I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Robot Song Song Cao Tốc 3 Bậc Tự Do
Công nghệ Robot đã trở thành một phần quan trọng trong môi trường sản xuất linh hoạt. Hệ thống dây chuyền sản xuất tự động hóa thúc đẩy việc ứng dụng Robot để thay thế con người làm việc ở môi trường độc hại, nguy hiểm, và đặc biệt là thay con người thực thi các công việc mang tính đơn điệu, nhàm chán nhưng đòi hỏi cường độ làm việc cao và độ chính xác phải lớn, điển hình là các công việc lắp ráp các linh kiện điện tử trên board mạch, vận chuyển vật liệu. Trước đây, hầu hết những con Robot được ứng dụng trong nền sản xuất công nghiệp là Robot nối tiếp. Tuy nhiên, nhược điểm của loại Robot này là khó có thể đạt được tốc độ và độ chính xác cao, khi chịu tải lớn thì độ cứng vững kém, gia tốc của bộ tác động cuối cùng cũng bị hạn chế do quán tính dịch chuyển cao và do tồn tại các sai số do các khâu nối tiếp nhau. Bên cạnh đó, việc phân tích động học cũng khó khăn. Thế nhưng, theo nghiên cứu thì Robot song song lại có nhiều ưu điểm hơn so với Robot nối tiếp trong một số lĩnh vực. Các ưu điểm điển hình của Robot song song là : khả năng tải lớn, độ cứng vững cao và quán tính dịch chuyển thấp. Chính vì thế, người ta đã đưa ra nhiều giải pháp để tận dụng các ưu điểm của Robot song song thay thế Robot nối tiếp trong một số lĩnh vực. Do thế, đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là Robot song song cao tốc ba bậc tự do. Loại robot này đơn giản nhưng khá phổ biến trong gia đình Robot song song cao tốc. Nó có thể được nghiên cứu thêm để có thể thực hiện một số công việc như: dùng trong các máy công cụ, lắp ráp sản phẩm, vận chuyển hàng hóa,… Và trong tương lai nó còn có thể được nghiên cứu để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác.
1.1. Lịch Sử Phát Triển Của Robot Song Song Công Nghiệp
Robot công nghiệp bắt đầu được phát triển vào năm 1940. Ban đầu được dùng để chuyển tải các loại vật liệu nguy hiểm, được dùng trong thám hiểm không gian và sau đó được dùng trong công nghệ tự động hóa linh hoạt. Vào những năm 90, đã có nhiều công ty của Nhật, Bắc Mỹ, Châu Âu đã ứng dụng Robot rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Trong những năm gần đây, Robot công nghiệp chủ yếu được dùng cho các thao tác lặp lại nhiều lần như : chuyển tải vật tư, xếp dỡ các chi tiết máy, lắp ráp các bộ phận thành cụm máy và làm việc trong các môi trường nguy hiểm như : chuyển tải vật liệu phóng xạ, thám hiểm không gian và đáy biển, hàn điểm, sơn phun,… Đặc biệt hiện nay Robot còn được ứng dụng trong lĩnh vực y khoa để giải phẫu cho con người. Ngoài ra, các nhà sản xuất còn quan tâm đến các loại robot thân thiện với con người như : là Robot giúp việc nhà, giúp người tàn tật, Robot làm hướng dẫn viên du lịch, …
1.2. Ứng Dụng Thực Tế Của Robot Song Song Cao Tốc Hiện Nay
Phạm vi ứng dụng của Robot ngày càng mở rộng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, nhưng trong luận văn này chỉ trình bày một số ứng dụng của Robot song song : Làm việc ở những nơi nguy hiểm hoặc ở những nơi mà con người không thể trực tiếp làm được : sao hỏa, miệng núi lửa, lò hạt nhân. Ứng dụng trong việc đóng gói sản phẩm. Dùng trong các máy công cụ. Dùng trong lĩnh vực y học. Dùng để thay thế con người thực hiện các công việc trong môi trường khắc nghiệt như xưởng hàn. Dùng trong công nghệ chế biến thực phẩm. Dùng trong môi trường đảm bảo yêu cầu vệ sinh cao. Dùng để vận chuyển hàng hóa.
II. Tại Sao Cần Nghiên Cứu Robot Song Song 3 Bậc Tự Do
Kể từ khi bùng nổ cuộc cách mạng công nghệ thông tin cùng với sự phát triển như vũ bão của ngành công nghiệp điện tử đã thúc đẩy các nhà sản xuất phát triển dây chuyền sản xuất hiện đại dùng nhiều loại Robot song song cao tốc. Vì Robot song song cao tốc có các ưu điểm sau : Có khả năng thực hiện công việc mang tính đơn điệu với tốc độ cao, độ chính xác cao, khả năng tải lớn, độ cứng vững cao,… Do vậy, việc ứng dụng Robot để thực hiện các công việc đơn điệu dễ gây nhàm chán cho người lao động nhưng đòi hỏi cường độ làm việc cao cũng như độ chính xác cao đang được đón nhận ở nhiều lĩnh vực công nghệ do Robot có ưu điểm nổi bật hơn con người là không bị mệt mỏi cũng như nhàm chán khi chỉ thực hiện một công việc lặp đi lặp lại. Các công việc điển hình như là : đóng gói, lắp ráp và phân loại sản phẩm.
2.1. Ưu Điểm Vượt Trội Của Robot Song Song So Với Robot Nối Tiếp
Robot song song có nhiều ưu điểm hơn so với Robot nối tiếp trong một số lĩnh vực. Các ưu điểm điển hình của Robot song song là : khả năng tải lớn, độ cứng vững cao và quán tính dịch chuyển thấp. Chính vì thế, người ta đã đưa ra nhiều giải pháp để tận dụng các ưu điểm của Robot song song thay thế Robot nối tiếp trong một số lĩnh vực.
2.2. Tiềm Năng Ứng Dụng Robot Song Song Trong Tương Lai
Hiện nay, hướng phát triển của ngành công nghiệp hiện đại là ứng dụng Robot thay thế con người làm các công việc đơn điệu với cường độ và độ chính xác cao. Và Việt Nam cũng đang từng bước công nghiệp hóa, hiện đại hóa để hòa mình vào sự phát triển chung của thế giới. Do đó, nhu cầu ứng dụng Robot song song cao tốc trong tương lai của Việt Nam có tiềm năng rất lớn. Song, để thiết kế và chế tạo Robot thì bước đầu tiên cần phải tiến hành tính toán và mô phỏng để khảo sát hoạt động của Robot.
III. Phương Pháp Thiết Kế Động Học Robot Song Song 3 Bậc Tự Do
Để thiết kế động học cho Robot song song 3 bậc tự do, cần mô tả cấu trúc của Robot, xác định hình học của Robot, giải bài toán động học nghịch và động học thuận. Phân tích ma trận Jacobi để xác định các điều kiện đặc biệt của cơ cấu. Việc phân tích này giúp hiểu rõ hơn về khả năng hoạt động và các hạn chế của Robot.
3.1. Mô Tả Cấu Trúc Và Hình Học Của Robot Song Song
Cần xác định rõ các thông số hình học của Robot, bao gồm chiều dài các khâu, vị trí các khớp, và các thông số khác liên quan đến cấu trúc của Robot. Việc mô tả chính xác cấu trúc và hình học là cơ sở để xây dựng các phương trình động học.
3.2. Phân Tích Ma Trận Jacobi Và Các Điều Kiện Đặc Biệt
Ma trận Jacobi cho phép xác định mối quan hệ giữa vận tốc khớp và vận tốc của bàn thao tác. Phân tích ma trận Jacobi giúp xác định các trạng thái đặc biệt, nơi Robot mất khả năng điều khiển hoặc có độ nhạy cao với sai số.
IV. Động Lực Học Của Cơ Cấu Robot Song Song 3 Bậc Tự Do
Động lực học của cơ cấu Robot được phân tích bằng phương pháp Lagrange. Phương pháp này cho phép xác định các lực và moment cần thiết để điều khiển Robot theo quỹ đạo mong muốn. Kết quả phân tích động lực học là cơ sở để thiết kế hệ thống điều khiển cho Robot.
4.1. Phương Pháp Lagrange Trong Phân Tích Động Lực Học
Phương pháp Lagrange là một công cụ mạnh mẽ để phân tích động lực học của các hệ thống cơ học, bao gồm cả Robot song song. Phương pháp này dựa trên việc xây dựng hàm Lagrange và sử dụng các phương trình Lagrange để xác định các lực và moment cần thiết.
4.2. Ứng Dụng Phương Pháp Lagrange Cho Robot Song Song 3 Bậc Tự Do
Áp dụng phương pháp Lagrange cho cơ cấu Robot song song 3 bậc tự do cho phép xác định các phương trình động lực học của Robot. Các phương trình này có thể được sử dụng để thiết kế hệ thống điều khiển cho Robot.
V. Mô Phỏng Và Kiểm Chứng Robot Song Song Cao Tốc 3 DOF
Để kiểm chứng các kết quả tính toán và phân tích, cần tiến hành mô phỏng hoạt động của Robot. Các phần mềm như Matlab, Autocad, Inventer và Visual Natrans được sử dụng để mô phỏng và khảo sát hoạt động của Robot. Kết quả mô phỏng giúp đánh giá hiệu suất và độ chính xác của Robot.
5.1. Sử Dụng Phần Mềm Matlab Để Tính Toán Và Thiết Kế Giao Diện
Matlab là một công cụ mạnh mẽ để tính toán và mô phỏng các hệ thống kỹ thuật, bao gồm cả Robot. Matlab được sử dụng để tính toán động học, động lực học và thiết kế giao diện điều khiển cho Robot.
5.2. Mô Phỏng Cơ Cấu Robot Bằng Autocad Inventer Solidword
Các phần mềm CAD như Autocad, Inventer và Solidword được sử dụng để vẽ và mô phỏng cơ cấu Robot. Mô phỏng cơ cấu giúp kiểm tra tính khả thi của thiết kế và đánh giá hiệu suất của Robot.
VI. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Robot Song Song Tương Lai
Nghiên cứu về Robot song song cao tốc ba bậc tự do là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ Robot. Các kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ công nghiệp đến y học. Hướng phát triển trong tương lai là tập trung vào việc nâng cao hiệu suất, độ chính xác và khả năng linh hoạt của Robot.
6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Đạt Được
Luận văn đã trình bày các kết quả nghiên cứu về động học, động lực học và mô phỏng của Robot song song cao tốc ba bậc tự do. Các kết quả này là cơ sở để thiết kế và chế tạo Robot.
6.2. Hướng Nghiên Cứu Và Phát Triển Robot Song Song Trong Tương Lai
Trong tương lai, cần tập trung vào việc nghiên cứu các hệ thống điều khiển thông minh cho Robot song song, nâng cao khả năng tự động hóa và tích hợp Robot vào các hệ thống sản xuất linh hoạt.
