 7 Camera checking vị trí của vật di động (hãng cognex) ...................... 19
Hình 2. 8 Con quay hồi chuyển ........................................................................... 20

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




v
Hình 2. 9 Chip L3G4200DH với chức năng nhận biết góc quay ....................... 21
Hình 2. 10 Cơ cấu ổn định hướng cơ khí ............................................................ 22
Hình 2. 11 Mô tả phép quay roll-pitch-yaw ........................................................ 23
Hình 2. 12 Quan hệ giữa phép quay RPY với các chuyển động của bàn tay khi
phương trục khớp khác nhau .............................................................................. 23
Hình 2. 13 Sơ đồ quan hệ giữa hai hệ quy chiếu Oi-1 và Oi theo DH ................. 25
Hình 2. 14 Tay robot với vai trò đồ gá có chức năng ổn định thế của vật gá .... 26
Hình 3. 1 Đồ gá cấu hình robot 3 bậc tự do ....................................................... 35
Hình 3. 2 Đồ thị đặc tính các biến khớp ............................................................. 39
Hình 3. 3 Đổi giá một robot song song ............................................................... 39
Hình 3. 4 Khai triển chi tiết một chân cấu trúc SRS đã đổi giá ......................... 40
Hình 3. 5 Minh họa lời giải tại một vị trí điều khiển .......................................... 42
Hình 3. 6 Quỹ đạo tâm giá O0 trong hệ quy chiếu O1 theo yêu cầu ................... 43
Hình 3. 7 Đồ thị biến khớp từ t21 đến t26 ............................................................ 47
Hình 3. 8 Cảm biến Mpu 6050 và Arduino Uno ................................................. 48
Hình 3. 9 Sơ đồ kết cấu điều khiển một bậc tự do .............................................. 49
Hình 3. 10 Bộ thí nghiệm ba bậc tự do chạy dẫn động servo ............................. 51
Hình 3. 11 Thử nghiệm với mạch thực theo thiết kế ........................................... 51

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

vi
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2. 1 Các bước biến đổi DH……………………………………...……………..24
Bảng 3. 1 Tọa độ điểm keypoint quy đổi khi biểu diễn trong hệ quy chiếu O và
O3 ....................................................................................................................... 36
Bảng 3. 2 Lời giải động học ngược tại các điểm keypoint khi giữ vị trí so với
mô tả ở ma trận thế 13, đồng thời di chuyển gốc O theo đường x2+z2=452, y =
120. .................................................................................................................... 37
Bảng 3. 3 Chuyển đổi tọa độ điểm quỹ đạo giữa hai giá.................................. 43
Bảng 3. 4 Biến khớp tại 8 vị trí tính toán khi giá (O0) di động và O1 đứng yên45
Bảng 3. 5 Quy ước chân cảm biến MPU 6050 ................................................. 49

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




vii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
BẢNG THUẬT NGỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT ........................................... iii
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................... iv
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................... v
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: Tổng quan về một số tay robot đặc biệt ................................ 2
1.1

Các tay máy phản hồi công suất ........................................................... 2

1.2

Các tay máy mềm ................................................................................. 5

1.3

Tay robot không dùng nguồn dẫn động độc lập ................................... 6

1.4

Tay đo PCMM ...................................................................................... 9

1.5

Máy đo góc nghiêng bánh răng trụ ..................................................... 10

1.6

Cấu trúc truyền động đẳng tốc không gian kiểu robot hụt dẫn động . 13

1.7

Đồ gá ổn định thế cấu hình robot ....................................................... 14

Kết luận chương 1 ........................................................................................ 15
CHƯƠNG 2: Cơ sở thiết kế động học của đồ gá ổn định thế cấu hình robot 16
2.1 Giới thiệu đồ gá ổn định thế................................................................... 16
2.1.1 Vòng kín có một yếu tố động .......................................................... 16
2.1.2 Vòng kín có hai yếu tố động ............................................................ 18
2.1.3 Ổn định thế bằng con quay hồi chuyển ........................................... 20

2.2 Phương trình động học robot ................................................................. 22
2.3 Tính tương đối của một chuyển động/ phép đổi giá .............................. 26
2.4

Mô hình toán của đồ gá tổng quát cấu hình robot .............................. 27

2.5 Phương pháp và công cụ giải bài toán động học robot .......................... 28
2.5.1 Chuyển đổi bài toán động học thành bài toán tối ưu ....................... 28
2.5.2 Phương pháp GRG giải bài toán tối ưu ........................................... 32
2.5.3 Xác định vùng đáp ứng ổn định thế ................................................. 33
Kết luận chương 2 ........................................................................................ 33
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




viii
CHƯƠNG 3: Thiết kế, chế tạo và kiểm nghiệm gá ổn định thế ..................... 35
3.1 Xây dựng dữ liệu điều khiển thông qua tính toán trên mô hình ............ 35
3.1.1 Cấu trúc chuỗi .................................................................................. 35
3.1.2 Cấu trúc song song ........................................................................... 39
3.2 Xác định chuyển động dẫn bằng cảm biến gia tốc MPU 6050.............. 48
3.3 Kết cấu và điều khiển một bậc tự do quay ............................................. 49
3.4 Cấu trúc điều khiển hệ ba bậc tự do với một cảm biến MPU6050 ........ 50
3.5 Thử nghiệm ổn định trên phương tiện ................................................... 51
Kết luận chương 3 ........................................................................................ 52
Kết luận của luận văn ................................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 53
PHỤ LỤC ........................................................................................................ 56
1. Chương trình vẽ đồ thị matlab bằng mfile: ........................................... 56

2. Các bản vẽ chế tạo gá ổn định thế ba bậc tự do..................................... 67

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




1
MỞ ĐẦU
Robot là thiết bị khả trình, khi tác vụ thay đổi một thiết bị cơ điện tử kiểu
robot do chức năng quy định bởi phần mềm nên hoàn toàn có khả năng lập trình
để đáp ứng tác vụ mới. Vì lý do đó có thể thấy phần lớn robot có tính vạn năng,
nhưng bên cạnh đó vẫn cần có các robot đặc biệt nhằm thích ứng với các điều
kiện làm việc rất đặc thù.
Các robot đặc biệt này có thể cần đến các phương pháp mô tả, các công
cụ tính toán và các phương pháp đặc biệt tương ứng để giải quyết các vấn đề
kỹ thuật phát sinh do tính đặc biệt của nó.
Hệ thống phương pháp, công cụ dùng để giải quyết các vấn đề thiết kế,
chế tạo các robot đặc biệt này cùng với các phương pháp lý luận đã biết sẽ hoàn
thiện các hiểu biết về robot.
Với tham vọng như trên, trong bản luận án này sẽ xây dựng một hệ thống
lý luận làm cơ sở cho việc tính toán, thiết kế một đồ gá ổn định thế của vật
mang trong bàn tay với hai cấu trúc robot chuỗi và robot song song.
Đồ gá này định hướng ứng dụng ổn định máy quay trong điều kiện di
động, nâng cao chất lượng hình ảnh, giảm rung giật nâng cao chất lượng khung
hình. Ứng dụng ổn định hướng ngắm của súng, pháo gắn trên phương tiện như
xe, tàu chiến trong trường hợp cần mở rộng góc công tác hơn so với hệ thống
dẫn động điện – thủy lực hiện có, hoặc cần ổn định đồng thời cả vị trí và hướng
thay vì chỉ ổn định hướng như sử dụng trong hệ thống Meteor. Đặc biệt là luận
văn đề cập đến các cơ cấu gá ổn định hướng có cấu trúc song song, đây là các

cơ cấu cho khả năng mang tải nặng, tuy nhiên nó có độ phức tạp cao về động
học, động lực học.
Để minh họa cho ý tưởng của luận văn, một mô hình ổn định thế tự động
khởi tạo dữ liệu từ các cảm biến gia tốc được thiết kế và chế tạo để kiểm chứng
các tính toán mà tác giả đề xuất.
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Phạm Thành Long đã tận tình
hướng dẫn em hoàn thành luận văn này.
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ TAY ROBOT ĐẶC BIỆT
Trước khi đi vào thiết kế và tính toán đồ gá ổn định thế là một loại robot
có cấu trúc đặc biệt, trong phần đầu tiên này tác giả sẽ giới thiệu sơ lược về một
số dạng robot đặc biệt khác và các lý thuyết cơ sở liên quan để tạo ra chúng.
Tay máy có nhiều cách phân loại khác nhau, từ phân loại theo cấu trúc dẫn
động (mạch kín, mạch hở), theo tính chất cơ học (cứng, mềm), theo năng lượng
sử dụng (điện, khí nén, thủy lực..), theo chức năng công nghệ…
Ở mỗi hình thức phân loại này, mỗi nhóm lại có những robot đặc biệt ở
khía cạnh nó không giống các robot khác thường thấy trong nhóm đó. Phần giới
thiệu về robot đặc biệt này chỉ dừng lại trong phạm vi các nghiên cứu của nhóm
“Cơ điện tử ứng dụng” thuộc Bộ môn Cơ điện tử, thành lập theo quyết định số
18/ QĐ-ĐHKTCN ký ngày 18/3/2018, do PGS TS. Phạm Thành Long làm
trưởng nhóm.
1.1 Các tay máy phản hồi công suất
Robot là một cơ cấu chấp hành, để đạt độ chính xác yêu cầu thường được
điều khiển phản hồi để tạo thành thiết bị kiểu servo. Có hai hình thức để cấu

trúc hệ servo là phản hồi công suất và phản hồi tín hiệu. Ở hình thức phản hồi
tín hiệu, hệ cơ điện tử này cần khởi tạo dữ liệu bằng một cảm biến, cảm biến
này có chức năng chuyển đổi chuyển vị, vận tốc, gia tốc, lực hoặc mô men
thành tín hiệu điện để truyền về vi xử lý. Tín hiệu này được so sánh với tín hiệu
đặt để ra quyết định điều chỉnh lại tác động điều khiển cho phù hợp với mục
đích đề ra.

Hình 1. 1 Hệ Cơ điện tử với phản hồi tín hiệu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




3

Hình 1. 2 Hệ servo với phản hồi công suất
Trong một số môi trường khắc nghiệt như áp suất cao, bụi bẩn, nóng ẩm,
dầu mỡ..việc bố trí các cảm biến không đảm bảo thì sẽ cần đến phản hồi công
suất.
Tay máy phản hồi công suất sẽ đưa trực tiếp dòng công suất quay lại ngõ
vào để hợp nhất với công suất tại điểm hợp thông qua một cơ cấu vi sai cơ khí.
Hệ thống này không cần cảm biến và vi điều khiển, nhưng nó cần có cơ cấu
cộng cơ khí. Điều này làm hệ thống cồng kềnh, giảm hiệu suất truyền dẫn và
gây khó khăn cho việc thiết kế và chế tạo. Với các cơ cấu phản hồi công suất
có nhiều bậc tự do, số lượng cơ cấu cộng tỉ lệ với số bậc tự do làm trọng lượng
tăng lên đáng kể.

a

b

3a. Nguyên lý truyền dẫn song song dư

c

3b. Minh họa kết cấu

Hình 1. 3 Cấu trúc phản hồi công suất của truyền dẫn một bậc tự do

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




4

2'

3"
B'

3'

1

B
3

2

3x
Bx

3x

A

d3

d3

C

Bx

4

2
C

A

2
4

5

D

4

d2

d1

d2

B
d1

7

B

D

6

d2

d1
d3

Hình 1. 4 Sơ đồ động học của cơ cấu cổ tay cầu ba bậc tự do thiết kế theo lý
thuyết dòng năng lượng khép kín [1]
Về phương pháp thiết kế, vì các cơ cấu vi sai trong hệ thống được đánh số
thứ tự chân riêng sau đó nhận diện cách nối hoàn thiện sơ đồ động học dựa vào
mô hình toán của nó, do vậy cách thiết kế khá phức tạp, phương pháp này được
gọi là phương pháp lát cắt [1], nó có ý tưởng từ việc ràng buộc tỉ số truyền của
một chuỗi kín phải bằng 1.
Trên thực tế các cơ cấu này nhắm đến việc khử các khe hở mặt bên của bộ

truyền bánh răng ở cổ tay cầu. Khi xác định mỗi chuyển động Roll, pitch hoặc
yaw được điều khiển từ một nguồn duy nhất và nguồn dẫn động bố trí xa tâm
cầu để đạt được cấu trúc có trọng tâm tốt nhất cần sử dụng đến 5 bộ vi sai cơ
khí. Tuy hiệu suất thấp, thiết kế khó khăn, cấu trúc này lại điều khiển đơn giản
do nó khử được chuyển động theo làm cho các bậc tự do chuyển động độc lập

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




5
hay kết hợp đều dễ dàng giống như truyền động độc lập hoàn toàn giữa các bậc
tự do.
1.2 Các tay máy mềm
Ngày nay có hai xu hướng đang hiện diện trong robot khá phổ biến là nâng
cao tốc độ công tác để nâng cao năng suất lao động và tăng tỉ số công suất/ khối
lượng nhằm nâng cao khả năng sinh công của tay máy.
Tay máy mềm đáp ứng cả hai yêu cầu nói trên ngoại trừ việc các biến dạng đàn
hồi làm cho điểm cuối của chuỗi động học vấp phải sai số đáng kể. Với một
cấu trúc cơ điện tử như robot, khả năng của thiết bị được quy định bởi cả phần
cứng và phần mềm, trong đó ý tưởng cơ bản để điều khiển chính xác loại tay
máy này là sử dụng các chuyển vị chủ động của các tọa độ suy rộng để bù lại
các chuyển vị không mong muốn do biến dạng đàn hồi sinh ra [2,3].

Hình 1. 5 Các tọa độ suy rộng của tay máy trước và sau biến dạng [2].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

6

Hình 1. 6 Thuật toán bù kép để điều khiển động học robot mềm [3].
Các tay máy này được điều khiển chính xác bằng cách hiệu chỉnh dữ liệu tọa
độ suy rộng và lực suy rộng như chỉ ra ở [3].
1.3 Tay robot không dùng nguồn dẫn động độc lập
Thông thường để đạt được độ linh hoạt tối ưu, các khớp chủ động của robot
thường là khớp loại 5, kèm theo một trong các kiểu động cơ là P (prismatic)
hoặc R(rotate).

Hình 1. 7 Tổ hợp bàn tay lên robot không dùng nguồn độc lập [4].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




7
Tuy nhiờn trong hỡnh thc ht dn ng, mt bõc t nao ú cú th khụng
cú ngun dn ng trc tiờp. Nh võy khõu khụng cú ngun dn ng c lõp
cn cú thiờt kờ thớch hp s dng c ngun nng lng do cỏc khõu khỏc
truyn qua nú.
P2

Trạm A

P3

P1

Home

P8
Nâng cao khỏi đồ gá

Mở kẹp

Kẹp chặt

Nâng cao khỏi đồ gá
P4

huớng tới trạm B

P7

Đặt vật xuống trạm B

P5

P6

Hỡnh 1. 8 Chu k lm vic ca bn tay gia hai trm
Trong [4], gii thiu v tớnh toỏn mt tay kp khụng s dng ngun dn
ng c lõp, nú s dng cac ng c trờn canh tay nh mt ngun dn ng
chớnh thc dn ng cỏc ngún tay kp v nha võt theo cỏc chu ky rnh mch.
Trong trng hp nay, ban tay úng vai trũ nh mt c cõu vi sai cú 6 ngừ
vo (bng s bõc t do cua robot) v mt ngừ ra (chuyn ng cua ngún tay).

Cac ng c u gi ng thi hai chc nng, mt l tham gia vo di chuyn
bn tay theo qu o ng hc xac nh trc. Hai l phi hp cựng cac ng
c khac nộn bn tay ty lờn võt kp nhm kớch hot khúa c khớ úng hay m
ban tay. Robot nay c bit ch c tớnh ng hc cua nú khi chun b d liu
cn tớnh toan ờn ca vic ng thi dn ng úng m bn tay cựng vi di
chuyn bỏm qu o.

S húa bi Trung tõm Hc liu v Cụng ngh thụng tin HTN




8

Hình 1. 9 Các trạng thái khác nhau của bộ khóa cơ

Hình 1. 10 Tay robot không sử dụng nguồn dẫn động độc lập [5].
Tuy nhiên khi đang di chuyển thì không bao giờ đóng hay mở bàn tay,
việc này chỉ xảy ra khi đang ở đích đến [5]. Các động cơ cùng hợp lực nén một
khâu đàn hồi (lò xo 7) làm nguồn dẫn động chính của bàn tay, thay vì cần đến
một động cơ riêng trang bị cho bàn tay, điều này làm cho bàn tay có thể đi với
các robot khác nhau mà không cần can thiệp đến hệ thống điều khiển của robot
đó. Tín hiệu điều khiển là thời điểm xuất hiện phản lực gây nén lò xo 7 sẽ xác
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




9
định thời điểm cần đóng hay mở bàn tay. Khóa cơ khí 4,5,6 sẽ điều khiển bàn

tay có trạng thái thích hợp theo yêu cầu công nghệ.
1.4 Tay đo PCMM
Tay đo PCMM là một robot nhưng không trang bị động cơ mà vận hành
bằng tay, nó có chức năng di chuyển điểm cuối theo một contour định trước để
các encoder gắn với các khớp ghi lại quá trình chuyển động của các khâu tương
ứng, từ đó dùng phương trình động học của robot tính toán được tọa độ của
điểm lấy mẫu và xây dựng ra contour cần đo. Dữ liệu đo có thể xuất dưới dạng
*.txt hoặc *.dwg. [6]
Để thiết kế ra robot này cần giải quyết hai bài toán là độ chính xác của các
khâu và các khớp thành phần [7], xác định điểm chạm trên mặt cầu sử dụng
làm đầu đo tiếp xúc [8].

Hình 1. 11 Tay đo PCMM cấu hình robot hai khâu [6].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




10

Hình 1. 12 Dữ liệu đo một contuor trước và sau khi xử lý qua phần mềm
[7].

Hình 1. 13 Vật thể đo sau khi xử lý smoothness trên Catia [8].
Robot này đặc biệt ở cấu trúc truyền động vừa bằng tay vừa bằng động cơ,
nó cũng đặc biệt ở góc độ chức năng của nó là sử dụng như một máy CMM
xách tay thay vì để sinh công cơ học như các robot khác.
1.5 Máy đo góc nghiêng bánh răng trụ
Máy đo góc nghiêng bánh răng trụ là một robot chuyên dùng cho việc xác

định và hiển thị số góc nghiêng răng β của các bánh răng trụ. Góc nghiêng này
là tham số được ghi trên bản vẽ chế tạo bánh răng có độ chính xác tới 5”, tuy
nhiên ngoại trừ Gear center có giá thành rất cao, chưa có một thiết bị chuyên
dùng nào dùng để đo tham số này.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




11

Hình 1. 14 Sơ đồ khai triển bước xoắn trên mặt trụ dùng thiết kế máy đo
Để có cơ sở chính xác cho vấn đề này, xét sơ đồ khai triển hình 1.14. Muốn
bám được đường chuẩn AC dưới dạng xoắn vít trụ cần có một cấu trúc hai bậc
tự do, robot này được đề xuất như hình 1.15.
Sử dụng một đầu đo với đường kính của con lăn kiểm tiêu chuẩn để có
điểm tiếp xúc trên vòng chia của bánh răng.

Hình 1. 15 Cấu trúc của máy đo dạng robot sử dụng đầu đo tiếp xúc
Chuyển động điều chỉnh T1 được thực hiện bằng tay, các chuyển động (T2,
Q1) phụ thuộc nhau tùy theo giá trị góc nghiêng β của bánh răng.
tg (  ) 

CD
AD

(1.1)

Sử dụng hai cảm biến để đo các đại lượng này sẽ xác định được chính xác

góc nghiêng. Theo [10], quan hệ về độ phân giải của hai cảm biến đo các đại
lượng này được xác định như hình 1.16.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




12

Hình 1. 16 Biểu diễn tương quan độ chính xác các thành phần (T2, Q1)
khi đo góc nghiêng β gián tiếp theo (1.1)
Góc  với sai số cho phép (bao gồm 4 khả năng phân biệt):
tg (    ) 

CD  q1
AD  d 2

(1.2)

Cảm biến quay q1 nếu thực hiện một di chuyển bằng q1(i) thì nó được phép
sai số bằng một nửa cạnh 41, nếu thực hiện một hành trình q1(i+1) thì được phép
sai số một nửa cạnh 85. Tức là nếu sai số tính ra phần trăm đường dịch chuyển
là:
% 

l
l41
.100%  85 .100%
2.Opi
2.Opi 1

(1.3)

Tương tự như vậy với cảm biến đo dịch chuyển tịnh tiến d2 nếu thực hiện
một hành trình bằng d2(i), được phép sai số bằng một nửa đoạn 43. Nếu thực
hiện một hành trình d2(i+1) sai số được phép là dưới một nửa đoạn 87. Tính ra
phần trăm đường dịch chuyển là:
% 

l43
l
.100%  87 .100%
2.Odi
2.Odi 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

(1.4)




13

Hình 1. 17 Thử nghiệm máy đo thực tế tại Disoco
1.6 Cấu trúc truyền động đẳng tốc không gian kiểu robot hụt dẫn động
Đây là một cấu trúc được thiết kế đặc biệt cho mục đích truyền dẫn công
suất giữa hai điểm cách biệt về vị trí và hướng trong không gian. Khi đưa truyền
động quay vào một đầu của cấu trúc, đầu kia sẽ có chuyển động quay trên một
trục khác nhưng luôn đồng tốc với trục vào.

Hình 1. 18 Cơ cấu pesian Joint 6 bậc tự do
Điều đặc biệt ở cấu trúc này là nó chỉ có một khớp đầu tiên đóng vai trò
chủ động, các khớp khác của cấu trúc là khớp thụ động, chỉ nhận công suất
truyền qua nó để truyền tới ngõ ra. Kết cấu cơ khí của cấu trúc đòi hỏi được
thiết kế sao cho có khả năng đổi hướng khi truyền động và ổn định vận tốc giữa
ngõ vào với ngõ ra.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




14

Hình 1. 19 Đồ thị quan hệ vận tốc ngõ vào/ ngõ ra của cơ cấu persian joint
Cơ cấu này được ứng dụng nhiều trong truyền dẫn công suất lớn đòi hỏi
đẳng tốc giữa ngõ vào ngõ ra trong điều kiện có chuyển hướng truyền động
không gian [8,9].
1.7 Đồ gá ổn định thế cấu hình robot
Đồ gá này có chức năng mang một vật cần ổn định thế (vị trí và hướng)
đã chọn trước. Trong quá trình làm việc, giá của cơ cấu này có thể chuyển động
ngẫu nhiên nhưng vật trong bàn tay robot không thay đổi thế đã chọn.
Đây là một robot đặc biệt vì thông thường các robot arm có giá cố định và
bàn tay cùng với cánh tay chuyển động. Việc điều khiển các robot này hoàn
toàn rõ ràng về cách thức thực hiện bài toán, tuy nhiên để ổn định vật trong bàn
tay khi giá di động ngẫu nhiên, bài toán cần xem xét lại khía cạnh mô hình và
phương pháp. Do đó robot này cũng được coi là một dạng robot đặc biệt, sau
khi đã xác lập thế của vật mang, việc điều khiển robot để giữ cho thế của vật
không thay đổi được thực hiện bằng cách tạo ra ngay lập tức các chuyển động
bù, do đó việc đo lường sự thay đổi của thế đã chọn và tác động nhanh đến các

động cơ giữ ổn định là cần thiết. Đây cũng là đối tượng nghiên cứu và nội dung
của bản luận văn này.
Bản thân gá ổn định thế cấu hình robot có thể dưới dạng cấu trúc chuỗi
hoặc cấu trúc song song tùy theo yêu cầu về khả năng mang tải, cũng như hình

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




15
thể tích vùng làm việc của đồ gá. Kỹ thuật tính toán với hai trường hợp này
theo đề xuất của luận văn là không giống nhau.
Kết luận chương 1
Robot là công cụ lao động của tương lai, nó là một tế bào tự trị không thể
thiếu của bất cứ hệ thống tự động thông minh nào. Do kết cấu đa dạng, nhiệm
vụ phong phú, nên việc thường xuyên cập nhật các phương pháp và công cụ
tính toán mới cho robot là cần thiết, nhất là nhóm các robot đặc biệt.
Luận văn này có mục tiêu tập trung giải quyết một vấn đề nhỏ trong số
các lý thuyết nói trên, đó là thiết kế cơ cấu và xây dựng cơ sở để điều khiển một
robot ổn định thế khi giá có chuyển động ngẫu nhiên. Robot cần sử dụng các
bậc tự do của nó để khử đi các tác động cơ học từ giá đến khâu cuối, sao cho
khâu cuối giữ nguyên thế của nó xác lập từ trước đó.
Các robot đặc biệt nói trên trong quá trình tính toán thiết kế đều sử dụng
phương pháp GRG [3], nó cũng được định hướng là phương pháp sẽ sử dụng
trong luận văn này như một sự kết nối về lý luận với các robot đã nghiên cứu
trước đó trong nhóm Cơ điện tử ứng dụng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

16
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC CỦA ĐỒ GÁ ỔN ĐỊNH
THẾ CẤU HÌNH ROBOT
2.1 Giới thiệu đồ gá ổn định thế
2.1.1 Vòng kín có một yếu tố động
Để điều khiển một robot người ta căn cứ trên quan hệ vòng kín về cấu trúc
định vị các khâu tham gia vào sơ đồ công nghệ (hình 2.1). Theo quan điểm điều
khiển, các khâu này được thay thế bằng các hệ quy chiếu gắn với nó (hệ tọa độ
động). Toàn bộ sơ đồ quy chiếu theo một chuẩn thống nhất là hệ quy chiếu cơ
sở gắn với “giá”, hệ quy chiếu cơ sở này không di động. Thông thường thì hệ
quy chiếu suy rộng có chỉ số lớn nhất là hệ quy chiếu động gắn với khâu cuối
đóng vai trò là “đích”, là đối tượng cần xác định thế (vị trí và hướng) chính xác
theo yêu cầu công nghệ. Trong hai đối tượng chính thì thông thường “đích” di
động và “giá” tĩnh.
A3

base point
O0
A1

A4
A5

zB
A2

A 2 O1

A6
T

joint spaces

P

A1

An
Ov

O0

ODG

A 3 O2

E

On-1
R

X

X

E
ODG

On
T

work space

OV
R

P
tool point

Hình 2. 1 Quan hệ giữa giá O0 và đích P ở robot công nghiệp
Trên hình 2.1 diễn tả tình huống robot có giá O0 là cố định còn đích là mút
P của dụng cụ T di chuyển bám sát theo mút của véc tơ dẫn R. Đây là tình
huống thông dụng của hầu hết các robot, vòng kín để hình thành xích tính toán
phải qua hai điểm bắt buộc là “giá O0” và “đích P”, trong trường hợp này “giá
O0” đứng yên và “đích P” di động, để điều khiển bắt buộc cập nhật vị trí của
‘đích P” liên tục hoặc cập nhật gián đoạn kết hợp nội suy. Từ quan hệ vòng kín
này sẽ suy ra được thế của đích so với giá.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN