Luận văn thạc sĩ: Phân tích nội lực trong khâu robot song song khi có ngoại lực

Nghiên cứu tính toán trạng thái nội lực các khâu robot song song trong chuyển động. Luận văn phân tích chi tiết ảnh hưởng của ngoại lực lên hệ thống.

• Tác giả: Ngô Thái Sơn
• Người hướng dẫn: Ts. Dế Đình
• Trường học: Trường Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Tính Toán Trạng Thái Nội Lực Trong Các Khâu Của Robot Song Song Trong Chuyển Động Có Kế Đến Ảnh Hưởng Của Ngoại Lực
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm cơ bản về robot song song

Robot song song là một loại cơ cấu có cấu trúc đặc biệt với các khâu kết nối song song giữa bản cố định và bản động. Khác với robot tay máy nối tiếp truyền thống, robot song song sở hữu độ cứng cao, tốc độ xử lý nhanh và khả năng chịu lực tốt. Cấu trúc này cho phép nội lực phân bố đều trên các khâu, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động. Ứng dụng của robot song song rất rộng rãi trong các lĩnh vực y tế, công nghiệp sản xuất, và tự động hóa. Việc tính toán chính xác trạng thái nội lực trong các khâu là yếu tố then chốt để đảm bảo độ an toàn và hiệu quả của robot. Để hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động, cần nắm vững các khái niệm về khâu, khớp, và liên kết trong cơ học.

1.1. Định nghĩa robot song song và các loại cấu trúc

Robot song song được định nghĩa là cơ cấu mà các khâu kết nối từ bản cố định đến bản động hoạt động song song với nhau. Các loại cấu trúc phổ biến bao gồm robot phẳng 3RRR, robot Isoglide, và các biến thể khác. Mỗi loại có độ tự do khác nhau phụ thuộc vào số lượng và cách bố trí các khâu kết nối.

1.2. Ưu điểm và ứng dụng thực tiễn

Ưu điểm nổi bật của robot song song bao gồm tốc độ cao, độ chính xác cao, và khả năng chịu tải tốt. Ứng dụng thực tiễn bao gồm phẫu thuật tự động, gia công cơ khí, sắp xếp sản phẩm, và mô phỏng bay. Các tính chất này làm cho robot song song trở thành lựa chọn tối ưu trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại.

II. Phương pháp tính toán nội lực trong các khâu robot

Tính toán nội lực trong các khâu robot song parallel yêu cầu áp dụng các phương pháp phân tích lực học chuyên sâu. Phương pháp tách cấu trúc là kỹ thuật cổ điển giúp tách riêng từng khâu và phân tích các lực tác dụng lên nó. Phương pháp nhân tử Lagrange cung cấp giải pháp toán học tối ưu cho các hệ cơ học có liên kết. Để xác định trạng thái nội lực, cần thiết lập phương trình cân bằng lực cho từng khâu. Việc biết chính xác ngoại lực tác dụng lên bản máy động là điều kiện tiên quyết. Các phương pháp số hiện đại cho phép giải quyết những bài toán phức tạp mà cách tính tay không thể thực hiện được.

2.1. Phương pháp tách cấu trúc và phân tích lực

Phương pháp tách cấu trúc bao gồm việc tách từng khâu ra khỏi cơ cấu tổng thể. Sau đó, áp dụng các lực liên kết tại các khớp để biểu diễn tương tác giữa các khâu. Phương trình cân bằng lực và mô men được viết cho từng khâu độc lập, từ đó xác định được nội lực trong các khâu.

2.2. Ảnh hưởng của ngoại lực tác dụng lên robot

Ngoại lực bao gồm tải trọng do công cụ hoặc vật thể tác dụng lên bản máy động. Ảnh hưởng của ngoại lực trực tiếp quyết định phân bố nội lực trên các khâu. Tính toán chính xác ngoại lực giúp dự đoán trạng thái nội lực và đảm bảo an toàn của cơ cấu.

III. Mô hình robot song song trong nghiên cứu

Bài luận văn thạc sĩ tập trung vào mô hình robot song song phẳng 3RRR - một trong những mô hình đơn giản nhưng tiêu biểu nhất. Mô hình này gồm ba khâu kết nối nối giữa bản cố định và bản máy động, tạo thành một hệ thống có ba bậc tự do. Việc khảo sát mô hình 3RRR giúp hiểu rõ cơ chế hoạt động của các robot song parallel phức tạp hơn. Mô hình này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp nhờ cân bằng tốt giữa độ phức tạp và hiệu suất. Bằng cách phân tích chi tiết mô hình 3RRR, có thể xây dựng nền tảng lý thuyết vững chắc cho việc tính toán nội lực trong các robot song song phức tạp hơn.

3.1. Đặc điểm cấu trúc của robot 3RRR

Robot phẳng 3RRR có ba chân kết nối với cấu trúc giống nhau, mỗi chân gồm ba khâu được nối bởi các khớp quay. Cấu trúc đối xứng này tạo nên độ ổn định cao trong quá trình hoạt động. Bản máy động có thể chuyển động trên mặt phẳng với ba bậc tự do: hai bậc tịnh tiến và một bậc quay.

3.2. Quá trình mô hình hóa và phân tích động học

Mô hình hóa robot 3RRR yêu cầu xác định vị trí các khâu dựa trên quy luật chuyển động của bản máy động. Phân tích động học ngược giúp tính toán vị trí khớp từ vị trí bản máy. Sau đó, tính vận tốc và gia tốc các khâu để chuẩn bị cho phân tích động lực.

IV. Kết quả tính toán và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy phân bố nội lực trong các khâu robot song parallel phụ thuộc mạnh mẽ vào ngoại lực tác dụng. Khi không chịu ngoại lực bên ngoài, nội lực chỉ phục vụ duy trì chuyển động của robot. Tuy nhiên, khi có ngoại lực tác dụng, nội lực tăng đáng kể, đặc biệt ở các khớp chủ động. Các đồ thị tính toán sai số phương trình liên kết cho thấy độ chính xác của mô hình. Hiểu rõ trạng thái nội lực giúp thiết kế các khâu với độ cứng và sức chịu đựng phù hợp. Ứng dụng thực tiễn bao gồm tối ưu hóa thiết kế cơ cấu, nâng cao độ tin cậy, và tuổi thọ của robot trong các điều kiện làm việc khác nhau.

4.1. Phân tích kết quả tính toán nội lực

Kết quả cho thấy nội lực ở các khâu biến đổi theo thời gian và vị trí của robot. Khớp chủ động chịu nội lực lớn nhất do phải cung cấp mô men lực để điều khiển robot. Nội lực ở các khâu kết nối phụ thuộc vào kiến trúc hình học của robot. Các đồ thị biểu diễn lực liên kết tại các khớp giúp xác định tính toán chính xác.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng trong thiết kế

Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế robot song song hiệu quả. Biết được phân bố nội lực giúp lựa chọn vật liệu phù hợp và kích thước khâu tối ưu. Ứng dụng trong tối ưu hóa cấu trúc và nâng cao hiệu năng robot là những hướng phát triển quan trọng trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

mở đầu [1] BLE Hệeghọe. 212 Cơ hệ tự do và cơ hệ chịu liên kết.4 Liên kếtholonom và không holenom. 2145 Khâu 216 Khop Cơ số về xây dựng phương trình vì phân chuyển déng [1] [2] [3] [4] WwW Nv 2.25 Phương pháp tách câu trúc 2.2 Phương pháp nhântửLaprange Thương pháp số khảo sát bài toán động học ngược 231 Háitoán vị ti. TOM TAT NOT DUNG LIJAN VAN 8o với roboL dang lay may có cơ cầu dang chudi hé, robol song song cé câu trúc động học phức tạp, khó khăn trong nghiên cứu, thiết kế và điều khiến nhưng cỏ một số ưu điểm nổi trội như chịu được tải trọng lớn, độ củng vững cao do kết cau hình học của chủng, có thể phan bé déu tai trong, có thé thực hiện nhímg thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính xác cao.

Vì vậy,viêc ứng đựng các cơ cầu song song trong thực tế ngày càng trở nên phổ biến Trong quá trình làm việc khi chịu tác dụng lực từ môi trưởng, trạng thải nội lực tại các liên kết khớp của rỏ bốt cũng như tại những vị trí cần dim bảo dộ cứng vững là một vấn dé dang quan tâm khi thiết kế. Chính vì vậy việc đi sâu nghiên cứu trang thái nội lục tại các khâu của robot sọng song rất có ý nghĩa trong thục tế. Luan van str dung phương pháp nghiên cứu lý thuyết với mục tiêu thiết lập hệ phương trình vi phân— dại số mô tà chuyên dộng của robot song song phẳng 3ERR dựa lrên phương trình T.sgrange dạng nhân tử. Sau đó áp dụng các phương pháp số đế thực hiện giải các hệ phương trình vi phân — đại số thiết lập dược dễ khảo sát nội lực trong, các khâu của robot dược thẻ hiện dưới dạng các thận a Lagrange.

` nghĩa khoa học Luan van tap trưng vào việc phân tích dông lực hoc ngược ch rơbot song song phẳng để lu quy luật của trạng thải nội lực trong các khâu của robol theo quy luật của bản máy động dưới tác đụng của ngoại lực biên đổi từ môi trường, luận văn sẽ là tải liệu thara kháo ý nghĩa cho việc nghiên cứu, phân tích các đối tượng lương tự có cả trúc mạch vòng kín Các kết quá dự kiến đạt được -_ Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của robot song song theo phương pháp Lagrange nhân tử và phương pháp tách câu tric. - Ap dụng các phương pháp số kháo sắt bài toán dộng học ngược, déng lực hoe ngược, sử dựng, phần mm Matlab - Simulink tinh loan trang thii ndi bực tại các khâu, lục liên kết ki lớp của robot trong quá trình làm việc. DARH MỤC BÁNG BIẾU Bang 1. So sinh robot dang chudi va robot song song [4] 5 Bang 1.

Phản loại robot song song, 6 Bang 1. Thông số tính toán của robot. Thông số Rebot mê hình tham chiếu.3 Bài toán gia lốc 17 2.4 Phương pháp số khảo sát bài toán đông lực học ngược 17 Kết luận chương2 - - 18 CHƯƠNG 3. THIET LAP HE PHƯƠNG TRINH VI PHAN— ĐẠI SỞ MÔ ‘TA CHUYEN DONG CUA ROBOT SONG SONG PHANG 3RRR.1 Xây dựng mô bình động lực của robot song song phẳng 3RRH.2 __ Thiết lập hệ phương trình vị phân chuyển động theo phương pháp nhân từ Lagrange.3 Thiết u hệ tong trình vínan chuyển động theo phone sp tách NA".

Đảnh giá mô hình và chương trình tỉnh. 34 Kết luận chương 3. TÍNH TOÁN - RANG THÁI NỘI LỰC CA ROBOT SONG SONG PHẲNG 3RRR.1 Quy liật chuyến động của bản máy và các điều kiện đâu 4.2 Đàitoán động học ngược 37 421 Bàitoánvitri - 37 42.2 Dai toan van téc - - 38 4.3 Trạng thải nội lực trong các khâu của Robot khi không chịu ánh "hướng của ngoại lực - - - 4 43.1 Nội dùng mô phông số - 41 4.2 Cac kết quả mô phỏng số. Bai toán động lực học ngược trong trường hợp Robot chịu ảnh hưởng của ngoai lục biển thiền tác dụng lên bản mmáy.41 Nội dang mô phống số.

442 Các kết quả mô phỏng số. 38 Kết luận chương 4. 52 Kiếnnghi hưởng phát triển Irong tương lai - 59 TAL LIEU THAM KHẢO.3 Bài toán gia lốc 17 2.4 Phương pháp số khảo sát bài toán đông lực học ngược 17 Kết luận chương2 - - 18 CHƯƠNG 3. THIET LAP HE PHƯƠNG TRINH VI PHAN— ĐẠI SỞ MÔ ‘TA CHUYEN DONG CUA ROBOT SONG SONG PHANG 3RRR.1 Xây dựng mô bình động lực của robot song song phẳng 3RRH.2 __ Thiết lập hệ phương trình vị phân chuyển động theo phương pháp nhân từ Lagrange.3 Thiết u hệ tong trình vínan chuyển động theo phone sp tách NA".

Đảnh giá mô hình và chương trình tỉnh. 34 Kết luận chương 3. TÍNH TOÁN - RANG THÁI NỘI LỰC CA ROBOT SONG SONG PHẲNG 3RRR.1 Quy liật chuyến động của bản máy và các điều kiện đâu 4.2 Đàitoán động học ngược 37 421 Bàitoánvitri - 37 42.2 Dai toan van téc - - 38 4.3 Trạng thải nội lực trong các khâu của Robot khi không chịu ánh "hướng của ngoại lực - - - 4 43.1 Nội dùng mô phông số - 41 4.2 Cac kết quả mô phỏng số. Bai toán động lực học ngược trong trường hợp Robot chịu ảnh hưởng của ngoai lục biển thiền tác dụng lên bản mmáy.41 Nội dang mô phống số.

442 Các kết quả mô phỏng số. 38 Kết luận chương 4. 52 Kiếnnghi hưởng phát triển Irong tương lai - 59 TAL LIEU THAM KHẢO. LOL CAM ON Qua thời gian học tập vả nghiên cứu tại khoa Cơ diện tử Trường Cơ Khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đến nay tôi đã hoàn thành luận vấn thạc sỹ của mình với nội dung “Tính toán trạng thái nội lực trong các khâu của robet song song trong chuyển động có kế đến ánh hưởng của ngoại lực”.

Luận văn này được hoàn thành nhờ sự giúp dỡ, tạo điều kiên của các thây cỏ khoa Cơ Điện tử - trường Cơ khi — Trường đại học Bách khoa Hà Nội Tác giả xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt Lới T8. Đỗ Đăng Khoa, người thầy đã tận tỉnh hướng dẫn, động viên và truyền cho tôi những kinh nghiệm quý báu trong thời gian học tập, nghiên cứu thực hiện đề tải 'Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các thấy, cô trong nhóm nghiên cứu Cơ học ứng dụng - khoa Cơ Điện tử - Trưởng Cơ khí - Trường Đại học Bach khoa Ha Nội có những nhên xét lâm huyết „ tạo mọi điều kiện thuận lợi cho Lôi rong suit. quả trình làm luận văn của mình.3 Bài toán gia lốc 17 2.4 Phương pháp số khảo sát bài toán đông lực học ngược 17 Kết luận chương2 - - 18 CHƯƠNG 3. THIET LAP HE PHƯƠNG TRINH VI PHAN— ĐẠI SỞ MÔ ‘TA CHUYEN DONG CUA ROBOT SONG SONG PHANG 3RRR.1 Xây dựng mô bình động lực của robot song song phẳng 3RRH.2 __ Thiết lập hệ phương trình vị phân chuyển động theo phương pháp nhân từ Lagrange.3 Thiết u hệ tong trình vínan chuyển động theo phone sp tách NA".

Đảnh giá mô hình và chương trình tỉnh. 34 Kết luận chương 3. TÍNH TOÁN - RANG THÁI NỘI LỰC CA ROBOT SONG SONG PHẲNG 3RRR.1 Quy liật chuyến động của bản máy và các điều kiện đâu 4.2 Đàitoán động học ngược 37 421 Bàitoánvitri - 37 42.2 Dai toan van téc - - 38 4.3 Trạng thải nội lực trong các khâu của Robot khi không chịu ánh "hướng của ngoại lực - - - 4 43.1 Nội dùng mô phông số - 41 4.2 Cac kết quả mô phỏng số. Bai toán động lực học ngược trong trường hợp Robot chịu ảnh hưởng của ngoai lục biển thiền tác dụng lên bản mmáy.41 Nội dang mô phống số.

442 Các kết quả mô phỏng số. 38 Kết luận chương 4. 52 Kiếnnghi hưởng phát triển Irong tương lai - 59 TAL LIEU THAM KHẢO. TOM TAT NOT DUNG LIJAN VAN 8o với roboL dang lay may có cơ cầu dang chudi hé, robol song song cé câu trúc động học phức tạp, khó khăn trong nghiên cứu, thiết kế và điều khiến nhưng cỏ một số ưu điểm nổi trội như chịu được tải trọng lớn, độ củng vững cao do kết cau hình học của chủng, có thể phan bé déu tai trong, có thé thực hiện nhímg thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính xác cao.

Vì vậy,viêc ứng đựng các cơ cầu song song trong thực tế ngày càng trở nên phổ biến Trong quá trình làm việc khi chịu tác dụng lực từ môi trưởng, trạng thải nội lực tại các liên kết khớp của rỏ bốt cũng như tại những vị trí cần dim bảo dộ cứng vững là một vấn dé dang quan tâm khi thiết kế. Chính vì vậy việc đi sâu nghiên cứu trang thái nội lục tại các khâu của robot sọng song rất có ý nghĩa trong thục tế. Luan van str dung phương pháp nghiên cứu lý thuyết với mục tiêu thiết lập hệ phương trình vi phân— dại số mô tà chuyên dộng của robot song song phẳng 3ERR dựa lrên phương trình T.sgrange dạng nhân tử. Sau đó áp dụng các phương pháp số đế thực hiện giải các hệ phương trình vi phân — đại số thiết lập dược dễ khảo sát nội lực trong, các khâu của robot dược thẻ hiện dưới dạng các thận a Lagrange.

` nghĩa khoa học Luan van tap trưng vào việc phân tích dông lực hoc ngược ch rơbot song song phẳng để lu quy luật của trạng thải nội lực trong các khâu của robol theo quy luật của bản máy động dưới tác đụng của ngoại lực biên đổi từ môi trường, luận văn sẽ là tải liệu thara kháo ý nghĩa cho việc nghiên cứu, phân tích các đối tượng lương tự có cả trúc mạch vòng kín Các kết quá dự kiến đạt được -_ Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động của robot song song theo phương pháp Lagrange nhân tử và phương pháp tách câu tric. - Ap dụng các phương pháp số kháo sắt bài toán dộng học ngược, déng lực hoe ngược, sử dựng, phần mm Matlab - Simulink tinh loan trang thii ndi bực tại các khâu, lục liên kết ki lớp của robot trong quá trình làm việc.3 Bài toán gia lốc 17 2.4 Phương pháp số khảo sát bài toán đông lực học ngược 17 Kết luận chương2 - - 18 CHƯƠNG 3. THIET LAP HE PHƯƠNG TRINH VI PHAN— ĐẠI SỞ MÔ ‘TA CHUYEN DONG CUA ROBOT SONG SONG PHANG 3RRR.1 Xây dựng mô bình động lực của robot song song phẳng 3RRH.2 __ Thiết lập hệ phương trình vị phân chuyển động theo phương pháp nhân từ Lagrange.3 Thiết u hệ tong trình vínan chuyển động theo phone sp tách NA". Đảnh giá mô hình và chương trình tỉnh.

34 Kết luận chương 3. TÍNH TOÁN - RANG THÁI NỘI LỰC CA ROBOT SONG SONG PHẲNG 3RRR.1 Quy liật chuyến động của bản máy và các điều kiện đâu 4.2 Đàitoán động học ngược 37 421 Bàitoánvitri - 37 42.2 Dai toan van téc - - 38 4.