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

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.