Tài liệu Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại docx

Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại
- 1 -
TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÓ CẤU TRÚC SONG SONG

1.1 Giới thiệu chung về Robot
1.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển Robot
Từ thập niên 50, cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển theo
chương trình số NC (Numerical Control) với sự hỗ trợ của các cơ cấu Servo
và các hệ điện toán (Computation), ý tưởng kết hợp điều khiển NC với các
cơ cấu điều khiển từ xa được hình thành và triển khai nghiên cứu. Vào giữa
những năm 50, bên cạnh các tay máy chép hình cơ khí, đã xuất hiện các loại
tay máy chép hình thủy lực và điện từ như tay máy Minotaur I hoặc tay máy
Handyman của General Electric. Năm 1954 George C.Devo đã thiết kế một
thiết bị có tên là “Cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo chương trình”.
Đến năm 1956 Devol cùng với Joseph F.Engelber, một kỹ sư công nghiệp
hàng không, đã tạo ra loại Robot công nghiệp đầu tiên năm 1969 ở công ty
Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm Robot đầu tiên này.
Từ năm 1972 bắ
t đầu thời kỳ của các Robot thế hệ thứ hai: Robot được
điểu khiển bằng máy tính có các cơ quan cảm xúc là các cảm biến liên hệ
ngược. Đại diện cho thế hệ này là Robot Shakey của viện nghiên cứu
Stanford. Nó là sự thể hiện tổng hợp của các thành tựu Khoa học - Kỹ thuật -
Công nghệ Cơ khí - Điện - Điện tử - Điều khiển tự động - Tin học. Robot
b
ắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực: từ sản xuất đến
nghiên cứu khoa học,cả y tế và đời sống hàng ngày.
Năm 1976 chiếc máy công cụ CNC sử dụng Microcomputer ra đời.
Trong giai đoạn những năm 80 và 90 với sự phát triển vũ bão của Khoa
học - Kỹ thuật - Công nghệ, quy mô sản xuất và nghiên cứu khoa học, thế
giới được thừa hưởng nhi
ều thành quả của nó, đặc biệt về máy tính và tin

học làm thay đổi về chất các trang thiết bị, tổ chức điều hành sản xuất và đời
sống như:
+ Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính - CAD.
+ Sản xuất với sự trợ giúp của máy tính - CAM.
+ Hệ thống sản xuất mềm, linh hoạt - FMS.
+ Sản xuất tích hợp máy tính - CIM.
+ Sản xuất đúng lúc JIT.
+ Điề
u hành quản lý chất lượng toàn diện - TQM
+ Sản xuất với chiến lược toàn cầu - WCM.
Những năm đầu tiên của thế kỷ 21, Robot đang bước sang thế hệ mới. Từ
các Robot điều khiển theo kiểu thao tác (Manual Input) rồi đến kiểu Dẫn -
Dạy, các kiểu điều khiển này đựợc gọi chung là điều khiển có chương trình
Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại
- 2 -
dẫn đường và các Robot kiểu này thường được gọi là Robot khéo léo (Robot
Habilis). Tiếp đến là các Robot có trình điều khiển thích nghi - thông minh,
Robot có trí khôn (Robot Spiens).
Sự tiến bộ của Khoa học - Kỹ thuật - Công nghệ gần như thuộc mọi lĩnh
vực Cơ học - Cơ khí - Điện - Điện tử - Điều khiển tự động - Máy tính - Tin
học - Sinh vật học đều được thể hiện trên sự
phát triển của Robot. Những
ứng dụng mới nhất của Robot vào y học có thể kể như Robot phẫu thuật và
thay thế các cơ quan hoạt động của con người, để mô phỏng các loại sinh
vật.
Những kết qủa tiến bộ của Khoa học - Kỹ thuật - Sản xuất cho đến những
năm 1970 đã hình thành khoa học Roboties và Cơ - Điện tử (Mechatronics),
từ đó cũng bắ
t đầu đào tạo các chuyên gia kỹ thuật thuộc lĩnh vực Robot và
Cơ - Điện tử.

Trong những năm gần đây, robot công nghiệp chủ yếu được dùng cho các
thao tác lặp lại nhiều lần và trong các môi trường nguy hiểm. Xu hướng của
con người là chế tạo ra các robot thông minh, giúp việc nhà, giúp người tàn
tật,... Mặc dù có nhiều lỗ lực để phát triển robot thông minh, nhưng các loại
robot có thể mô phỏng nhiều chức năng c
ủa con người vẫn còn những hạn
chế nhất định, đòi hỏi sự phát triển của công nghệ và trí tuệ nhân tạo.

1.1.2 Robot có cấu trúc song song
a) Giới thiệu chung
Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hóa trong sản xuất, các cơ cấu
Robot cũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú. Trong những
thập niên gần đây, Robot cấu trúc song song được Gough và Whitehall
nghiên cứu năm 1962 và sự chú ý ứng dụng của Robot cấu trúc song song đã
được khởi động bởi Stewart vào năm 1965. Ông là người cho ra đời một
buồng (phòng) tập lái máy bay dựa trên cơ cấu song song. Hiện nay cơ cấu
song song
được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Loại Robot song song điển hình gồm có bàn máy động được nối với giá cố
định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là số chân. Thường
số chân bằng số bậc tự do, được điều khiển bởi nguồn phát động đặt trên giá
cố định hoặc ngay trên chân. Chính lý do này mà các Robot song song đôi
khi gọi là các Robot có bệ. Các cơ cấu tác động điều khiển t
ải ngoài, nên cơ
cấu chấp hành song song thường có khả năng chịu tải lớn.
Do tính ưu việt của Robot song song nên ngày càng thu hút được nhiều nhà
khoa học nghiên cứu, đồng thời cũng được ứng dụng ngày càng rộng rãi vào
nhiều lĩnh vực:
+ Ngành Vật lý : Giá đỡ kính hiển vi, giá đỡ thiết bị đo chính xác.
Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại

- 3 -
+ Ngành Cơ khí : Máy gia công cơ khí chính xác,máy công cụ.
+ Ngành Bưu chính viễn thông : Giá đỡ Ăngten, vệ tinh địa tĩnh.
+ Ngành chế tạo ôtô : Hệ thống thử tải lốp ôtô, buồng tập lái ôtô.
+ Ngành quân sự : Robot song song được dùng làm bệ đỡ ổn định được
đặt trên tàu thủy, các công trình thủy, trên xe, trên máy bay, trên chiến xa và
tàu ngầm. Để giữ cân bằng cho ăngten, camera theo dõi mục tiêu, cho rada,
cho các thiết bị đo laser, bệ ổn định cho pháo và tên lửa, buồng tập lái máy
bay, xe tăng, t
ầu chiến.
b) Một số ưu nhược điểm của Robot song song
Nhìn chung, tất cả các lọai Robot có cấu trúc song song đều có nhiều ưu
điểm và có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, các bộ mô hình máy
bay, các khung đỡ kiến trúc có khớp nối điều chỉnh, các máy khai thác mỏ ...
- Ưu điểm :

+ Khả năng chịu tải cao: các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên khối
lượng của các thành phần cũng nhỏ hơn.
+ Độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng:
Tât cả các lực tác động đồng thời được chia sẻ cho tất cả các chân.
Cấu trúc động học một cách đặc biệt của các khớp liên kết cho phép
chuyển tất cả các lực tác dụng thành các lực kéo/nén c
ủa các chân.
+ Có thể thực hiện được các thao tác phức tạp và họat động với độ
chính xác cao: với cấu trúc song song, sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc
trục của các cụm cơ cấu chân riêng lẻ và các sai số không bị tích lũy.
+ Có thể thiết kế ở các kích thước khác nhau.
+ Đơn giản hóa các cơ cấu máy và giảm số lượng phần tử do các chân
và khớp nối được thiết kế sẵ
n thành các cụm chi tiết tiêu chuẩn.

+ Cung cấp khả năng di động cao trong quá trình làm việc do có khối
lượng và kích thước nhỏ gọn.
+ Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền.
+ Tầm hoạt động của Robot cơ cấu song song 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 như: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp...
+ Các Robot cơ cấu song song làm việc không cần bệ đỡ và có thể di
chuyển tới mọi nơi trong môi trường sản xuất. Chúng có thể làm việc ngay
cả khi trên thuyền và treo trên trần, tường ...
+ Giá thành của các Robot song song ứng dụng trong gia công cơ khí ít
hơn so với máy CNC có tính năng tương đương.
Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại
- 4 -
- Nhược điểm:

Tuy nhiên các Robot song song cũng có những nhược điểm nhất định khi
so sánh với các Robot chuỗi như:
+ Khoảng không gian làm việc nhỏ và khó thiết kế.
+ Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp...
+ Có nhiều điểm suy biến (kỳ dị) trong không gian làm việc.

1.2 Cấu trúc Robot song song
1.2.1 Cấu trúc cơ cấu
Cũng như các Robot thông thường, Robot song song là loại Robot có cấu
trúc vòng kín trong đó các khâu (dạng thanh) được nối với nhau bằng các
khớp động.
Sơ đồ động cơ cấu tay máy thông thường là một chuỗi nối tiếp các khâu
động, từ khâu ra (là khâu trực tiếp thực hiện thao tác công nghệ) đến giá cố
định. Còn trong Robot song song, khâu cuối được nối với giá cố định bởi

một số mạch động học, tức là nối song song với nhau và c
ũng hoạt động
song song với nhau. Sự khác nhau về sơ đồ động đó cũng tạo nên nhiều đặc
điểm khác biệt về động học và động lực học.

1.2.2 Khâu, khớp, chuỗi động và máy trong cơ cấu Robot song song
- Khâu : Là phần có chuyển động tương đối với phần khác trong cơ cấu.
Chúng ta coi tất cả các khâu là các vật rắn. Điều đó làm cho việc nghiên
cứu các cơ cấu, Robot được dễ dàng và đơn giản hơn. Tuy nhiên, với các cơ
cấu tốc độ cao hoặc mang tải lớn thì hiện tượng đàn hồi của vật liệu trở nên
quan trọng đáng kể và chúng ta phải xét đến.
- Kh
ớp : Là chỗ nối động giữa hai khâu.
Tùy theo cấu trúc, mỗi khớp hạn chế một số chuyển động giữa hai khâu.
Bề mặt tiếp xúc của mỗi khâu tại khớp gọi là một thành phần khớp. Hai
thành phần khớp tạo thành một khớp động. Khớp động có thể phân thành
khớp thấp và khớp cao tùy thuộc vào dạng tiếp xúc.
+ Khớp thấp: Nếu hai thành phần tiếp xúc là mặt.
+ Kh
ớp cao: Nếu hai thành phần tiếp xúc là điểm hoặc đường.
Có 6 loại khớp thấp và hai loại khớp cao cơ bản thường dùng trong các
cơ cấu máy và các Robot, đó là:
+ Khớp quay (Revolute Joint - R) : Khớp để lại chuyển động quay của
khâu này đối với khâu khác quanh một trục quay. Nghĩa là khớp quay hạn
Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại
- 5 -
chế 5 khả năng chuyển động giữa hai thành phần khớp và có một bậc tự do .
Khớp quay thường được gọi là khớp quay bản lề.
+ Khớp lăng trụ (Prismatic Joint - P) : Cho phép hai khâu trượt trên
nhau theo một trục. Do đó, khớp lăng trụ hạn chế 5 khả năng chuyển động

tương đối giữa hai khâu và có một bậc tự do. Người ta cũng thường gọi khớp
lăng trụ
là khớp tịnh tiến.
+ Khớp trụ (Cylindrical Joint - C) : Cho phép hai chuyển động độc lập,
gồm một chuyển động quay quanh trục và chuyển động tịnh tiến dọc trục
quay. Do đó, khớp trụ hạn chế 4 khả năng chuyển động giữa hai khâu và có
hai bậc tự do.
+ Khớp ren (Helical Joint - H) : Cho phép chuyển động quay quanh trục
đồng thời tịnh tiến theo trục quay. Tuy nhiên chuyển động tịnh tiến phụ
thuộc vào chuy
ển động quay bởi bước của ren vít. Do đó, khớp ren hạn chế
5 chuyển động tương đối hai khâu và còn lại một bậc tự do.
+ Khớp cầu (Spherical Joint - S) : Cho phép thực hiện chuyển động
quay giữa hai thành phần khớp quanh tâm cầu theo tất cả các hướng, nhưng
không có chuyển động tịnh tiến giữa hai thành phần khớp này. Do đó, khớp
cầu hạn chế 3 khả năng chuyển động và có ba bậc t
ự do.
+ Khớp phẳng (Plane Joint - E) : Cho hai khả năng chuyển động tịnh
tiến theo hai trục trong mặt tiếp xúc và một khả năng quay quanh trục vuông
góc với mặt phẳng tiếp xúc. Do đó, khớp phẳng hạn chế 3 bậc tự do và có ba
bậc tự do.
+ Khớp bánh răng phẳng (Gear Pair - G) : Cho hai bánh răng ăn khớp
với nhau. Các mặt răng tiếp xúc đẩy nhau, chúng thường trượt trên nhau. Do
đó, khớp bánh răng phẳng hạn chế
4 khả năng chuyển động tương đối giữa
hai thành phần khớp, còn lại hai bậc tự do.
+ Khớp cam phẳng (Cam Pair - Cp) : Tương tự như khớp bánh răng, hai
thành phần khớp luôn tiếp xúc với nhau. Do đó, khớp cam phẳng có hai bậc
tự do.
Khớp quay, khớp lăng trụ, khớp trụ, khớp ren, khớp cầu và khớp phẳng là

các khớp thấp. Khớp bánh răng phẳng và khớp cam phẳng là các khớp cao.
- Chuỗi động : Là tập hợp các khâu được nối với nhau bằng các khớp
động. Robot nối tiếp có cấu trúc chuỗi hở, còn Robot song song có cấu trúc
là chuỗi kín. Chuỗi động học được gọi là cơ cấu khi một trong các khâu là
giá cố định. Trong cơ cấu có thể có một hoặc nhiều khâu được ấn định là
khâu dẫn với các thông số cho trước. Sự chuyển động của các khâu dẫn là
độc lập, sự
chuyển động của các khâu khác sẽ phụ thuộc vào chuyển động
của khâu dẫn. Cơ cấu là một thiết bị truyền chuyển động từ một hay nhiều
khâu dẫn tới các khâu khác.
Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại
- 6 -
- Máy móc : Gồm một hoặc nhiều cơ cấu, cùng với các thành phần điện,
thủy lực và/hoặc khí nén, được dùng để biến đổi năng lượng bên ngoài thành
cơ năng hoặc dạng năng lượng khác. Cơ cấu chấp hành của hệ thống robot là
cơ cấu. Để cơ cấu này trở thành máy cần phải có bộ điều khiển dựa trên bộ
vi xử lý, bộ
mã hóa và/hoặc các cảm biến lực, cùng với các bộ phận khác,
chẳng hạn hệ thống quan sát, phối hợp với nhau để chuyển đổi năng lượng
bên ngoài thành công hữu ích. Mặc dù máy có thể gồm một hoặc nhiều cơ
cấu, nhưng cơ cấu không phải là máy, do không thực hiện công, chỉ có chức
năng truyền chuyển động.

1.2.3 Bậc tự do của Robot cấu trúc song song
Xét hai vật thể (hay hai khâu) A và B để rời nhau trong không gian. Gắn
vào A một hệ tọa độ Đề các Oxyz (Hình I.1) thì B sẽ có 6 khả năng chuyển
động tương đối so với A, hay nói cách khác là giữa A và B có 6 khả năng
chuyển động tương đối, ta gọi là 6 bậc tự do tương đối.
Các khả năng chuyển động độc lập là :
- Các chuyển động tịnh tiến dọc các trục Ox, Oy, Oz, kí hiệu là T

x
, T
y
, T
z
- Các chuyển động quay quanh các trục Ox, Oy, Oz, kí hiệu là R
x
, R
y
, R
z










Hình 1.1: Các khả năng chuyển động tương đối giữa hai vật thể
Định nghĩa: Bậc tự do của cơ cấu là số thông số độc lập tuyến tính cần
thiết hoàn toàn xác định vị trí của cơ cấu. Ta có thể xác định được biểu thức
tổng quát về số bậc tự do của cơ cấu theo số khâu, số khớ
p, và kiểu khớp
trong cơ cấu.
Để thông nhất cho việc tính toán số bậc tự do của cơ cấu,ta sử dụng các kí
hiệu sau:
c

i
: Số ràng buộc của khớp i.
B
Y
A
Z
X
T
z
z
R
y
T
R
y
x
R
x
T
Tổng quan về Robot cấu trúc song song và phân loại
- 7 -
F: Số bậc tự do của cơ cấu.
f
i
: Số chuyển động tương đối được phép của khớp i.
j: Số khớp trong cơ cấu.
j
i
: Số khớp với i bậc tự do.
L : Số vòng độc lập trong cơ cấu.

n : Số khâu trong cơ cấu, kể cả khâu cố định.
λ
: Số bậc tự do trong không gian làm việc của cơ cấu.
Ta giả thiết tất cả các khớp đều là hai chiều, khớp ba chiều được coi là hai
khớp hai chiều, khớp bốn chiều được coi là ba khớp hai chiều, ... Ngoài ra,
còn giả thiết một giá trị λ được dùng cho các chuyển động của tất cả các
khâu chuyển động, chúng đều vận hành trong không gian làm việc, do đó
λ=6 đối với cơ cấu không gian, và λ = 3
đối với cơ cấu phẳng và cơ cấu cầu.
Giá trị bậc tự do của cơ cấu chính bằng số bậc tự do của tất cả các khâu
hoạt động trừ đi số ràng buộc bởi các khớp. Do đó, nếu các khâu đều tự do,
số bậc tự do của cơ cấu n - khớp , với một khớp cố định, sẽ bằng
λ
( n-1 ).
Tuy nhiên, tổng các ràng buộc của các khớp là bằng
1
j
i
i
c
=
∑
, do đó giá trị
bậc tự do của cơ cấu được tính theo phương trình:

1
(1)
j
i
i

f nc
λ
=
=−−
∑
(1.1)
Số ràng buộc của một khâu và số bậc tự do của khâu đó bằng thông số
chuyển động λ, do đó :

ii
cf
λ
=+
(1.2)
Do tổng các ràng buộc của các khâu là:

11 1
()
jj j
ii i
ii i
cfjf
λλ
== =
=−=−
∑∑ ∑
(1.3)
Thay phương trình ( 1.3) vào phương trình (1.1) ta được:

1

(1)
j
i
i
f nj f
λ
=
=−−−
∑
(1.4)
Phương trình (1.4) được gọi là tiêu chuẩn Gr
&&
u
bler hoặc Kutzbach.
Tiêu chuẩn Gr
&&
u
bler đúng cho trường hợp các ràng buộc tại các khớp là
độc lâp và không dư. Ví dụ một khớp quay cầu liên kết chuỗi với khớp quay
có trục xuyên qua tâm của khớp cầu sẽ tạo ra một bậc tự do thừa. Kiểu bậc
tự do này gọi là bậc tự do thụ động, cho phép khâu trung gian quay tự do
quanh trục được xác định từ hai khớp đó. Mặc dù khâu trung gian có khả
Tng quan v Robot cu trỳc song song v phõn loi
- 8 -
nng truyn lc hoc momen v chuyn ng cho cỏc khõu khỏc, nhng nú
khụng cú kh nng truyn momen cho trc th ng.
Núi chung, cỏc khõu hai chiu vi cỏc cp S-S, S-E, E-E u cú bc t do
th ng. Bng sau thng kờ s phi hp cỏc khõu loi hai chiu vi cỏc
khp S-S, S-E, E-E vi cỏc khp cui cựng ca chỳng cú mt bc t do.

STT Kiu Bc t do th ng (tha)
1 S-S Quay quanh trc i qua cỏc tõm khp cu.
2 S-E Quay quanh trc i qua tõm khp cu v vuụng gúc vi mt
phng ca khp phng
3 E-E Trt dc trc song song vi giao tuyn to bi cỏc mt phng
ca khp phng. Nu hai mt phng ny song song s cú ba bc
t do th ng ( tha ).

Bc t do th ng khụng th truyn momen v chuyn ng cho trc th
ng. Khi cú mt khp loi ny tn ti trong c cu, cn tr i mt bc t
do t phng trỡnh tinh bc t do. Gi s, f
p
l s bc t do th ng trong
c cu thỡ s bc t do ch ng trong c cu l:

1
(1)
j
ip
i
f nj f f

=
=

(1.5)
Vớ d: C cu khụng gian Stewart - Gough.

S
P
S
Khớ p cầu
Khớ p lă ng trụ
Khớ p cầu
Bàn má y động
Đế cố định