Tính toán, thiết kế và mô hình hóa mô phỏng động học robot delta

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ MƠ HÌNH HĨA
MƠ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT DELTA

Sinh viên thực hiện

: NGUYỄN CẢNH NAM CAO

Lớp

: 54K2 KTĐK & TĐH

Giảng viên hƣớng dẫn : ThS. HỒ SỸ PHƢƠNG

Nghệ An, 07-2018


TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH

VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:

TÍNH TỐN, THIẾT KẾ VÀ MƠ HÌNH HĨA
MƠ PHỎNG ĐỘNG HỌC ROBOT DELTA

Sinh viên thực hiện

: NGUYỄN CẢNH NAM CAO

Lớp

: 54K2 KTĐK & TĐH

Giảng viên hƣớng dẫn: ThS. HỒ SỸ PHƢƠNG
Cán bộ phản biện

: PGS.TS. NGUYỄN HOA LƢ

Nghệ An, 07-2018


MỞ ĐẦU
Ngày nay, việc ứng dụng robot công nghiệp vào trong sản xuất là rất phổ
biến. Những robot này đƣợc gắn với dây chuyền sản xuất để thay con ngƣời làm
những cơng việc mang tính lặp đi lặp lại nhàm chán với một năng suất vƣợt trội và
độ tin cậy cao.
Robot công nghiệp đƣợc chia làm hai loại chủ yếu là robot chuỗi hở và robot
song song. Robot chuỗi hở có độ linh hoạt cao, khơng gian làm việc rộng nhƣng độ
cứng vững không cao, các động cơ dẫn động thƣờng đƣợc gắn trên khâu động nên

quán tính lớn và vì thế thao tác với độ chính xác thấp. Robot song song tuy có
khơng gian làm việc bị hạn chế và xuất hiện các điểm kì dị làm cho robot thiếu hoặc
thừa bậc tự do nhƣng loại này lại có điểm mạnh là độ cứng vững cao do sự ràng
buộc giữa các khâu của chuỗi động học kín, khớp truyền động là cố định và đặc biệt
hơn là nó có thể thực hiện đƣợc các chuyển động với vận tốc cao mà khơng sợ bị
hạn chế về mặt qn tính. Để đáp ứng những yêu cầu đặt ra ngày nay của xã hội và
sự cần thiết của sản phẩm, em đã thực hiện nghiên cứu đề tài: “Tính tốn, thiết kế
và mơ hình hóa mơ phỏng động học robot Delta”.
Do kiến thức còn hạn chế và thời gian hạn hẹp nên em khơng tránh khỏi
những sai sót trong q trình hoàn thành đồ án. Em rất mong nhận đƣợc các ý kiến
đóng góp từ Thầy (Cơ giáo) và các bạn để có thể hiểu biết hơn và hồn thiện q
trình làm việc sau này.
Em xin chân thành cảm ơn!

Nghệ An, tháng 07 năm 2018
Ngƣời thực hiện
Nguyễn Cảnh Nam Cao

1


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU……… .........................................................................................................1
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................4
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................6
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ROBOT DELTA ......................................................9
1.1.Giới thiệu chung ....................................................................................................9
1.2. Phân loại ..........................................................................................................15
1.2.1.Kiểu 3-PRPaR ..................................................................................................15
1.2.2.Kiểu 3-RRPaR ..................................................................................................16

1.2.3.Kiểu 3-P2S2S ...................................................................................................17
1.2.4.Kiểu 3-R2S2S...................................................................................................18
CHƢƠNG 2: TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC CHO DELTA ROBOT ..........................20
2.1. Cấu trúc hình học của Delta Robot ....................................................................20
2.2.Cấu trúc một nhánh của Delta Robot ..................................................................21
2.3.Bài tốn vị trí .......................................................................................................22
2.3.1.Hình học cơ cấu................................................................................................22
2.3.2.Động học ngƣợc ...............................................................................................22
2.3.3.Động học thuận ................................................................................................24
2.4.Các cấu hình đặc biệt ..........................................................................................27
CHƢƠNG 3: MƠ HÌNH HĨA MƠ PHỎNG ROBOT DELTA TRÊN
SOLIDWORKS ....................................................................................................33
3.1. Giới thiệu phần mềm Solidworks ......................................................................33
3.1.1.Tính năng thiết kế trên phần mềm Solidworks ................................................34
3.1.2. Tính năng lắp ráp các chi tiết ..........................................................................34
3.1.3. Xuất bản vẽ trên phần mềm solidworks ..........................................................34
3.1.4. Tính năng gia cơng trên Solidworks ...............................................................35
3.1.5. Phân tích động lực học trên Solidworks .........................................................35
3.1.6. Ƣu điểm Solidworks .......................................................................................35
3.1.7. Một số chi tiết đƣợc vẽ trên phần mềm solidwork ..........................................36
3.2. Mô phỏng Delta Robot trên Solidworks ............................................................37

2


3.2.1 Các cụm chi tiết Robot Delta ...........................................................................37
3.2.2. Robot Delta sau khi mate hồn chỉnh .............................................................39
3.2.3. Tiến hành mơ phỏng........................................................................................39
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................42
1. Kết luận: ...............................................................................................................42

1.1. Kết quả đạt đƣợc ................................................................................................42
1.2. Vấn đề còn tồn tại ..............................................................................................42
2. Kiến nghị: .............................................................................................................42
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................44

3


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ của robot Delta (theo bằng sáng chế Hoa Kỳ số 4,976,582) ...........9
Hình 1.2. Robot Line-Placer của hãng Demaurex dùng để đóng gói bánh quy. ......11
Hình 1.3. SurgiScope đang vận hành tại Surgical Robotics lab, ..................................
Đại học Humboldt, Berlin .........................................................................................12
Hình 1.4. Robot Delta của hãng Hitachi Seiki thực hiện chức năng ........................13
nâng - đặt và khoan. ..................................................................................................13
Hình 1.5. Hai trong ba robot được SIG Pack Systems giới thiệu, C33 và CE33 ....14
Hình 1.6.Cấu trúc kiểu 3-PRPaR ..............................................................................15
Hình 1.7. Cấu trúc kiểu 3-RRPaR .............................................................................16
Hình 1.8. Cấu trúc kiểu 3-P2S2S ..............................................................................17
Hình 1.9. Cấu trúc kiểu 3-R2S2S ..............................................................................18
Hình 2.1. Cấu trúc hình học của Delta Robot ..........................................................20
Hình 2.2. Lược đồ hóa cấu trúc cơ cấu Delta Robot ................................................21
Hình 2.3. Cấu trúc của một nhánh Delta Robot .......................................................21
Hình 2.4. Hai nghiệm động học đảo của một nhánh. ...............................................23
Hình 2.5.Cấu hình đặc biệt động học đảo trong đó

. ..................................29

Hình 2.6.Cấu hình đặc biệt động học đảo trong đó

. ..................................29

Hình 2.7.Cấu hình đặc biệt động học thuận trong đó mọi liên kết nhánh phía trên
đều trong mặt phẳng bệ di động. ..............................................................................31
Hình 2.8.Cấu hình đặc biệt động học thuận khi hai liên kết nhánh trên song song
với nhau. ....................................................................................................................32
Hình 3.1. Chi tiết cơ khí ............................................................................................37
Hình 3.2. Mơ hình mơ phỏng ....................................................................................37
Hình 3.3. Mơ hình khung...........................................................................................37
Hình 3.4. Cụm motor .................................................................................................38
Hình 3.5. Cụm gắp ....................................................................................................38
Hình 3.6. Cụm tay giằng ...........................................................................................39
Hình 3.7. Robot Delta ...............................................................................................39
Hình 3.8. Trạng thái ban đầu ....................................................................................40

4


Hình 3.9. Tiến hành xác định và gắp vật ..................................................................40
Hình 3.10. Tiến hành nhả vật ....................................................................................41
Hình 3.11. Quay về trạng thái chờ ban đầu ..............................................................41

5


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Bậc tự do (dof) của cấu trúc kiểu 3-PRPaR .....................................15
Bảng 1.2: Bậc tự do (dof) của cấu trúc kiểu 3-RRPaR ....................................16
Bảng 1.3: Bậc tự do (dof) của cấu trúc kiểu 3-P2S2S ......................................17
Bảng 1.4: Bậc tự do (dof) của cấu trúc kiểu 3-R2S2S .....................................18

6


TĨM TẮT
Ngành cơng nghiệp robot trên thế giới đã đƣa đƣợc sản phẩm là robot công
nghiệp để phục vụ sản xuất, thậm chí phục vụ nhu cầu giải trí cũng nhƣ chăm sóc
con ngƣời. Với ngành cơng nghiệp của Việt Nam thì robot chƣa đƣợc xuất hiện
nhiều trong các dây truyền sản xuất. Vì sản phẩm này cịn q đắt đối với thị trƣờng
Việt Nam.
Nhằm nội địa hóa sản phẩm, cũng nhƣ nghiên cứu chuyên sâu về robot, em
chọn đề tài “Tính tốn, thiết kế và mơ hình hóa mơ phỏng động học robot
Delta”. Đề tài này hƣớng tới có thể tiến hành chế tạo cánh tay robot trên thực tế,
xác định vật liệu cũng nhƣ cơ cấu truyền động của mỗi bậc, tính tốn thời gian thực
hiện một chu trình từ đó có phƣơng án kết hợp dây chuyền theo thời gian thực.
Với hình ảnh 3D sẽ giúp sinh viên hƣớng tới thiết kế các loại robot khác
nhau, ứng dụng dc phần mềm Solidwork trong tính tốn, thiết lập góc độ.
Mục đích của đề tài này là nghiên cứu về cấu tạo và xây dựng những giải
pháp phần cứng robot song song ba bậc tự do. Nhằm làm chủ kỹ thuật chế tạo robot,
có thể áp dụng vào phịng thí nghiệm của các trƣờng cao đẳng, đại học cũng nhƣ
ứng dụng trong sản xuất công nghiệp.

PREFACE
The robot industry in the world has brought the product is industrial robots
to serve production, even serving the needs of entertainment as well as human care.
With the industry of Vietnam, the robot has not appeared much in the production
line. This product is too expensive for the Vietnamese market.
For localization of products, as well as in-depth research on robots, I chose
the topic "Calculation, design and modeling of Delta robot dynamics." This
topic aims to be able to construct the actual robot arm, define the material as well as

the actuator of each stage, calculate the time to implement a cycle from which there
is a plan to combine the chain in real time.
With 3D visualization, students will be able to design different types of
robots, using Solidwork software in their calculations, setting angles.

7


The purpose of this thesis is to study the structure and construction of
three-step parallel robot hardware solutions. To be the master of robotics, it is
possible to apply to laboratories of colleges and universities as well as applications
in industrial production.

8


CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ ROBOT DELTA
1.1. Giới thiệu chung
Vào đầu thập niên 80, Reymond Clavel (giáo sƣ của EPFL) đã nảy ra một ý
tƣởng độc đáo là sử dụng cơ cấu hình bình hành để tạo ra một robot song song có ba
bậc tự do tịnh tiến và một bậc tự do quay. Không nhƣ một số bài báo đã xuất bản
đâu đó, ý tƣởng này hồn tồn là của Reymond Clavel chứ không phải bắt chƣớc từ
cơ cấu song song đã đƣợc Willard L. Polard đăng ký bản quyền vào năm 1942, và
vào thời điểm đó Willard L. Polard cũng không hề biết đến giáo sƣ Clavel. Robot
song song Delta đã đƣợc đánh giá là một trong những thiết kế robot song song
thành công nhất với hàng trăm robot đang hoạt động trên toàn thế giới. Năm 1999,
tiến sĩ Clavel đã nhận đƣợc giải thƣởng Golden Robot Award đƣợc tài trợ bởi ABB
Flexible Automation, để tôn vinh những hoạt động sáng tạo của ơng về robot song
song Delta.

Hình 1.1. Sơ đồ của robot Delta (theo bằng sáng chế Hoa Kỳ số 4,976,582).

9


Thiết kế
Ý tƣởng căn bản của thiết kế robot Delta là sử dụng các hình bình hành. Các
hình bình hành cho phép khâu ra duy trì một hƣớng cố định tƣơng ứng với khâu
vào. Việc sử dụng ba hình bình hành hoàn toàn giữ chặt hƣớng của bệ di động duy
trì chỉ với ba bậc tự do tịnh tiến. Các khâu vào của 3 hình bình hành đƣợc gắn với
các cánh tay quay bằng các khớp quay. Các khớp quay của tay quay đƣợc truyền
động theo 2 cách: hoặc sử dụng các động cơ quay (DC hoặc AC servo), hoặc bằng
các bộ tác động tuyến tính. Cuối cùng, cánh tay thứ tƣ đƣợc dùng để chuyển truyền
chuyển động quay từ đế đến khâu tác động cuối gắn trên tấm dịch chuyển.
Việc sử dụng các bộ tác động gắn trên đế và các khâu có khối lƣợng nhẹ cho
phép tấm dịch chuyển đạt đƣợc gia tốc lên đến 50 G trong phịng thí nghiệm và 12
G trong các ứng dụng cơng nghiệp. chính điều này làm cho robot Delta trở thành
một ứng cử viên sáng giá cho các hoạt động nâng – đặt đối với các đối tƣợng nhẹ
(từ 10 gr đến 1 kg). Vùng làm việc của nó là sự giao nhau của 3 đƣờng gờ tròn,
nhƣng robot Delta trên thị trƣờng có thể hoạt động trong vùng làm việc hình trụ với
đƣờng kính là 1 m và có chiếu cao là 0,2 m.
Bằng sáng chế
Thiết kế robot Delta bao gồm 36 bằng sáng chế, mà trong đó các bằng sáng
chế quan trọng nhất là bằng sáng chế WIPO cấp ngày 18/06/1987 (số WO
87/03528), bằng sáng chế Hoa Kỳ ngày 11/12/1990 (số US 4,976,582) và bằng sáng
chế Âu châu ngày 17/07/1991 (số EP 0 250 470). Các bằng sáng chế này đƣợc bảo
hộ tại Hoa Kỳ, Canada, Nhật Bản và hầu hết các quốc gia châu Âu. Các bằng sáng
chế này không chỉ riêng về cấu trúc của robot Delta mà còn liên quan đến các thiết
kế biến thể từ nó mà ra (chẳng hạn nhƣ Triaglide hay Linapod).

Robot Delta trên thị trƣờng
Lịch sử của robot Delta trên thƣơng trƣờng rất dài, phức tạp và vô cùng hấp
dẫn. Mọi chuyện khởi nguồn từ năm 1983 khi mà hai anh em ngƣời Thụy Sĩ là
marc-Olivier và Pascal Demaurex thành lập công ty Demaurex đóng tại Romanelsur-Lausanne, Thụy Sĩ. Vào năm 1987, họ mua giấy phép sử dụng bản quyền robot

10


Delta và đặt ra mục tiêu chính là thƣơng mại hóa robot này vào ngành cơng nghiệp
đóng gói. Sau vài năm, Demaurex đã thành cơng trong việc giữ vai trị trọng yếu
trong thị trƣờng mới mẻ đầy khó khăn này. Và họ cũng đã tiến hành một vài cải tiến
sản phẩm của họ. Bốn phiên bản khác cũng đã đƣợc đƣa ra thị trƣờng với tên gọi là
Pack-Placer, Line-Placer, Top-Placer và Presto. Đến thời điểm hiện nay, Demaurex
tuyên bố đã bán đƣợc hơn 500 robot Delta trên tồn thế giới.

Hình 1.2. Robot Line-Placer của hãng Demaurex dùng để đóng gói bánh quy.
Vào năm 1996, anh em nhà Demaurex đã mua bản quyền robot Delta từ
EPFL. Tuy nhiên, trƣớc khi thƣơng vụ này diễn ra, EPFL củng đã bán 2 giấy phép
sử dụng. Giấy phép đầu tiên là về loại robot có kích cỡ nhỏ (cánh tay và hình bình
hành có chiếu dài nhỏ hơn 800 mm) đƣợc cấp cho Demaurex vào năm 1987. Giấy
phép thứ hai về loại robot có kích cỡ lớn đƣợc bán cho AID và sau đó đƣợc bán lại
cho DeeMed. Cơng ty này sau đó lại đƣợc mua lại bởi Elekta, một công ty Thụy
Điển chuyên về lĩnh vực giải phẫu và sản xuất robot Delta dùng để nâng đỡ kính
hiển vi có khối lƣợng lớn (20 kg), sản phẩm này có tên gọi là SurgiScope. Công
nghệ robot Delta lại một lần nữa đƣợc bán cho Medtronic vào cuối năm 1999.

11


Hình 1.3. SurgiScope đang vận hành tại Surgical Robotics lab,

Đại học Humboldt, Berlin.
Trƣớc thƣơng vụ SurgiScope, Elekta IGS đã tiến hành đàm phán về giấy
phép sử dụng robot Delta của họ với hãng ABB. ABB cũng đã có đƣợc giấy phép
sản xuất robot Delta với các kích cỡ lớn. Cùng thời gian này Demaurex công bố
quyết định sản xuất robot có kích cỡ lớn hơn (khoảng từ 1.200 mm trở lên). Tuy vậy
Demaurex có lẽ khơng sản xuất các robot có kích cỡ lớn hơn vì đã giao ƣớc khơng
thâm nhập vào thị trƣờng robot có kích cỡ 1.200 mm trở lên mà chỉ độc quyền sản
suất các loại có kích cỡ dƣới 800 mm.
Demaurex cũng đã thỏa thuận với một công ty Đức tên là GROB-Werke về
giấy phép sản xuất tên TRIAGLIDE 5g, cũng nhƣ với Mikron Technology Group
về robot Triaglide, cả 2 robot này đều là loại robot Delta đƣợc trang bị động cơ
tuyến tính. Nhƣng thú vị ở chỗ là có một sản phẩm đối chọi với robot Delta với hệ
truyền động tuyến tính là máy xay 3 trục tọa độ Quickstep đƣợc cấp bản quyền cho
hãng Krause & Mauser Group (bản quyền số US 6,161,992). Ngoài ra, Renault
Automation Comau cũng đã giới thiệu tại EMO năm 1999 ở Pari về máy xay Urane
SX, máy này có thiết kế tƣơng tự nhƣ Quickstep.

12


Hình 1.4. Robot Delta của hãng Hitachi Seiki thực hiện chức năng
nâng - đặt và khoan.
Demaurex cũng cấp giấy phép cho một cơng ty Nhật Bản có tên là Hitachi
Seiki đƣợc quyền sản xuất robot Delta có kích cỡ nhỏ dùng để đóng gói (DELTA)
và khoan (PA35). Trên thực tế, Hitachi Seiki là nhà đại diện của Demaurex tại Nhật
Bản.
ABB Flexible Automation đã giới thiệu các robot Delta của mình vào năm
1999, đó là robot có tên IRB 340 FlaxPicker. Ba phân khúc thị trƣờng mà họ hƣớng
tới là các ngành công nghiệp thực phẩm, dƣợc và điện tử. PlexPicker đƣợc trang bị
hệ thống chân khơng đƣợc tích hợp ln vào robot, có khả năng nhấc và nhà nhanh

đối với các vật có khối lƣợng đến 1 kg. Robot đƣợc dẫn hƣớng bởi một thiết bị quan
sát của hãng Cognex và đƣợc trang bị bộ điều khiển ABB S4C. Robot cũng có thể
đƣợc trang bị một bộ điều khiển chuyển động và hệ thống quan sát của hãng Adept
Technology. Vận tốc mà robot này đạt đƣợc khoảng 10 m/s và 3,6 deg/s (khoảng
150 lần nhấc trong một phút), và gia tốc lên đến 100 m/s2 và 1,2 rad/s2. Robot này
có tới 2 phiên bản.
Sau hơn 15 năm giữ vai trò chủ đạo trên thị trƣờng, Demaurex đột nhiên phải
đối diện với quyết định của ABB gia nhập vào thị trƣờng robot loại này. Demaurex
đã thay đổi dòng sản phẩm từ các robot Delta rời rạc chuyển sang sản xuất các cụm
robot hoàn chỉnh. Tuy nhiên, trong một nỗ lực nhằm bảo đảm sự ổn định lâu dài,

13


hãng Demaurex nhỏ bé bắt đầu tìm kiếm đối tác. Và sau đó, Demaurex đã bắt tay
hợp tác với một tập đoàn tại Thụy Sĩ là SIG vào cuối năm 1999.
SIG Group có 3 chi nhánh, mà chỉ với chi nhánh SIG Pack đã có hơn 2.000
nhân cơng - một công ty đủ lớn để hỗ trợ Demaurex nhiều mặt trong việc thâm nhập
thị trƣờng thế giới. Demaurex vẫn giữ tên SIG và thậm chí cả 2 nhà sáng lập và ban
lãnh đạo của SIG. Gần đây, 3 robot Delta khác cũng đã đƣợc SIG Pack Systems
giới thiệu là C23, C33 do Demaurex sản xuất và CE33 do SIG Pack Systems sản
xuất.

Hình 1.5. Hai trong ba robot được SIG Pack Systems giới thiệu, C33 và CE33.
Robot Delta trong giáo dục và nghiên cứu
Robot Delta không chỉ đƣợc ứng dụng trong cơng nghiệp mà cịn đƣợc quan
tâm nghiên cứu trong các phịng thí nghiệm. Rất nhiều biến thể của robot này đã
đƣợc tạo ra, song hầu hết chúng đều gần với thiết kế gốc. Một trong những biến thể
đƣợc tạo bởi đại học Genoa, trong thiết kế này cơ cấu hình bình hành đƣợc thay thế
bằng các cơ cấu tƣơng đƣơng. Một phiên bản khác là robot NUWAR, đƣợc chế tạo

tại đại họcWestern Australia. NUWAR đƣợc thiết kế để có thể đạt gia tốc
600m/s2 robot này khác biệt nhờ sự sắp xếp không đồng phẳng các trục của cơ cấu
chấp hành. Phiên bản với ba động cơ tuyến tính cũng đã đƣợc tạo ra trong phịng thí
nghiệm tạiFerdinand-von-Steinbeis Schule, ETH Zurich, và đại học Stuttgart.
Hiện nay trên thị trƣờng robot thế giới robot Delta vẫn tỏ ra khơng có đối thủ
cạnh tranh về tốc độ thực thi.

14


1.2. Phân loại
1.2.1. Kiểu 3-PRPaR
Kiểu này có ba nhánh và mỗi nhánh gồm có một khớp dẫn động tịnh tiến (P),
hai khớp bản lề (R) và một khớp hình bình hành.

Hình 1.6.Cấu trúc kiểu 3-PRPaR.
Bảng 1.1: Bậc tự do (dof) của cấu trúc kiểu 3-PRPaR
Không gian hoạt động của cơ cấu

λ=6

Số khâu (kể cả khâu cố định) của cơ cấu

n = 17

Số khớp trong cơ cấu

j = 21

Số bậc tự do tƣơng đối của các khớp

trong cơ cấu
Số bậc tự do thừa

ft = 0

Số ràng buộc trùng trong cơ cấu

Rtr = 6

Số ràng buộc thừa trong cơ cấu

Rth = 6

Số bậc tự do của cơ cấu

15


1.2.2. Kiểu 3-RRPaR
Kiểu này có ba nhánh và mỗi nhánh gồm có một khớp dẫn động quay (R),
hai khớp bản lề (R) và một khớp hình bình hành.

Hình 1.7. Cấu trúc kiểu 3-RRPaR.
Bảng 1.2: Bậc tự do (dof) của cấu trúc kiểu 3-RRPaR
Không gian hoạt động của cơ cấu

λ=6

Số khâu (kể cả khâu cố định) của cơ cấu

n = 17

Số khớp trong cơ cấu

j = 21

Số bậc tự do tƣơng đối của các khớp
trong cơ cấu
Số bậc tự do thừa

ft = 0

Số ràng buộc trùng trong cơ cấu

Rtr = 6

Số ràng buộc thừa trong cơ cấu

Rth = 6

Số bậc tự do của cơ cấu

16


1.2.3. Kiểu 3-P2S2S
Kiểu này có ba nhánh và mỗi nhánh gồm có một khớp dẫn động tịnh tiến (P),
bốn khớp cầu (S) nối hai thanh theo dạng hình bình hành.

Hình 1.8. Cấu trúc kiểu 3-P2S2S.

Bảng 1.3: Bậc tự do (dof) của cấu trúc kiểu 3-P2S2S
Không gian hoạt động của cơ cấu

λ=6

Số khâu (kể cả khâu cố định) của cơ

n = 11

cấu
Số khớp trong cơ cấu

j = 15

Số bậc tự do tƣơng đối của các khớp
trong cơ cấu
Số bậc tự do thừa

ft = 6

Số ràng buộc trùng trong cơ cấu

Rtr = 0

Số ràng buộc thừa trong cơ cấu

Rth = 0

Số bậc tự do của cơ cấu

17


1.2.4. Kiểu 3-R2S2S
Kiểu này có ba nhánh và mỗi nhánh gồm có một khớp dẫn động quay (R),
bốn khớp cầu (S) nối hai thanh theo dạng hình bình hành.

Hình 1.9. Cấu trúc kiểu 3-R2S2S.
Bảng 1.4: Bậc tự do (dof) của cấu trúc kiểu 3-R2S2S
Không gian hoạt động của cơ cấu

λ=6

Số khâu (kể cả khâu cố định) của cơ

n = 11

cấu
Số khớp trong cơ cấu

j = 15

Số bậc tự do tƣơng đối của các khớp
trong cơ cấu
Số bậc tự do thừa

ft = 6

Số ràng buộc trùng trong cơ cấu

Rtr = 0

Số ràng buộc thừa trong cơ cấu

Rth = 0

Số bậc tự do của cơ cấu

18


Với mục tiêu là triển khai loại Delta Robot sao cho việc thi công đơn giản và
không gian làm việc rộng rãi thì ta sẽ chọn kiểu cấu trúc này để phân tích nghiên
cứu và tính tốn.

19


CHƢƠNG 2
TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC CHO DELTA ROBOT
2.1. Cấu trúc hình học của Delta Robot
Cấu trúc hình học của Delta Robot đƣợc định nghĩa nhƣ hình 2.1:

Ai

i

O

y

zi

x

xi

1i
yi

z

P
u

v

w

Hình 2.1. Cấu trúc hình học của Delta Robot.

Theo cấu trúc này, Delta Robot gồm có:
─ Một giá cố định. Trên giá cố định này ngƣời ta tạo ba thành phần khớp quay
và có đƣờng tâm quay kéo dài cắt nhau và tạo thành một tam giác đều, các đƣờng
trung trực của tam giác cắt nhau tại điểm O là tâm của giá cố định.

20


─ Một bệ di động. Giá di động này chính là nơi mà ta sẽ gá đầu cơng tác lên

đó.
─ Ba chân kiểu R2S2S (trong đó: R tƣơng ứng là khớp quay, S tƣơng ứng là
khớp cầu). Mỗi chân đƣợc nối một đầu vào khớp phát động trên giá cố định (khớp
quay) và đầu còn lại đƣợc nối vào bệ di động.
Theo đó cơ cấu robot đƣợc lƣợc đồ hóa nhƣ sau:

Hình 2.2. Lược đồ hóa cấu trúc cơ cấu Delta Robot.

2.2. Cấu trúc một nhánh của Delta Robot
Cấu trúc các nhánh nhƣ hình 2.3:

Hình 2.3. Cấu trúc của một nhánh Delta Robot.

21


Một nhánh của Delta Robot có kiểu R2S2S trong đó khớp R đƣợc chọn làm
khớp phát động, khớp này có một thành phần khớp gắn cố định trên giá cố định và
thành phấn khớp còn lại gắn trên khâu phát động và nối với bệ di động thông qua hệ
thống các khâu và khớp cịn lại có kết cấu hình bình hành.

2.3. Bài tốn vị trí
Theo các hình 2.1 và hình 2.3, ta ký hiệu:
+ Hệ tọa độ quy chiếu nền Oxyz là RO.
+ Hệ tọa độ cố định gắn tại các điểm Ai (Axyz)i là RAi.
+ Hệ tọa độ động gắn tại các điểm Ci (Cxyz)i là RCi.
+ Hệ tọa độ động gắn trên giá di động tại điểm P (Puvw) là RP.

2.3.1. Hình học cơ cấu
Dựa vào hình 2.3 ta có phƣơng trình vịng kín trên mỗi nhánh là:

̅̅̅̅̅̅

̅̅̅̅̅

̅̅̅̅

̅̅̅̅

̅̅̅̅̅

(2.1)

Biểu diễn phƣơng trình (2.1) trong hệ tọa độ RAi ta có:
[

]

[

][ ]

[

]

(2.2)

]

(2.3)

với
[

]

[

-

Các biểu thức (2.2) và (2.3) chỉ rõ điểm Citrong hệ tọa độ RAi, a và b là
chiều dài các khâu

và

;

| là vector vị trí điểm P trong hệ tọa

|

độ RO.

2.3.2. Động học ngƣợc
Trong động học đảo, với vector vị trí p cho trƣớc, cần tìm các góc khớp
và

,

cần thiết để di chuyển bệ di động đến vị trí mong muốn. Với p đã biết, vị

trí Ci cũng biết (theo phƣơng trình 2.3).

22


Xét bề mặt đƣợc tạo ra do thanh

quét quanh tâm quay Ci, đó là mặt cầu
quay quanh trục quay đặt tại Ai tạo thành

có tâm là Ci và bán kính là b. Thanh

vòng tròn tâm Ai trong mặt phẳng chuyển động

. Nghiệm của bài toán động học

đảo là giao tuyến giữa vịng trịn và mặt cầu (Hình 2.4).
Theo tƣơng quan hình học của vịng trịn và mặt cầu đã nêu, ta có 4 trƣờng
hợp có thể xảy ra:
- Vịng trịn xuyên qua cầu cho hai nghiệm.
- Vòng tròn tiếp xúc cầu cho một nghiệm.
- Vòng tròn nằm trên mặt cầu, cho vô số nghiệm. Tuy nhiên điều này không
thể xảy ra vì bệ di động và đế cố định khơng thể chiếm cùng mặt phẳng.
- Vòng tròn và mặt cầu khơng có điểm chung, nên bài tốn khơng có nghiệm.

Bệ di động
P

Ci

r
B'i

b

Mặt cầu do thanh BiCi
quét theo quỹ đạo tròn
Bi

zi

a

Đƣờng tròn bị cắt từ thanh AiBi
Cung do thanh AiBi quét

R
O

Ai

xi

Đế cố định

Hình 2.4. Hai nghiệm động học đảo của một nhánh.
Ta sẽ giải phƣơng trình (2.2), giải phần tử thứ 2 của phƣơng trình (2.2) sẽ có
hai nghiệm

:
(2.4)

Sau khi biết
phƣơng

,

,

, nghiệm

đƣợc xác định bằng cách tính tổng các bình

của phƣơng trình (2.2):
(2.5)

23