Phân tích động học và mô phỏng đồ họa robot song song không gian 3RPS

MỤC LỤC Lời nói đầu 6 Chương 1: Tổng quan về robot có cấu trúc song song 10 1.1 Giới thiệu chung về Robot 10 1.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển Robot 10 1.1.2 Robot có cấu trúc song song 1.2 Phân loại chung về Robot 15 1.3 Một số ứng dụng của robot công nghiệp 17 1.4 Cấu trúc robot song song 18 1.4.1 Cấu trúc cơ cấu 18 1.4.2 Khâu, khớp, chuỗi động và cơ cấu chấp hành của robot song song 18 1.4.3 Bậc tự do của robot cấu trúc song song 20 1.4.4 Các bài toán cơ bản về động học và động lực học của robot song song 23 1.5 Phân loại robot song song 24 1.5.1 Robot song song đối xứng 24 1.5.2 Các robot song song phẳng 25 1.5.3 Các robot song song cầu 26 1.5.4 Các robot song song không gian 27 1.6 Kết cấu của robot song song 3RPS 28 Chương 2: Cơ sở lý thuyết chung về phân tích động học của vật rắn trong không gian 30 2.1 Ma trận cosin chỉ hướng 30 2.1.1 Định nghĩa ma trận cosin chỉ hướng của vật rắn 30 2.1.2 Một vài tính chất cơ bản của ma trận cosin chỉ hướng 31 2.1.3 Ý nghĩa của ma trận cosin chỉ hướng của vật rắn 32 2.2 Các ma trận quay cơ bản 33 2.3 Vận tốc góc của vật rắn 35 Chương 3: Phân tích động học Robot song song 3RPS 38 3.1 Bài toán phân tích vị trí 38 3.1.1 Các phương trình liên kết cho Robot song song 3RPS tổng 38 quát 3.1.2 Bài toán động học thuận 42 3.1.3 Bài toán động học ngược 42 3.1.4 Tính toán vị trí cho một Robot song song 3RPS cụ thể 43 3.2 Bài toán phân tích Jacobi 46 3.2.1 Ma trận Jacobi của Robot song song trong không gian 46 3.2.2 Phân tích Jacobi Robot song song 3RPS tổng quát 47 3.2.3 Phân tích Jacobi cho một Robot song song 3RPS cụ thể 49 3.3 Mô phỏng số bằng phần mềm Maple và Pro/Engineer 53 3.3.1 Mô phỏng bằng phần mềm Maple 53 3.3.2 Mô phỏng bằng phần mềm Pro/Engineer 54 3.4 Kết quả tính toán và mô phỏng bằng Maple và Pro/Engineer 57 3.4.1 Bài toán động học thuận 57 3.4.2 Bài toán động học ngược 71 Kết luận 79 Phục lục 81 Tài liệu tham khảo 86

doc19 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Ngày: 13/06/2013 | Lượt xem: 1871 | Lượt tải: 7download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Phân tích động học và mô phỏng đồ họa robot song song không gian 3RPS, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Ch­¬ng I : Tæng quan vÒ Robot cã cÊu tróc song song Giíi thiÖu chung vÒ Robot 1.1.1 LÞch sö ra ®êi vµ ph¸t triÓn Robot Tõ thËp niªn 50, cïng víi sù ph¸t triÓn cña kü thuËt ®iÒu khiÓn theo ch­¬ng tr×nh sè NC (Numerical Control) víi sù hç trî cña c¸c c¬ cÊu Servo vµ c¸c hÖ ®iÖn to¸n (Computation), ý t­ëng kÕt hîp ®iÒu khiÓn NC víi c¸c c¬ cÊu ®iÒu khiÓn tõ xa ®­îc h×nh thµnh vµ triÓn khai nghiªn cøu. Vµo gi÷a nh÷ng n¨m 50, bªn c¹nh c¸c tay m¸y chÐp h×nh c¬ khÝ, ®· xuÊt hiÖn c¸c lo¹i tay m¸y chÐp h×nh thñy lùc vµ ®iÖn tõ nh­ tay m¸y Minotaur I hoÆc tay m¸y Handyman cña General Electric. N¨m 1954 George C.Devo ®· thiÕt kÕ mét thiÕt bÞ cã tªn lµ “C¬ cÊu b¶n lÒ dïng ®Ó chuyÓn hµng theo ch­¬ng tr×nh”. §Õn n¨m 1956 Devol cïng víi Joseph F.Engelber, mét kü s­ c«ng nghiÖp hµng kh«ng, ®· t¹o ra lo¹i Robot c«ng nghiÖp ®Çu tiªn n¨m 1969 ë c«ng ty Unimation míi b¾t ®Çu cã lîi nhuËn tõ s¶n phÈm Robot ®Çu tiªn nµy. Tõ n¨m 1972 b¾t ®Çu thêi kú cña c¸c Robot thÕ hÖ thø hai: Robot ®­îc ®iÓu khiÓn b»ng m¸y tÝnh cã c¸c c¬ quan c¶m xóc lµ c¸c c¶m biÕn liªn hÖ ng­îc. §¹i diÖn cho thÕ hÖ nµy lµ Robot Shakey cña viÖn nghiªn cøu Stanford. Nã lµ sù thÓ hiÖn tæng hîp cña c¸c thµnh tùu Khoa häc - Kü thuËt - C«ng nghÖ C¬ khÝ - §iÖn - §iÖn tö - §iÒu khiÓn tù ®éng - Tin häc. Robot b¾t ®Çu ®­îc øng dông réng r·i trong hÇu hÕt c¸c lÜnh vùc: tõ s¶n xuÊt ®Õn nghiªn cøu khoa häc,c¶ y tÕ vµ ®êi sèng hµng ngµy. N¨m 1976 chiÕc m¸y c«ng cô CNC sö dông Microcomputer ra ®êi. Trong giai ®o¹n nh÷ng n¨m 80 vµ 90 víi sù ph¸t triÓn vò b·o cña Khoa häc - Kü thuËt - C«ng nghÖ, quy m« s¶n xuÊt vµ nghiªn cøu khoa häc, thÕ giíi ®­îc thõa h­ëng nhiÒu thµnh qu¶ cña nã, ®Æc biÖt vÒ m¸y tÝnh vµ tin häc lµm thay ®æi vÒ chÊt c¸c trang thiÕt bÞ, tæ chøc ®iÒu hµnh s¶n xuÊt vµ ®êi sèng nh­: + ThiÕt kÕ víi sù trî gióp cña m¸y tÝnh - CAD. + S¶n xuÊt víi sù trî gióp cña m¸y tÝnh - CAM. + HÖ thèng s¶n xuÊt mÒm, linh ho¹t - FMS. + S¶n xuÊt tÝch hîp m¸y tÝnh - CIM. + S¶n xuÊt ®óng lóc JIT. + §iÒu hµnh qu¶n lý chÊt l­îng toµn diÖn - TQM + S¶n xuÊt víi chiÕn l­îc toµn cÇu - WCM. Nh÷ng n¨m ®Çu tiªn cña thÕ kû 21, Robot ®ang b­íc sang thÕ hÖ míi. Tõ c¸c Robot ®iÒu khiÓn theo kiÓu thao t¸c (Manual Input) råi ®Õn kiÓu DÉn - D¹y, c¸c kiÓu ®iÒu khiÓn nµy ®ùîc gäi chung lµ ®iÒu khiÓn cã ch­¬ng tr×nh dÉn ®­êng vµ c¸c Robot kiÓu nµy th­êng ®­îc gäi lµ Robot khÐo lÐo (Robot Habilis). TiÕp ®Õn lµ c¸c Robot cã tr×nh ®iÒu khiÓn thÝch nghi - th«ng minh, Robot cã trÝ kh«n (Robot Spiens). Sù tiÕn bé cña Khoa häc - Kü thuËt - C«ng nghÖ gÇn nh­ thuéc mäi lÜnh vùc C¬ häc - C¬ khÝ - §iÖn - §iÖn tö - §iÒu khiÓn tù ®éng - M¸y tÝnh - Tin häc - Sinh vËt häc ®Òu ®­îc thÓ hiÖn trªn sù ph¸t triÓn cña Robot. Nh÷ng øng dông míi nhÊt cña Robot vµo y häc cã thÓ kÓ nh­ Robot phÉu thuËt vµ thay thÕ c¸c c¬ quan ho¹t ®éng cña con ng­êi, ®Ó m« pháng c¸c lo¹i sinh vËt. Nh÷ng kÕt qña tiÕn bé cña Khoa häc - Kü thuËt - S¶n xuÊt cho ®Õn nh÷ng n¨m 1970 ®· h×nh thµnh khoa häc Roboties vµ C¬ - §iÖn tö (Mechatronics), tõ ®ã còng b¾t ®Çu ®µo t¹o c¸c chuyªn gia kü thuËt thuéc lÜnh vùc Robot vµ C¬ - §iÖn tö. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, robot c«ng nghiÖp chñ yÕu ®­îc dïng cho c¸c thao t¸c lÆp l¹i nhiÒu lÇn vµ trong c¸c m«i tr­êng nguy hiÓm. Xu h­íng cña con ng­êi lµ chÕ t¹o ra c¸c robot th«ng minh, gióp viÖc nhµ, gióp ng­êi tµn tËt,... MÆc dï cã nhiÒu lç lùc ®Ó ph¸t triÓn robot th«ng minh, nh­ng c¸c lo¹i robot cã thÓ m« pháng nhiÒu chøc n¨ng cña con ng­êi vÉn cßn nh÷ng h¹n chÕ nhÊt ®Þnh, ®ßi hái sù ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ vµ trÝ tuÖ nh©n t¹o. 1.1.2 Robot cã cÊu tróc song song a) Giíi thiÖu chung XuÊt ph¸t tõ nhu cÇu vµ kh¶ n¨ng linh ho¹t hãa trong s¶n xuÊt, c¸c c¬ cÊu Robot còng ngµy cµng ph¸t triÓn rÊt ®a d¹ng vµ phong phó. Trong nh÷ng thËp niªn gÇn ®©y, Robot cÊu tróc song song ®­îc Gough vµ Whitehall nghiªn cøu n¨m 1962 vµ sù chó ý øng dông cña Robot cÊu tróc song song ®· ®­îc khëi ®éng bëi Stewart vµo n¨m 1965. ¤ng lµ ng­êi cho ra ®êi mét buång (phßng) tËp l¸i m¸y bay dùa trªn c¬ cÊu song song. HiÖn nay c¬ cÊu song song ®­îc sö dông réng r·i trong nhiÒu lÜnh vùc. Lo¹i Robot song song ®iÓn h×nh gåm cã bµn m¸y ®éng ®­îc nèi víi gi¸ cè ®Þnh, dÉn ®éng theo nhiÒu nh¸nh song song hay cßn gäi lµ sè ch©n. Th­êng sè ch©n b»ng sè bËc tù do, ®­îc ®iÒu khiÓn bëi nguån ph¸t ®éng ®Æt trªn gi¸ cè ®Þnh hoÆc ngay trªn ch©n. ChÝnh lý do nµy mµ c¸c Robot song song ®«i khi gäi lµ c¸c Robot cã bÖ. C¸c c¬ cÊu t¸c ®éng ®iÒu khiÓn t¶i ngoµi, nªn c¬ cÊu chÊp hµnh song song th­êng cã kh¶ n¨ng chÞu t¶i lín. Do tÝnh ­u viÖt cña Robot song song nªn ngµy cµng thu hót ®­îc nhiÒu nhµ khoa häc nghiªn cøu, ®ång thêi còng ®­îc øng dông ngµy cµng réng r·i vµo nhiÒu lÜnh vùc: + Ngµnh VËt lý : Gi¸ ®ì kÝnh hiÓn vi, gi¸ ®ì thiÕt bÞ ®o chÝnh x¸c. + Ngµnh C¬ khÝ : M¸y gia c«ng c¬ khÝ chÝnh x¸c,m¸y c«ng cô. + Ngµnh B­u chÝnh viÔn th«ng : Gi¸ ®ì ¡ngten, vÖ tinh ®Þa tÜnh. + Ngµnh chÕ t¹o «t« : HÖ thèng thö t¶i lèp «t«, buång tËp l¸i «t«. + Ngµnh qu©n sù : Robot song song ®­îc dïng lµm bÖ ®ì æn ®Þnh ®­îc ®Æt trªn tµu thñy, c¸c c«ng tr×nh thñy, trªn xe, trªn m¸y bay, trªn chiÕn xa vµ tµu ngÇm. §Ó gi÷ c©n b»ng cho ¨ngten, camera theo dâi môc tiªu, cho rada, cho c¸c thiÕt bÞ ®o laser, bÖ æn ®Þnh cho ph¸o vµ tªn löa, buång tËp l¸i m¸y bay, xe t¨ng, tÇu chiÕn. b) Mét sè ­u nh­îc ®iÓm cña Robot song song Nh×n chung, tÊt c¶ c¸c läai Robot cã cÊu tróc song song ®Òu cã nhiÒu ­u ®iÓm vµ cã thÓ ®­îc øng dông trong nhiÒu lÜnh vùc, c¸c bé m« h×nh m¸y bay, c¸c khung ®ì kiÕn tróc cã khíp nèi ®iÒu chØnh, c¸c m¸y khai th¸c má ... - ¦u ®iÓm : + Kh¶ n¨ng chÞu t¶i cao: c¸c thµnh phÇn cÊu t¹o nhá h¬n nªn khèi l­îng cña c¸c thµnh phÇn còng nhá h¬n. + §é cøng v÷ng cao do kÕt cÊu h×nh häc cña chóng: T©t c¶ c¸c lùc t¸c ®éng ®ång thêi ®­îc chia sÎ cho tÊt c¶ c¸c ch©n. CÊu tróc ®éng häc mét c¸ch ®Æc biÖt cña c¸c khíp liªn kÕt cho phÐp chuyÓn tÊt c¶ c¸c lùc t¸c dông thµnh c¸c lùc kÐo/nÐn cña c¸c ch©n. + Cã thÓ thùc hiÖn ®­îc c¸c thao t¸c phøc t¹p vµ häat ®éng víi ®é chÝnh x¸c cao: víi cÊu tróc song song, sai sè chØ phô thuéc vµo sai sè däc trôc cña c¸c côm c¬ cÊu ch©n riªng lÎ vµ c¸c sai sè kh«ng bÞ tÝch lòy. + Cã thÓ thiÕt kÕ ë c¸c kÝch th­íc kh¸c nhau. + §¬n gi¶n hãa c¸c c¬ cÊu m¸y vµ gi¶m sè l­îng phÇn tö do c¸c ch©n vµ khíp nèi ®­îc thiÕt kÕ s½n thµnh c¸c côm chi tiÕt tiªu chuÈn. + Cung cÊp kh¶ n¨ng di ®éng cao trong qu¸ tr×nh lµm viÖc do cã khèi l­îng vµ kÝch th­íc nhá gän. + C¸c c¬ cÊu chÊp hµnh ®Òu cã thÓ ®Þnh vÞ trªn tÊm nÒn. + TÇm ho¹t ®éng cña Robot c¬ cÊu song song rÊt réng tõ viÖc l¾p r¸p c¸c chi tiÕt cùc nhá tíi c¸c chuyÓn ®éng thùc hiÖn c¸c chøc n¨ng phøc t¹p, ®ßi hái ®é chÝnh x¸c cao nh­: phay, khoan, tiÖn, hµn, l¾p r¸p... + C¸c Robot c¬ cÊu song song lµm viÖc kh«ng cÇn bÖ ®ì vµ cã thÓ di chuyÓn tíi mäi n¬i trong m«i tr­êng s¶n xuÊt. Chóng cã thÓ lµm viÖc ngay c¶ khi trªn thuyÒn vµ treo trªn trÇn, t­êng ... + Gi¸ thµnh cña c¸c Robot song song øng dông trong gia c«ng c¬ khÝ Ýt h¬n so víi m¸y CNC cã tÝnh n¨ng t­¬ng ®­¬ng. - Nh­îc ®iÓm: Tuy nhiªn c¸c Robot song song còng cã nh÷ng nh­îc ®iÓm nhÊt ®Þnh khi so s¸nh víi c¸c Robot chuçi nh­: + Kho¶ng kh«ng gian lµm viÖc nhá vµ khã thiÕt kÕ. + ViÖc gi¶i c¸c bµi to¸n ®éng häc, ®éng lùc häc phøc t¹p... + Cã nhiÒu ®iÓm suy biÕn (kú dÞ) trong kh«ng gian lµm viÖc. 1.2 CÊu tróc Robot song song 1.2.1 CÊu tróc c¬ cÊu Còng nh­ c¸c Robot th«ng th­êng, Robot song song lµ lo¹i Robot cã cÊu tróc vßng kÝn trong ®ã c¸c kh©u (d¹ng thanh) ®­îc nèi víi nhau b»ng c¸c khíp ®éng. S¬ ®å ®éng c¬ cÊu tay m¸y th«ng th­êng lµ mét chuçi nèi tiÕp c¸c kh©u ®éng, tõ kh©u ra (lµ kh©u trùc tiÕp thùc hiÖn thao t¸c c«ng nghÖ) ®Õn gi¸ cè ®Þnh. Cßn trong Robot song song, kh©u cuèi ®­îc nèi víi gi¸ cè ®Þnh bëi mét sè m¹ch ®éng häc, tøc lµ nèi song song víi nhau vµ còng ho¹t ®éng song song víi nhau. Sù kh¸c nhau vÒ s¬ ®å ®éng ®ã còng t¹o nªn nhiÒu ®Æc ®iÓm kh¸c biÖt vÒ ®éng häc vµ ®éng lùc häc. 1.2.2 Kh©u, khíp, chuçi ®éng vµ m¸y trong c¬ cÊu Robot song song - Kh©u : Lµ phÇn cã chuyÓn ®éng t­¬ng ®èi víi phÇn kh¸c trong c¬ cÊu. Chóng ta coi tÊt c¶ c¸c kh©u lµ c¸c vËt r¾n. §iÒu ®ã lµm cho viÖc nghiªn cøu c¸c c¬ cÊu, Robot ®­îc dÔ dµng vµ ®¬n gi¶n h¬n. Tuy nhiªn, víi c¸c c¬ cÊu tèc ®é cao hoÆc mang t¶i lín th× hiÖn t­îng ®µn håi cña vËt liÖu trë nªn quan träng ®¸ng kÓ vµ chóng ta ph¶i xÐt ®Õn. - Khíp : Lµ chç nèi ®éng gi÷a hai kh©u. Tïy theo cÊu tróc, mçi khíp h¹n chÕ mét sè chuyÓn ®éng gi÷a hai kh©u. BÒ mÆt tiÕp xóc cña mçi kh©u t¹i khíp gäi lµ mét thµnh phÇn khíp. Hai thµnh phÇn khíp t¹o thµnh mét khíp ®éng. Khíp ®éng cã thÓ ph©n thµnh khíp thÊp vµ khíp cao tïy thuéc vµo d¹ng tiÕp xóc. + Khíp thÊp: NÕu hai thµnh phÇn tiÕp xóc lµ mÆt. + Khíp cao: NÕu hai thµnh phÇn tiÕp xóc lµ ®iÓm hoÆc ®­êng. Cã 6 lo¹i khíp thÊp vµ hai lo¹i khíp cao c¬ b¶n th­êng dïng trong c¸c c¬ cÊu m¸y vµ c¸c Robot, ®ã lµ: + Khíp quay (Revolute Joint - R) : Khíp ®Ó l¹i chuyÓn ®éng quay cña kh©u nµy ®èi víi kh©u kh¸c quanh mét trôc quay. NghÜa lµ khíp quay h¹n chÕ 5 kh¶ n¨ng chuyÓn ®éng gi÷a hai thµnh phÇn khíp vµ cã mét bËc tù do . Khíp quay th­êng ®­îc gäi lµ khíp quay b¶n lÒ. + Khíp l¨ng trô (Prismatic Joint - P) : Cho phÐp hai kh©u tr­ît trªn nhau theo mét trôc. Do ®ã, khíp l¨ng trô h¹n chÕ 5 kh¶ n¨ng chuyÓn ®éng t­¬ng ®èi gi÷a hai kh©u vµ cã mét bËc tù do. Ng­êi ta còng th­êng gäi khíp l¨ng trô lµ khíp tÞnh tiÕn. + Khíp trô (Cylindrical Joint - C) : Cho phÐp hai chuyÓn ®éng ®éc lËp, gåm mét chuyÓn ®éng quay quanh trôc vµ chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn däc trôc quay. Do ®ã, khíp trô h¹n chÕ 4 kh¶ n¨ng chuyÓn ®éng gi÷a hai kh©u vµ cã hai bËc tù do. + Khíp ren (Helical Joint - H) : Cho phÐp chuyÓn ®éng quay quanh trôc ®ång thêi tÞnh tiÕn theo trôc quay. Tuy nhiªn chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn phô thuéc vµo chuyÓn ®éng quay bëi b­íc cña ren vÝt. Do ®ã, khíp ren h¹n chÕ 5 chuyÓn ®éng t­¬ng ®èi hai kh©u vµ cßn l¹i mét bËc tù do. + Khíp cÇu (Spherical Joint - S) : Cho phÐp thùc hiÖn chuyÓn ®éng quay gi÷a hai thµnh phÇn khíp quanh t©m cÇu theo tÊt c¶ c¸c h­íng, nh­ng kh«ng cã chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn gi÷a hai thµnh phÇn khíp nµy. Do ®ã, khíp cÇu h¹n chÕ 3 kh¶ n¨ng chuyÓn ®éng vµ cã ba bËc tù do. + Khíp ph¼ng (Plane Joint - E) : Cho hai kh¶ n¨ng chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn theo hai trôc trong mÆt tiÕp xóc vµ mét kh¶ n¨ng quay quanh trôc vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng tiÕp xóc. Do ®ã, khíp ph¼ng h¹n chÕ 3 bËc tù do vµ cã ba bËc tù do. + Khíp b¸nh r¨ng ph¼ng (Gear Pair - G) : Cho hai b¸nh r¨ng ¨n khíp víi nhau. C¸c mÆt r¨ng tiÕp xóc ®Èy nhau, chóng th­êng tr­ît trªn nhau. Do ®ã, khíp b¸nh r¨ng ph¼ng h¹n chÕ 4 kh¶ n¨ng chuyÓn ®éng t­¬ng ®èi gi÷a hai thµnh phÇn khíp, cßn l¹i hai bËc tù do. + Khíp cam ph¼ng (Cam Pair - Cp) : T­¬ng tù nh­ khíp b¸nh r¨ng, hai thµnh phÇn khíp lu«n tiÕp xóc víi nhau. Do ®ã, khíp cam ph¼ng cã hai bËc tù do. Khíp quay, khíp l¨ng trô, khíp trô, khíp ren, khíp cÇu vµ khíp ph¼ng lµ c¸c khíp thÊp. Khíp b¸nh r¨ng ph¼ng vµ khíp cam ph¼ng lµ c¸c khíp cao. - Chuçi ®éng : Lµ tËp hîp c¸c kh©u ®­îc nèi víi nhau b»ng c¸c khíp ®éng. Robot nèi tiÕp cã cÊu tróc chuçi hë, cßn Robot song song cã cÊu tróc lµ chuçi kÝn. Chuçi ®éng häc ®­îc gäi lµ c¬ cÊu khi mét trong c¸c kh©u lµ gi¸ cè ®Þnh. Trong c¬ cÊu cã thÓ cã mét hoÆc nhiÒu kh©u ®­îc Ên ®Þnh lµ kh©u dÉn víi c¸c th«ng sè cho tr­íc. Sù chuyÓn ®éng cña c¸c kh©u dÉn lµ ®éc lËp, sù chuyÓn ®éng cña c¸c kh©u kh¸c sÏ phô thuéc vµo chuyÓn ®éng cña kh©u dÉn. C¬ cÊu lµ mét thiÕt bÞ truyÒn chuyÓn ®éng tõ mét hay nhiÒu kh©u dÉn tíi c¸c kh©u kh¸c. - M¸y mãc : Gåm mét hoÆc nhiÒu c¬ cÊu, cïng víi c¸c thµnh phÇn ®iÖn, thñy lùc vµ/hoÆc khÝ nÐn, ®­îc dïng ®Ó biÕn ®æi n¨ng l­îng bªn ngoµi thµnh c¬ n¨ng hoÆc d¹ng n¨ng l­îng kh¸c. C¬ cÊu chÊp hµnh cña hÖ thèng robot lµ c¬ cÊu. §Ó c¬ cÊu nµy trë thµnh m¸y cÇn ph¶i cã bé ®iÒu khiÓn dùa trªn bé vi xö lý, bé m· hãa vµ/hoÆc c¸c c¶m biÕn lùc, cïng víi c¸c bé phËn kh¸c, ch¼ng h¹n hÖ thèng quan s¸t, phèi hîp víi nhau ®Ó chuyÓn ®æi n¨ng l­îng bªn ngoµi thµnh c«ng h÷u Ých. MÆc dï m¸y cã thÓ gåm mét hoÆc nhiÒu c¬ cÊu, nh­ng c¬ cÊu kh«ng ph¶i lµ m¸y, do kh«ng thùc hiÖn c«ng, chØ cã chøc n¨ng truyÒn chuyÓn ®éng. 1.2.3 BËc tù do cña Robot cÊu tróc song song XÐt hai vËt thÓ (hay hai kh©u) A vµ B ®Ó rêi nhau trong kh«ng gian. G¾n vµo A mét hÖ täa ®é §Ò c¸c Oxyz (H×nh I.1) th× B sÏ cã 6 kh¶ n¨ng chuyÓn ®éng t­¬ng ®èi so víi A, hay nãi c¸ch kh¸c lµ gi÷a A vµ B cã 6 kh¶ n¨ng chuyÓn ®éng t­¬ng ®èi, ta gäi lµ 6 bËc tù do t­¬ng ®èi. C¸c kh¶ n¨ng chuyÓn ®éng ®éc lËp lµ : - C¸c chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn däc c¸c trôc Ox, Oy, Oz, kÝ hiÖu lµ Tx, Ty, Tz - C¸c chuyÓn ®éng quay quanh c¸c trôc Ox, Oy, Oz, kÝ hiÖu lµ Rx, Ry, Rz H×nh 1.1: C¸c kh¶ n¨ng chuyÓn ®éng t­¬ng ®èi gi÷a hai vËt thÓ §Þnh nghÜa: BËc tù do cña c¬ cÊu lµ sè th«ng sè ®éc lËp tuyÕn tÝnh cÇn thiÕt hoµn toµn x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña c¬ cÊu. Ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®­îc biÓu thøc tæng qu¸t vÒ sè bËc tù do cña c¬ cÊu theo sè kh©u, sè khíp, vµ kiÓu khíp trong c¬ cÊu. §Ó th«ng nhÊt cho viÖc tÝnh to¸n sè bËc tù do cña c¬ cÊu,ta sö dông c¸c kÝ hiÖu sau: ci: Sè rµng buéc cña khíp i. F: Sè bËc tù do cña c¬ cÊu. fi: Sè chuyÓn ®éng t­¬ng ®èi ®­îc phÐp cña khíp i. j: Sè khíp trong c¬ cÊu. ji: Sè khíp víi i bËc tù do. L : Sè vßng ®éc lËp trong c¬ cÊu. n : Sè kh©u trong c¬ cÊu, kÓ c¶ kh©u cè ®Þnh. l: Sè bËc tù do trong kh«ng gian lµm viÖc cña c¬ cÊu. Ta gi¶ thiÕt tÊt c¶ c¸c khíp ®Òu lµ hai chiÒu, khíp ba chiÒu ®­îc coi lµ hai khíp hai chiÒu, khíp bèn chiÒu ®­îc coi lµ ba khíp hai chiÒu, ... Ngoµi ra, cßn gi¶ thiÕt mét gi¸ trÞ l ®­îc dïng cho c¸c chuyÓn ®éng cña tÊt c¶ c¸c kh©u chuyÓn ®éng, chóng ®Òu vËn hµnh trong kh«ng gian lµm viÖc, do ®ã l=6 ®èi víi c¬ cÊu kh«ng gian, vµ l = 3 ®èi víi c¬ cÊu ph¼ng vµ c¬ cÊu cÇu. Gi¸ trÞ bËc tù do cña c¬ cÊu chÝnh b»ng sè bËc tù do cña tÊt c¶ c¸c kh©u ho¹t ®éng trõ ®i sè rµng buéc bëi c¸c khíp. Do ®ã, nÕu c¸c kh©u ®Òu tù do, sè bËc tù do cña c¬ cÊu n - khíp , víi mét khíp cè ®Þnh, sÏ b»ng l( n-1 ). Tuy nhiªn, tæng c¸c rµng buéc cña c¸c khíp lµ b»ng , do ®ã gi¸ trÞ bËc tù do cña c¬ cÊu ®­îc tÝnh theo ph­¬ng tr×nh: (1.1) Sè rµng buéc cña mét kh©u vµ sè bËc tù do cña kh©u ®ã b»ng th«ng sè chuyÓn ®éng l, do ®ã : (1.2) Do tæng c¸c rµng buéc cña c¸c kh©u lµ: (1.3) Thay ph­¬ng tr×nh ( 1.3) vµo ph­¬ng tr×nh (1.1) ta ®­îc: (1.4) Ph­¬ng tr×nh (1.4) ®­îc gäi lµ tiªu chuÈn Grbler hoÆc Kutzbach. Tiªu chuÈn Grbler ®óng cho tr­êng hîp c¸c rµng buéc t¹i c¸c khíp lµ ®éc l©p vµ kh«ng d­. VÝ dô mét khíp quay cÇu liªn kÕt chuçi víi khíp quay cã trôc xuyªn qua t©m cña khíp cÇu sÏ t¹o ra mét bËc tù do thõa. KiÓu bËc tù do nµy gäi lµ bËc tù do thô ®éng, cho phÐp kh©u trung gian quay tù do quanh trôc ®­îc x¸c ®Þnh tõ hai khíp ®ã. MÆc dï kh©u trung gian cã kh¶ n¨ng truyÒn lùc hoÆc momen vµ chuyÓn ®éng cho c¸c kh©u kh¸c, nh­ng nã kh«ng cã kh¶ n¨ng truyÒn momen cho trôc thô ®éng. Nãi chung, c¸c kh©u hai chiÒu v¬i c¸c cÆp S-S, S-E, E-E ®Òu cã bËc tù do thô ®éng. B¶ng sau thèng kª sù phèi hîp c¸c kh©u lo¹i hai chiÒu víi c¸c khíp S-S, S-E, E-E víi c¸c khíp cuèi cïng cña chóng cã mét bËc tù do. STT KiÓu BËc tù do thô ®éng (thõa) 1 S-S Quay quanh trôc ®i qua c¸c t©m khíp cÇu. 2 S-E Quay quanh trôc ®i qua t©m khíp cÇu vµ vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng cña khíp ph¼ng 3 E-E Tr­ît däc trôc song song víi giao tuyÕn t¹o bëi c¸c mÆt ph¼ng cña khíp ph¼ng. NÕu hai mÆt ph¼ng nµy song song sÏ cã ba bËc tù do thô ®éng ( thõa ). BËc tù do thô ®éng kh«ng thÓ truyÒn momen vµ chuyÓn ®éng cho trôc thô ®éng. Khi cã mét khíp lo¹i nµy tån t¹i trong c¬ cÊu, cÇn trõ ®i mét bËc tù do tõ ph­¬ng tr×nh tinh bËc tù do. Gi¶ sö, fp lµ sè bËc tù do thô ®éng trong c¬ cÊu th× sè bËc tù do chñ ®éng trong c¬ cÊu lµ: (1.5) VÝ dô: C¬ cÊu kh«ng gian Stewart - Gough. H×nh 1.2: C¬ cÊu kh«ng gian Stewart - Gough Lµ c¬ cÊu kh«ng gian gåm cã mét bµn m¸y ®éng ®­îc nèi víi ®Õ cè ®Þnh bëi s¸u ch©n tr­ît th«ng qua c¸c khíp cÇu. Mçi ch©n ®­îc t¹o thµnh tõ hai kh©u, vµ ®­îc nèi víi nhau b»ng khíp l¨ng trô. CÊu tróc nµy ®­îc gäi lµ cÊu tróc S - P - S. Do sù phèi hîp S - P - S, nªn mçi ch©n cã mét bËc tù do thõa. Tõ h×nh vÏ ta cã : l =6, n=14, ji =6, j3 = 12, fp =6 Sè bËc tù do cña c¬ cÊu ®­îc tÝnh theo ph­¬ng tr×nh (1.5) lµ : f =6(14 - 18 - 1) + (12x3 + 6) - 6 = 6 Sö dông ph­¬ng tr×nh (1.5) tÝnh bËc tù do cho c¬ cÊu kh«ng gian cã nãi tíi gi¸ trÞ l cho tÊt c¶ c¸c kh©u di chuyÓn, khi tÝnh bËc tù do cho c¬ cÊu ph¼ng vµ c¬ cÊu cÇu ®­îc xem nh­ hÖ con cña hÖ kh«ng gian nªn cÇn ph¶i chó ý tíi th«ng sè nµy. §Æc biÖt, l =3 víi c¬ cÊu ph¼ng vµ c¬ cÊu cÇu, cßn víi c¬ cÊu kh«ng gian th× l =6. Nãi chung tiªu chuÈn Grbler cã f > 0 th× c¬ cÊu cã f bËc tù do. NÕu f=0, c¬ cÊu kh«ng cã bËc tù do, nghÜa lµ c¬ cÊu lóc nµy trë thµnh giµn tÜnh ®Þnh. NÕu f < 0, c¬ cÊu sÏ cã sè rµng buéc thõa. Tuy nhiªn, còng cã c¸c c¬ cÊu kh«ng tu©n theo tiªu chuÈn Grubler. C¸c c¬ cÊu nµy ®ßi hái chiÒu dµi kh©u ®Æc biÖt ®Ó ®¹t ®­îc tÝnh linh ®éng cao ®­îc gäi lµ c¬ cÊu th¾ng rµng buéc. §èi víi c¸c c¬ cÊu vßng kÝn vµ c¬ cÊu chÊp hµnh, sè l­îng vµ vÞ trÝ c¸c khíp ph¸t ®éng ph¶i ®­îc chän mét c¸ch cÈn thËn sao cho kh©u t¸c ®éng cuèi ph¶i ®­îc ®iÒu khiÓn theo yªu cÇu. Nãi chung sè khíp ph¸t ®éng ph¶i b»ng sè bËc tù do cña c¬ cÊu, vµ vÞ trÝ cña khíp ph¸t ®éng ph¶i ®­îc chän sao cho chóng cã thÓ t¹o thµnh tËp hîp c¸c to¹ ®é ®éc lËp. NÕu sè l­îng kh©u ph¸t ®éng nhá h¬n sè bËc tù do th× chuyÓn ®éng cña c¸c kh©u nµy ph¶i theo to¹ ®é t­¬ng øng c¸c rµng buéc ®éng häc cña chóng. Mét robot cã bËc tù do d­ th× cho phÐp ®iÒu khiÓn linh ho¹t h¬n. 1.2.4 C¸c bµi to¸n c¬ b¶n vÒ robot Robot lµ mét ngµnh khoa häc vÒ c«ng nghÖ truyÒn thèng, kÕt hîp víi lý thuyÕt vµ øng dông cña c¸c hÖ thèng robot. ViÖc nghiªn cøu bao gåm c¶ hai vÊn ®Ò lµ nghiªn cøu lý thuyÕt vµ øng dông, nh÷ng vÊn ®Ò ®ã chia ra thµnh c¸c lÜnh vùc : c«ng t¸c thiÕt kÕ robot, c¬ häc c¬ cÊu, thiÕt kÕ quÜ ®aä vµ ®iÒu khiÓn, c«ng t¸c lËp tr×nh vµ tri thøc cho m¸y... C¬ häc lµ mét nh¸nh khoa häc nghiªn cøu c¸c vÊn ®Ò vÒ n¨ng l­îng, lùc vµ t¸c dông cña chóng ®èi víi chuyÓn ®éng cña hÖ thèng c¬ khÝ. ViÖc nghiªn cøu bao gåm hai vÊn ®Ò cã quan hÖ víi nhau lµ : §éng häc vµ ®éng lùc häc. a) §éng häc §éng häc nghiªn cøu c¸c ®Æc tr­ng cña chuyÓn ®éng mµ kh«ng quan t©m ®Õn nguyªn nh©n g©y ra chóng nh­ lùc vµ m«men. Sù thay ®æi cña c¸c kh©u cña robot liªn quan ®Õn h­íng vµ vÞ trÝ cña kh©u chÊp hµnh cuèi cïng bëi sù rµng buéc cña c¸c khíp. Nh÷ng quan hÖ ®éng häc ®ã lµ träng t©m cña viÖc nghiªn cøu ®éng häc robot. Bµi to¸n ph©n tÝch ®éng häc ®­îc chia thµnh hai d¹ng : Bµi to¸n ®éng häc thuËn vµ Bµi to¸n ®éng häc ng­îc. Ba× to¸n ®éng häc thuËn : Tõ c¸c th«ng sè vÞ trÝ, vËn tèc vµ gia tèc cña kh©u dÉn ,yªu cÇu lËp tr×nh tÝnh to¸n vÞ trÝ vµ h­íng, vËn tèc vµ gia tèc cña ®iÓm t¸c ®éng cuèi còng nh­ kh©u trung gian bÊt kú. Bµi to¸n ®éng häc ng­îc : Tõ yªu cÇu vÒ vÞ trÝ vµ h­íng, vËn tèc vµ gia tèc cña kh©u t¸c ®éng cuèi, t×m ra c¸c th«ng sè t­¬ng øng cña c¸c kh©u tr­íc ®ã (bµi to¸n ®éng häc ng­îc). b) §éng lùc häc §éng lùc häc nghiªn cøu vÒ quan hÖ gi÷a c¸c lùc t¸c dông vµo c¬ cÊu (lùc, t¶i träng vµ ma s¸t...) vµ chuyÓn ®éng cña c¬ cÊu. §éng lùc häc robot lµ vÊn ®Ò rÊt phøc t¹p vµ hiÖn nay ®ang lµ ®èi t­îng ®­îc nghiªn cøu tiÕp tôc. 1.3 Ph©n lo¹i robot Robot cã thÓ ®­îc ph©n lo¹i theo nhiÒu tiªu chuÈn, sè bËc tù do, cÊu tróc ®éng häc, hÖ thèng truyÒn ®éng, d¹ng h×nh häc cña chi tiÕt gia c«ng, c¸c ®Æc tÝnh chuyÓn ®éng... - Ph©n lo¹i theo sè bËc tù do S¬ ®å ph©n lo¹i robot th­êng dïng lµ theo sè bËc tù do. Mét c¸ch lý t­ëng, c¬ cÊu chÊp hµnh ph¶i cã 6 bËc tù do ®Ó xö lý ®èi t­îng mét c¸ch tù do trong kh«ng gian ba chiÒu. Theo quan ®iÓm nµy, robot ®a n¨ng cã 6 bËc tù do, robot d­ cã h¬n 6 bËc tù do vµ robot thiÕu cã Ýt h¬n 6 bËc tù do. Robot d­ cã thªm mét bËc tù do ®Ó di chuyÓn qua c¸c ch­íng ng¹i vËt hoÆc vËn hµnh trong c¸c kh«ng gian hÑp. MÆt kh¸c, ®èi víi mét sè øng dông ®Æc biÖt, ch¼ng h¹n l¾p gi¸p c¸c chi tiÕt trªn mÆt ph¼ng, robot bèn bËc tù do lµ ®ñ. H×nh 1.3: Robot lo¹i Fanuc 4 bËc tù do Tay m¸y REVOLUTE Tay m¸y POLAR Tay m¸y CYLINDRICAL Tay m¸y CARTERSIAN Tay m¸y SCARA H×nh 1.4: M« h×nh mét sè lo¹i tay m¸y th«ng dông - Ph©n lo¹i theo cÊu tróc ®éng häc Robot ®­îc gäi lµ robot nèi tiÕp nÕu cÊu tróc ®éng häc cã d¹ng chuçi vßng hë, robot song song nÕu cã chuçi vßng kÝn, vµ robot lai nÕu cã c¶ chuçi vßng hë vµ vßng kÝn. - Ph©n lo¹i theo hÖ thèng truyÒn ®éng Cã ba hÖ truyÒn ®éng phæ biÕn lµ ®iÖn, thuû lùc, vµ khÝ nÐn ®­îc dïng cho robot. HÇu hÕt c¸c c¬ cÊu chÊp hµnh ®Òu sö dông ®éng c¬ b­íc hoÆc ®éng c¬ trî ®éng DC, do chóng t­¬ng ®èi dÔ ®iÒu khiÓn. Tuy nhiªn, khi cÇn tèc ®é cao vµ kh¶ n¨ng mang t¶i cao, th­êng dïng truyÒn ®éng thuû lùc hoÆc khÝ nÐn. Nh­îc ®iÓm cña truyÒn ®éng thuû lùc lµ kh¶ n¨ng rß rØ dÇu. Ngoµi ra, truyÒn ®éng khÝ nÐn cã tÝnh linh ho¹t kh¸ cao. MÆc dï truyÒn ®éng khÝ nÐn s¹ch vµ nhanh nh­ng khã ®iÒu khiÓn do kh«ng khÝ lµ l­u chÊt nÐn ®­îc . Trong c¬ cÊu nèi tiÕp, nãi chung mét bé t¸c ®éng ®­îc dïng ®Ó ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng cña tõng khíp. NÕu tõng kh©u chuyÓn ®éng ®­îc truyÒn ®éng b»ng mét bé t¸c ®éng l¾p trªn kh©u tr­íc ®ã th«ng qua hép gi¶m tèc, sù dÞch chuyÓn cña kh©u nµy vÒ mÆt ®éng häc lµ ®éc lËp víi kh©u kh¸c, ®©y lµ c¬ cÊu chÊp hµnh nèi tiÕp qui ­íc. MÆt kh¸c, nÕu mçi khíp ®­îc truyÒn ®éng trùc tiÕp b»ng bé t¸c ®éng kh«ng cã hép gi¶m tèc, c¬ cÊu ®ã ®­îc gäi lµ c¬ cÊu chÊp hµnh truyÒn ®éng trùc tiÕp. ViÖc dïng hép gi¶m tèc cho phÐp sö dông ®éng c¬ nhá h¬n, do ®ã lµm gi¶m qu¸n tÝnh cña c¬ cÊu chÊp hµnh. Tuy nhiªn, ®é lÖch khíp cña c¸c b¸nh r¨ng trong hép gi¶m tèc cã thÓ g©y ra sai sè vi trÝ ë bé phËn t¸c ®éng. Kü thuËt truyÒn ®éng trùc tiÕp kh¾c phôc ®­îc vÊn ®Ò b¸nh r¨ng vµ cã thÓ t¨ng tèc ®é cho c¬ cÊu chÊp hµnh. Tuy nhiªn, c¸c ®éng c¬ truyÒn ®éng trùc tiÕp t­¬ng ®èi lín vµ nÆng. Do ®ã, chóng th­êng ®­îc dïng ®Ó truyÒn ®éng khíp thø nhÊt cña c¬ cÊu chÊp hµnh, ®éng c¬ ®­îc l¾p ë ®Õ. Nãi chung, ®éng c¬ còng cã thÓ ®­îc n¾p ë ®Õ ®Ó truyÒn ®éng khíp thø hai hoÆc khíp thø ba th«ng qua ®ai kim lo¹i hoÆc kh©u thanh ®Èy. Mét sè c¬ cÊu chÊp hµnh sö dông bé c¸c b¸nh r¨ng, xÝch vµ ®Üa xÝch ®Ó truyÒn ®éng c¸c khíp. Khi sö dông hÖ thèng truyÒn ®éng nµy cho c¬ cÊu chÊp hµnh qua nhiÒu khíp, ®é dÞch chuyÓn cña khíp sÏ phô thuéc lÉn nhau. C¸c c¬ cÊu chÊp hµnh kiÓu ®ã ®­îc gäi lµ vßng kÝn. - Ph©n lo¹i theo d¹ng h×nh häc kh«ng gian lµm viÖc Kh«ng gian lµm viÖc cña c¬ cÊu chÊp hµnh ®­îc x¸c ®Þnh lµ thÓ tÝch kh«ng gian ®Çu t¸c ®éng cã thÓ víi tíi. Nãi chung, th­êng sö dông hai ®Þnh nghÜa vÒ kh«ng gian lµm viÖc. Thø nhÊt lµ kh«ng gian cã thÓ víi tíi, thÓ tÝch kh«ng gian trong ®ã c¬ cÊu t¸c ®éng cã thÓ víi tíi tõng ®iÓm theo Ýt nhÊt lµ mét chiÒu. Thø hai lµ kh«ng gian linh ho¹t, thÓ tÝch kh«ng gian trong ®ã c¬ cÊu t¸c ®éng cã thÓ víi tíi tõng ®iÓm theo mäi chiÒu cã thÓ. Kh«ng gian linh ho¹t lµ mét phÇn cña kh«ng gian cã thÓ víi tíi. MÆc dï ®©y kh«ng ph¶i lµ ®iÒu kiÖn cÇn, nh­ng nhiÒu c¬ cÊu chÊp hµnh nèi tiÕp ®­îc thiÕt kÕ víi ba kh©u ®Çu dµi h¬n c¸c kh©u cßn l¹i. Do ®ã ba kh©u nµy ®­îc dïng chñ yÕu ®Ó thao t¸c vÞ trÝ, c¸c kh©u cßn l¹i ®­îc dïng ®Ó ®iÒu khiÓn h­íng cña ®Çu t¸c ®éng. V× lý do ®ã, ba kh©u ®Çu ®­îc gäi lµ c¸nh tay, c¸c kh©u cßn l¹i ®­îc gäi lµ cæ tay. Trõ c¸c c¬ cÊu chÊp hµnh víi sè bËc tù do lín h¬n 6, c¸nh tay th­êng cã ba bËc tù do, cæ tay cã 1-3 bËc tù do. H¬n n÷a, bé cæ tay th­êng ®­îc thiÕt kÕ víi c¸c trôc khíp c¾t nhau t¹i mét ®iÓm chung ®­îc gäi lµ t©m cæ tay. Bé c¸nh tay cã thÓ cã nhiÒu kiÓu cÊu tróc ®éng häc, t¹o ra c¸c biªn lµm viÖc kh¸c nhau, ®­îc gäi lµ vïng kh«ng gian lµm viÖc. Kh«ng gian do nhµ s¶n xuÊt robot cung cÊp th­êng ®­îc x¸c ®Þnh theo vïng kh«ng gian lµm viÖc. Tay m¸y ®­îc gäi lµ robot trô nÕu khíp thø nhÊt hoÆc khíp thø hai cña robot Decartes ®­îc thay b»ng khíp quay(H×nh 1.4). Tay m¸y ®­îc gäi lµ robot cÇu nÕu hai khíp ®Çu lµ khíp quay kh¸c nhau vµ khíp thø ba lµ khíp l¨ng trô (H×nh 1.4 - tay m¸y SCARA). VÞ trÝ t©m cæ tay cña robot cÇu lµ tËp hîp c¸c täa ®é cÇu liªn quan víi ba biÕn khíp nèi. Do ®ã kh«ng gian lµm viÖc robot cÇu ®­îc giíi h¹n theo hai khèi cÇu ®ång t©m. Tay m¸y ®­îc gäi lµ robot quay nÕu c¶ ba khíp ®Òu lµ khíp quay. Kh«ng gian lµm viÖc cña robot nµy rÊt phøc t¹p th­êng cã tiÕt diÖn h×nh xuyÕn. NhiÒu robot c«ng nghiÖp lµ lo¹i robot quay (H×nh 1.4 - tay m¸y REVOLUTE). 1.6 Mét sè øng dông cña robot c«ng nghiÖp. Môc tiªu øng dông robot c«ng nghiÖp nh»m gãp phÇn n©ng cao n¨ng suÊt d©y chuyÒn c«ng nghÖ, gi¶m gi¸ thµnh, n©ng cao chÊt l­îng vµ kh¶ n¨ng c¹nh tranh cña s¶n phÈm, ®ång thêi c¶i thiÖn ®iÒu kiÖn lao ®éng. §iÒu ®ã xuÊt ph¸t tõ nh÷ng ­u ®iÓm c¬ b¶n cña robot, ®ã lµ: + Robot cã thÓ thùc hiÖn ®­îc mét qui tr×nh thao t¸c hîp lý b»ng hoÆc h¬n ng­êi thî lµnh nghÒ mét c¸ch æn ®Þnh trong suèt thêi gian lµm viÖc. V× thÕ robot cã thÓ gãp phÇn n©ng cao chÊt l­îng vµ kh¶ n¨ng c¹nh tranh cña s¶n phÈm. H¬n thÕ, robot cßn cã thÓ nhanh chãng thay ®æi c«ng viÖc ®Ó thÝch nghi víi sù biÕn ®æi mÉu m·, kÝch cì sµn phÈm theo yªu cÇu cña thÞ tr­êng c¹nh tranh. + Kh¶ n¨ng gi¶m gi¸ thµnh s¶n phÈm do øng dông robot lµ v× gi¶m ®­îc ®¸ng kÓ chi phÝ cho ng­êi lao ®éng. + ViÖc ¸p dông robot cã thÓ lµm t¨ng n¨ng suÊt d©y chuyÒn c«ng nghÖ. Së dÜ nh­ vËy v× nÕu t¨ng nhÞp ®é khÈn tr­¬ng cña d©y chuyÒn s¶n xuÊt, nÕu kh«ng thay con ng­êi b»ng robot th× ng­êi thî kh«ng thÓ theo kÞp hoÆc rÊt chãng mÖt mái. + ø ng dông robot cã thÓ c¶i thiÖn ®iÒu kiÖn lao ®éng. §ã lµ ­u ®iÓm næi bËt nhÊt mµ chïng ta cÇn l­u t©m. Trong thùc tÕ s¶n xuÊt cã rÊt nhiÒu n¬i ng­êi lao ®éng ph¶i lµm viÖc suèt buæi trong m«i tr­êng rÊt bôi bÆm, Èm ­ít, nãng nùc hoÆc ån µo qu¸ møc cho phÐp nhiÒu lÇn, thËm chÝ ph¶i lµm viÖc trong m«i tr­êng ®éc h¹i, nguy hiÓm tíi søc khoÎ con ng­êi, dÔ x¶y ra tai n¹n . 1.5 Ph©n lo¹i robot song song Mét robot song song ®­îc gäi lµ ®èi xøng nÕu nã tho¶ m·n c¸c ®iÒu kiÖn sau: + Sè ch©n b»ng sè bËc tù do cña bµn m¸y ®éng. + Sè khíp vµ lo¹i khíp trong tÊt c¶ c¸c ch©n ®­îc s¾p xÕp gièng nhau. + Sè kh©u ho¹t ®éng vµ vÞ trÝ cña kh©u ho¹t ®éng trong tÊt c¶ c¸c ch©n lµ nh­ nhau. Khi c¸c ®iÒu kiÖn trªn kh«ng ®­îc tho¶ m·n th× robot ®­îc gäi lµ robot kh«ng ®èi xøng. Chó ý r»ng robot ®èi xøng cã sè ch©n tù do ( m ) b»ng sè bËc tù do ( F ) vµ còng b»ng víi tæng sè vßng L+1. Ta cã: (1.6) (1.7) (1.8) (1.9) Trong ®ã: m: Sè ch©n cña robot f : Sè bËc tù do cña robot. L: Sè vßng ®ãng ®éc lËp trong c¬ cÊu. Ck : Sè kh¶ n¨ng nèi ®éng cña ch©n, ®©y còng chÝnh lµ sè chuyÓn ®éng cã thÓ cña ch©n. fi : Sè kh¶ n¨ng chuyÓn ®éng cña c¬ cÊu hay bËc tù do cña khíp thø i. j : Sè khíp trong c¬ cÊu, bao gåm tÊt c¶ c¸c khíp. l : Sè bËc tù do cña kh«ng gian mµ c¬ cÊu ho¹t ®éng. 1.5.2 C¸c robot song song ph¼ng Víi c¸c robot song song ph¼ng ta cã l =3, m =f =3 thay vµo ph­¬ng tr×nh (1.8) ta ®­îc: C1+C2+C3 = 4f -3 =9 §ång thêi ph­¬ng tr×nh (1.9) lóc ®ã cã d¹ng: 3 ≤ Ck ≤ 3 Do ®ã mçi ch©n cã ba bËc tù do trong c¸c khíp t¹o nªn chóng. Tãm l¹i, mçi ch©n gåm hai kh©u vµ ba khíp , mçi khíp cÇn cã mét bËc tù do khíp. Sö dông khíp quay vµ khíp tr­ît lµm cÆp ®«i khíp, ta nhËn ®­îc bÈy lo¹i ch©n cã thÓ chÊp nhËn ®­îc, ®ã lµ RRR, RRP, RPR, PRR, RPP, PPR, vµ PPP. Do ®ã nÕu ta giíi h¹n cÊu tróc ch©n cña c¸c robot th× chØ cã bÈy lo¹i thuéc líp robot song song ph¼ng tù do cã thÓ thùc hiÖn ®­îc. H×nh 1..5: Robot song song ph¼ng 3 bËc tù do víi cÊu tróc ch©n RRR H×nh 1.6: C¬ cÊu chÊp hµnh song song 3 PRP H×nh 1.5 minh häa c¬ cÊu chÊp hµnh song song ph¼ng ba bËc tù do dïng cÊu tróc ch©n 3 PRP; H×nh 1.6 minh ho¹ c¬ cÊu chÊp hµnh song song 3 bËc tù do ph¼ng cã cÊu tróc nh¸nh 3 PRP, trong ®ã 3 trôc khíp quay vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng chuyÓn ®éng trong khi c¸c trôc khíp l¨ng trô n»m trªn mÆt ph¼ng chuyÓn ®éng. 1.5.3 C¸c robot song song cÇu C¸c c¬ cÊu cÇu cã ba bËc tù do. Do ®ã yªu cÇu liªn kÕt trong c¬ cÊu chÊp hµnh song song cÇu gièng nh­ c¸c c¬ cÊu chÊp hµnh song song ph¼ng. Trong c¬ cÊu chÊp hµnh liªn kÕt cÇu, lo¹i khíp ®­îc phÐp lµ khíp quay, tÊt c¶ c¸c trôc khíp ph¶i giao nhau t¹i mét ®iÓm chung, ®ã lµ t©m h×nh cÇu, do ®ã cÊu tróc nh¸nh duy nhÊt ®­îc phÐp lµ cÊu tróc RRR. C¬ cÊu chÊp hµnh trªn h×nh 1.7 lµ c¬ cÊu chÊp hµnh song song cÇu 3RRR, 3 bËc tù do. H×nh 1.7: C¬ cÊu chÊp hµnh kiÓu cÇu 3 RRR. Chó ý, mét khíp cÇu cã thÓ ®­îc l¾p ë t©m cña c¬ cÊu chÊp hµnh song song cÇu. Tuy nhiªn, khíp cÇu nh­ thÕ chØ cã thÓ lµ khíp thô ®éng, v× c¸c bé t¸c ®éng hiÖn h÷u kh«ng thÓ truyÒn ®éng cho khíp ®ã. V× thÕ, nÕu dïng mét khíp cÇu, cÇn cã thªm 3 nh¸nh ®Ó t¸c ®éng song song víi bÖ chuyÓn ®éng. Trong tr­êng hîp nµy, sè nh¸nh, kÓ c¶ nh¸nh víi khíp cÇu thô ®éng b»ng 0, kh¸c víi sè bËc tù do. 1.5.4 C¸c robot song song kh«ng gian §èi víi robot song song kh«ng gian, thay vµo ph­¬ng tr×nh (1.8) vµ (1.9) ta cã: (1.10) (1.11) Gi¶i ®ång thêi (1.10) vµ (1.11) víi c¸c sè nguyªn d­¬ng , k=1,2,3...Cã thÓ ph©n lo¹i robot song song kh«ng gian øng víi sè bËc tù do vµ ®é liªn kÕt ®­îc nªu trªn b¶ng: BËc tù do F Sè vßng L Tæng c¸c bËc tù do khíp §é liªn kÕt Ck,k=1,2,3... 2 1 8 4,4 5,3 6,2 3 2 15 5,5,5 6,5,4 6,6,3 4 3 22 6,6,5,5 6,6,6,4 5 4 29 6,6,6,6,5 6 5 36 6,6,6,6,6,6 Sè kh©u trong mçi nh¸nh cã thÓ nhiÒu b»ng tæng tÊt c¶ c¸c khíp tù do vµ b»ng sè nèi ®éng yªu cÇu. Sè kh©u lµ lín nhÊt khi tÊt c¶ c¸c khíp ®Òu lµ khíp mét bËc tù do. H×nh 1.8 m« t¶ mét sè cÊu tróc ch©n. H×nh 1.8a lµ ch©n 4 bËc tù do. H×nh 1.8b-e lµ c¸c ch©n 5 bËc tù do. H×nh 1.8f-h lµ c¸c ch©n 6 bËc tù do. Chó ý, mçi ch©n trªn c¸c h×nh 1.8e,f vµ h cã mét bËc tù do d­, cßn ch©n trªn h×nh 1.8g cã 2 bËc tù do d­. NÕu cÇn c¸c nh¸nh cã cÊu tróc ®éng häc, c¸c ®é liªn kÕt (4,4),(5,5,5) vµ (6,6,6,6,6,6) lµ c¸c c¸ch bè trÝ th­êng hay sö dông trong c¸c c¬ cÊu song song 2,3 vµ 6 bËc tù do. H×nh 1.8 T¸m kiÓu ch©n hay sö dông 1.5 kÕt cÊu cña Robot song song 3 RPS Trong ®Ò tµi, yªu cÇu tÝnh to¸n vµ m« pháng sè Robot song song 3 RPS, th­êng ®­îc thiÕt kÕ ®Ó mang ph«i gia c«ng vµ ®­îc l¾p ®Æt trªn bµn g¸ ph«i cña m¸y phay. Ba ch©n víi chiÒu dµi cã thÓ thay ®æi ®­îc ®iÒu khiÓn bëi c¸c ®éng c¬ sÏ dÉn ®éng cho bÖ di ®éng mang ph«i chuyÓn ®éng theo quÜ ®¹o x¸c ®Þnh tr­íc. Hai ®Çu cña c¸c ch©n nµy ®­îc liªn kÕt víi ®Õ cè ®Þnh vµ bÖ di ®éng b»ng c¸c khíp cÇu. ¦u ®iÓm cña lo¹i Robot nµy lµ khèi l­îng nhá, cÊu tróc gän nhÑ, ®é cøng v÷ng cao, cã 3 bËc tù do vµ ®é chÝnh x¸c cao. TÊt c¶ c¸c thµnh phÇn c¬ khÝ ®­îc lùa chän vµ thiÕt kÕ cµng nhá gän cµng tèt vµ kh«ng cã khe hë theo chiÒu däc trôc cña c¸c ch©n, c¸c ch©n ®­îc ®iÒu khiÓn cña Robot ®­îc dÉn ®éng b»ng c¸c c¬ cÊu chÊp hµnh tuyÕn tÝnh. H×nh 1.9 m« t¶ s¬ ®å cña robot nµy. H×nh 1.9: C¬ cÊu chÊp hµnh song song 3 RPS - Chi tiÕt 1 : Bµn di ®éng cã 3 bËc tù do trong kh«ng gian, trong tr­êng hîp cô thÓ ë ®©y lµ phÇn bÒ mÆt dïng ®Ó g¸ dông cô c¾t kim lo¹i (®Çu dao phay,...) hoÆc l¾p ®å g¸ ph«i (th­íc chia ®é, kÑp ph«i gia c«ng ...) cã d¹ng tam gi¸c (th­êng lµ tam gi¸c ®Òu). Trªn bµn di ®éng sÏ l¾p ®Æt c¸c lo¹i ®å g¸ ®Ó kÑp chi tiÕt hoÆc l¾p ®Æt côm ®éng c¬ - ®µi dao gia c«ng. Bµn ®­îc thiÕt kÕ cã c¸c lç, chèt ®Þnh vÞ ®Ó l¾p ®å g¸. §å g¸ ®­îc l¾p chÆt trªn bµn di ®éng b»ng c¸c bul«ng. - Chi tiÕt 2: Lµ mét phÇn cña chit tiÕt thanh tr­ît lång, èng tr­ît trong. TÊt c¶ c¸c èng tr­ît trong cã d¹ng thanh trô ®Æc. Khíp tr­ît ®­îc truyÒn ®éng b»ng c¬ cÊu chÊp hµnh sö dông ®éng c¬ servo, bé truyÒn ®éng vµ côm c¬ cÊu trôc vÝt - ®ai èc bi. C¸c ch©n cña Robot ®­îc nèi víi bÖ di ®éng vµ ®Õ cè ®Þnh b»ng c¸c khíp cÇu 6. - Chi tiÕt 3 : Lµ mét phÇn cña chi tiÕt thanh tr­ît lång, èng tr­ît ngoµi. TÊt c¶ c¸c èng tr­ît ngoµi cã d¹ng h×nh trô rçng. - Chi tiÕt 4 : Khíp quay, nèi ch©n víi ®Õ cè ®Þnh. - Chi tiÕt 5 : MÆt ®Õ cè ®Þnh, cã d¹ng tÊm ph¼ng trßn. BÖ cè ®Þnh ®­îc l¾p ®Æt trªn bµn g¸ chi tiÕt cña m¸y phay hoÆc cã thÓ ®­îc l¾p ®Æt cè ®Þnh trªn mét vËt kh¸c. Trªn ®Õ cè ®Þnh cã gia c«ng c¸c lç phôc vô, viÖc cè ®Þnh ®Õ trªn bµn g¸ hoÆc c¸c vËt kh¸c b»ng c¸c bul«ng. Trªn ®Õ cè ®Þnh cßn ®­îc gia c«ng c¸c r·nh ®Þnh vÞ phôc vô c«ng t¸c c¨n chØnh, l¾p ®Æt Robot. - Chi tiÕt 6 : Khíp cÇu, nèi ch©n víi bµn m¸y di ®éng.

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • docCHUONG1.DOC
  • docCh1-20.doc
  • docch2-8.doc
  • docch3-15.doc
  • docch3t-26.doc
  • docCHUONG2.DOC
  • docCHUONG3.DOC
  • docketluan.doc
  • docLOINOI~1.DOC
  • docmodau-10.doc