Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT SONG SONG 1.1 Robot có cấu trúc song song Do được ứng dụng rộng rãi nên robot được phát triển rất đa dạng và phong phú. Khái niệm robot có cấu trúc song song được Gough và Whitehall đưa ra vào năm 1962 [43] và sự chú ý ứng dụng của nó được khởi động bởi Stewart vào năm 1965. Ông là người cho ra đời một phòng tập lái máy bay dựa trên cơ cấu song song. Ngày nay, robot song song đã có những sự phát triển vượt bậc và có khả năng đạt được 6 bậc tự do.
Robot có cấu trúc song song thường gồm có bàn máy động được nối với giá cố định, dẫn động theo nhiều nhánh song song hay còn gọi là chân. Thường số chân bằng số bậc tự do, được điều khiển bởi nguồn phát động đặt trên giá cố định hoặc ngay trên chân. Do đó, robot song song đôi khi được gọi là robot có bệ. Cấu trúc robot song song 1.2 So sánh robot chuỗi và robot song song Thiết kế robot truyền thống dựa trên chuỗi nối tiếp các khâu cứng được liên kết bởi các khớp quay hoặc khớp trượt.
Một đầu của chuỗi này là cố định được gọi là bệ hoặc đế cố định, và đầu kia của chuỗi được trang bị một bàn kẹp được gọi là khâu thao tác. Loại robotchuỗi này, được mô phỏng theo cánh tay của con người, có lợi thế là không gian làm việc lớn nhưng khả năng chịu tải tương đối kém. Các cấu trúc chuỗi như vậy có xu hướng lớn và đắt tiền do yêu cầu về độ cứng liên kết và 4 truyền tải lực giữa các khâu. Chúng có thể được phân loại thêm như các thao tác không gian và phẳng.
Robot Puma là loại thao tác không gian điển hình (Hình 1. Do cấu trúc nối tiếp, tải trọng của loại tay máy này bị giới hạn bởi mô men xoắn dẫn động của các động cơ trong chuỗi động. Các động cơ và các khâu của các khớp kế tiếp trở thành tải trọng của các khớp trước đó. Như vậy, tải trọng của các tay máy có thể chịu được là thấp và ảnh hưởng của quán tính rất lớn.
Kết quả là, tốc độ và khả năng tăng tốc của khâu thao tác có thể đạt được là tương đối thấp. Khi ta nhìn vào các thông số kỹ thuật của một số robot chuỗi sẽ thấy rằng nó rất lớn và nặng nhưng chỉ có khả năng gắp những vật nhẹ [67]. Hơn nữa, các sai số về truyền động được tích lũy từng khâu và cộng dồn đến khâu thao tác.2: Robot Puma [67] Robot song song có độ cứng vững cao và khả năng chịu tải từ các thiết bị truyền động hoạt động song song để hỗ trợ tải. Độ chính xác vị trí của robot song song cao vì các sai số được bù trung bình từ sai số của từng chân do cấu trúc song song mà không bị tích lũy như robot chuỗi.
Trong khi các chuỗi động học tạo ra các ràng buộc và giới hạn về không gian làm việc, các thiết kế điển hình có đặc tính quán tính thấp. Các lĩnh vực ứng dụng robot song song bao gồm: Máy CNC, máy chính xác cao, máy móc tự động hóa trong bán dẫn và công nghiệp lắp ráp điện tử tốc độ và gia tốc cao. Để so sánh giữa robot chuỗi với robot song ta có bảng sau: Bảng 1.1: So sánh robot chuỗi và robot song song STT Tính năng Robot nối tiếp Robot song song 1 Độ chính xác Thấp hơn Cao hơn 2 Không gian làm việc Lớn hơn Nhỏ hơn 3 Độ cứng vững Thấp hơn Cao hơn 5 4 Tỉ số tải/khối lượng Thấp hơn Cao hơn 5 Tải trọng quán tính Lớn hơn Nhỏ hơn 6 Tốc độ làm việc Thấp hơn Cao hơn 7 Độ phức tạp thiết kế/điều khiển Đơn giản Phức tạp 8 Mật độ điểm suy biến (kỳ dị) Ít hơn Nhiều hơn Loại robot song song được nghiên cứu nhiều nhất là bệ Stewart và các biến thể của nó. Dạng đơn giản nhất của bệ Stewart là một bát giác với hình tam giác trên đỉnh và bệ bên dưới được kết nối bởi sáu chân.
Sự sắp xếp này tạo cho bệ ổn định với sáu bậc tự do. Bệ Stewart hiện nay thường được sử dụng cho các chuyến bay giả lập và ghế ngồi giải trí, những nơi có yêu cầu gia tốc được kiểm soát nhưng có tải trọng lớn và không gian thao tác nhỏ. Điều này rất khó thực hiện với robot chuỗi 6 bậc tự do (DOF), chỉ cần tưởng tượng là thiết bị truyền động cơ sở lớn đến mức nào để có thể đỡ các thiết bị truyền động khác, các liên kết trong chuỗi và tải trọng. Loại bệ đầu tiên được sử dụng bởi Gough [43] năm 1949 để thử nghiệm lốp xe và sau đó Stewart [94] ứng dụng trong mô hình bay giả lập.
Kể từ đó, nhiều biến thể đã được đề xuất bởi các tác giả khác nhau và chúng được gọi là “Stewart Platforms”.3 Giới thiệu về hai robot song song Delta không gian 3RUS và 3PUS đã chế tạo Hình 1.3: Robot thực 3RUS đã chế tạo Hình 1.4: Robot Delta 3PUS đã chế tạo 6 Đối tượng nghiên cứu của luận án là hai robot song song Delta không gian 3RUS và 3PUS. Hai robot này đã được nhóm nghiên cứu chế tạo tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Kinh doanh và Công nghệ Hà Nội (hình 1.4) với các tham số động học và động lực học như trong bảng 1.2: Tham số robot Delta 3RUS L1 L2 R r 1 2 3 m1 m2 mP 0.3: Bảng các tham số robot 3PUS L R r 1 2 3 m1 m2 mP 0.2 (m) (m) (m) (rad) (rad) (rad) (kg) (kg) (kg) Sơ đồ điều khiển của hai robot 3RUS và 3PUS như sau: Hình 1.5: Sơ đồ điều khiển robot Trong đó: Khối Nguồn 24V: làm nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều 220V thành dòng điện 1 chiều 24V. 7 Khối Main: làm nhiệm kết nối với máy tính và nhận tín hiệu từ phần mềm Matlab tính toán vị trí các khớp chủ động và biến đổi thành tín hiệu dạng xung để cấp cho khối Driver. Khối Driver: Nhận tính hiệu từ khối Main dưới dạng xung để điều khiển số bước động cơ.
Khối động cơ: gồm 3 động cơ bước 5 pha kèm hộp giảm tốc có các thông số kỹ thuật cụ thể như Bảng 1.4: Thông số kỹ thuật động cơ bước của hai robot 3RUS và 3PUS Robot 3RUS Robot 3PUS Mã hiệu động cơ 103 – 817 – 5234 103 – 814 – 5214 Số bước/vòng 5000 5000 Điện áp 24V 24V Dòng điện 2,4A/pha 1,4A/pha Mô men xoắn ~350N.m Từ sơ đồ điều khiển (hình 1.5) ta thấy đây là kiểu điều khiển hở không có tín hiệu phản hồi.4 Ứng dụng của robot song song Robot song song đã được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Một số ứng dụng cụ thể bao gồm: 1.1 Ứng dụng trong công nghiệp Hình 1.6: Cơ cấu song song Gough [67] 8 Vào năm 1949, Eric Gough đã đưa ra nguyên lý cơ bản và phát triển thiết bị tên là: “Universal Tyre-Testing machine” (hay còn gọi là Universal Rig) dùng để kiểm tra lốp xe cho hãng Dunlop (Hình 1. Thiết bị này chính thức đi vào vận hành năm 1955. Tấm dịch chuyển của thiết bị này có hình lục giác, mỗi góc nối với các khâu dẫn động tịnh tiến bằng các khớp cầu.
Đầu còn lại của các khâu tác động được nối với bệ bằng các khớp Cardan. Các khâu có chiều dài thay đổi do cơ cấu dẫn động tịnh tiến. Thiết bị này vẫn sử dụng đến năm 2000. Hiện nay, thiết bị này đang được trưng bày tại viện bảo tàng khoa học Anh.7: Robot Delta ứng dụng trong công nghệ thực phẩm [29] Một loại robot khác được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp là robot Delta [29].
Robot song song Delta được sáng chế bởi Reymond Clavel vào đầu thập niên 1980 với ý tưởng là dùng các hình bình hành để chế tạo robot song song có 3 bậc tự do chuyển động tịnh tiến và một bậc chuyển động quay. Robot Delta đã nhận được 36 bằng phát minh, trong đó có những bằng sáng chế quan trọng như của WIPO (WO 87/03528 cấp này 18/06/1987), bằng sáng chế Hoa Kỳ (US 4, 976, 582 cấp ngày 11/12/1990) và bằng sáng chế châu Âu (EP 0 250 470 cấp ngày 17/07/1991). Robot Delta được dùng trong dây chuyền đóng gói thực phẩm, làm thiết bị nâng gắp… Gần đây, Corves [31] đã khảo sát khá đầy đủ về các loại biến thể, các lĩnh vực ứng dụng và đánh giá thị trường sử dụng robot này.2 Ứng dụng trong mô phỏng Vào năm 1965, Stewart [94] đã đề xuất sử dụng cơ cấu song song để làm thiết bị mô phỏng bay (Hình 1. Hãng École Nationale d‟E1quitation (Pháp) đã phát 9 triển một thiết bị được đặt tên là Persival dùng để huấn luyện các nài ngựa (Hình 1.
Sản phẩm này đã được thương mại hóa.8: Cơ cấu song song Stewart [67] Hình 1.9: Sản phẩm Persival của École National d'Elquitation (Pháp) [67] Viện KAIST (Hàn Quốc) đã phát triển thiết bị mô phỏng xe đạp (Hình 1. Motek đã chế tạo Caren dùng để huấn luyện thể thao và phục hồi chức năng cho người bệnh và khuyết tật.10: Bộ mô phỏng xe đạp của Viện KAIST và sản phẩm Caren của Motek [67] 10 1.3 Ứng dụng trong y học Công ty Elekta (Thụy Điển), một công ty chuyên về các trang thiết bị y tế đã dùng robot Delta để làm thiết bị nâng giữ kính hiển vi có khối lượng 20 kg dùng trong việc giải phẫu (Hình 1.11: Sản phẩm SuriScope đang vận hành, Đại học Humboldt (Berlin, Đức) [43] Một dự án của châu Âu chế tạo robot CRIGOS (Compact Robot for Image Guided Orthopedic) sử dụng cơ cấu Gough-Stewart nhằm hỗ trợ cho các bác sĩ một công cụ phẫu thuật xương hiệu suất cao (Hình 1.12: Robot CRIGOS dùng để phẫu thuật tái tạo xương 11 1.4 Các ứng dụng khác Phòng thí nghiệm PCR tại Đại học kỹ thuật Sharif đã thiết kế, mô phỏng, phân tích động học và chế tạo một loại tay máy song song dùng để leo cột điện thay bóng đèn thay cho công nhân. Đây là loại robot có 3 chuỗi động học, mỗi chuỗi động học được bố trí các khớp là UPU (U: Khớp Cardan, P: Khớp trượt).13: Robot song song kiểu Stewart [67] Hình 1.14: Robot Delta [29] Một trong những công trình đầu tiên là của Stewart năm 1965 [94], trong đó ông đã giới thiệu cách sử dụng các cấu trúc song song (ngày nay thường được biết đến với tên gọi bệ Stewart) cho việc mô phỏng bay. Kể từ đó nhiều phiên bản của bệ này đã được đề xuất và nghiên cứu.
Thật vậy, hầu hết các công trình công bố được tập trung vào các bệ Stewart hoặc các biến thể của nó. Một số ví dụ đã được đưa ra trong các mục trước.