MỞ ĐẦU - Chương 2: TỔNG QUAN - Chương 3: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN - Chương 4: THIẾT KẾ VÀ MÔ HÌNH HÓA - Chương 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY - Chương 6: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 1. Những kết quả nghiên cứu ban đầu: Luận văn bước đầu có những kết quả và được trình bày trong hội nghị quốc tế “The 7th International Conference on Advanced Engineering – Theory and Applications – AETA 2022”. - Xuan Quang Ngo, Thai Nguyen Chau, Cong Thang Doan, Van Tu Duong, Duy Vo Hoang and Nguyen Tan Tien, “Design of Mobile Manipulator for Fire Extinguisher Testing. Part I: Key Specifications and Conceptual Design”, The 7th International Conference on Advanced Engineering (AETA2022), 2022.
- Thai Nguyen Chau, Xuan Quang Ngo, Van Tu Duong, Trong Trung Nguyen, Huy Hung Nguyen and Nguyen Tan Tien, “Design of Mobile Manipulator for Fire Extinguisher Testing. Part II: Design and Simulation”, The 7th International Conference on Advanced Engineering (AETA2022), 2022. TỔNG QUAN Chương 2. Các dạng tay máy công nghiệp: Các dạng tay máy công nghiệp phổ biến hiện nay bao gồm: cấu hình liên tục (serial), cấu hình song song (parallel), cấu hình SCARA, cấu hình hình bình hành (parallelogram), … với những ưu nhược điểm khác nhau.
Tay máy với cấu hình liên tục: Đây là cấu hình robot được sử dụng phổ biến, với cơ cấu nối tiếp, đặt động cơ trên mỗi khớp để điều khiển trực tiếp các khâu, số bậc tự do tùy biến từ 4 đến 6 hoặc hơn. Sơ đồ nguyên lý tay máy cấu hình liên tục Ưu điểm của cấu hình là khả năng thực hiện nhiều tác vụ như hàn, cắt, sơn,. và khả năng làm việc linh hoạt. Tuy nhiên, do thiết kế nên cấu hình không tối ưu về khía cạnh động lực học, tải làm việc ở mức vừa và nhỏ.
Các tay máy điển hình của cấu hình liên tục: 3 Chương 2. Tay máy Mitsubishi RV-20FR Hình 2. Tay máy Mitsubishi RV-20FR [2] Bảng 2. Đặc tính kỹ thuật tay máy Mitsubishi RV-20FR Tải làm Độ chính Hệ dẫn Bậc tự do Tầm với Khối lượng việc xác lặp lại động 6 20𝑘𝑔 1094𝑚𝑚 ±0.05𝑚𝑚 120𝑘𝑔 AC Servo Vận tốc mỗi khớp Khớp 1: Khớp 2: Khớp 3: Khớp 4: Khớp 5: Khớp 6: 110𝑜 /𝑠 110𝑜 /𝑠 110𝑜 /𝑠 124𝑜 /𝑠 125𝑜 /𝑠 360𝑜 /𝑠 b.
Tay máy Fanuc M-20iB/25 Bảng 2. Đặc tính kỹ thuật tay máy Fanuc M-20iB/25 Tải làm Độ chính Hệ dẫn Bậc tự do Tầm với Khối lượng việc xác lặp lại động 6 25𝑘𝑔 1853𝑚𝑚 ±0.02𝑚𝑚 210𝑘𝑔 AC Servo Vận tốc mỗi khớp Khớp 1: Khớp 2: Khớp 3: Khớp 4: Khớp 5: Khớp 6: 205𝑜 /𝑠 205𝑜 /𝑠 260𝑜 /𝑠 415𝑜 /𝑠 415𝑜 /𝑠 880𝑜 /𝑠 4 Chương 2. TỔNG QUAN Hình 2. Tay máy Fanuc M-20iB/25 2.
Tay máy với cấu hình song song: Robot song song bao gồm một bệ di động được gắn vào một đế cố định nhờ tập hợp các chuỗi động học giống hệt nhau, thường được gọi là các chân [4]. Ưu điểm của tay máy cấu hình song song là tốc độ làm việc cao với độ chính xác và lặp lại cao, đặc tính động lực học tốt hơn. Tuy nhiên, có hạn chế lớn về vùng làm việc và tải làm việc, phù hợp với các tác vụ gắp thả sản phẩm nhỏ, đơn giản hay tác tác vụ lắp ghép cần độ chính xác cao, một số ví dụ về tay máy với cấu hình song song được trình bày bên dưới: Hình 2. Sơ đồ nguyên lý tay máy cấu hình hình bình hành, 3RRR 5 Chương 2.
Tay máy ABB IRB360-1/1130 FlexPicker Hình 2. Tay máy cấu hình song song ABB FlexPicker [5] Bảng 2. Đặc tính kỹ thuật tay máy ABB IRB360-1/1130 FlexPicker Độ chính Tải làm việc Đường kính Khối lượng Hệ dẫn động xác lặp lại 1𝑘𝑔 1130𝑚𝑚 0. Tay máy Fanuc M-2iA/3A Hình 2.
Tay máy cấu hình song song Fanuc M-2iA/3A [6] 6 Chương 2. TỔNG QUAN Bảng 2. Đặc tính kỹ thuật tay máy Fanuc M-2iA/3A Độ chính Tải làm việc Đường kính Khối lượng Hệ dẫn động xác lặp lại 3𝑘𝑔 800𝑚𝑚 ± ± 0. Tay máy cấu hình SCARA: Cơ cấu sử dụng hệ tọa độ trụ thường để bốc dỡ, xếp các hàng hóa có khối lượng nhẹ, tầm với nhỏ nhưng khả năng di chuyển linh hoạt, nhanh hơn và chính xác hơn cơ cấu tay máy cấu hình nối tiếp.
Các mẫu robot điển hình cho cơ cấu cấu hình SCARA: Hình 2. Sơ đồ nguyên lý tay máy cấu hình SCARA a. Tay máy Mitsubishi RH-3FHR3515: Hình 2. Tay máy cấu hình SCARA RH-3FHR3515 [7] 7 Chương 2.
TỔNG QUAN Bảng 2. Đặc tính kỹ thuật tay máy RH-3FHR3515. Tải làm Độ chính xác Hệ dẫn Bậc tự do Tầm với Khối lượng việc lặp lại động 4 3𝑘𝑔 350𝑚𝑚 ±0.01𝑚𝑚 29𝑘𝑔 AC Servo Vận tốc mỗi khớp Khớp 1: 400𝑜 /𝑠 Khớp 2: 720𝑜 /𝑠 Khớp 3: 1100𝑚𝑚/𝑠 Khớp 4: 3000𝑜 /𝑠 b. Tay máy ABB IRB 910SC: Hình 2.
Tay máy cấu hình SCARA ABB IRB 910SC [8] Bảng 2. Đặc tính kỹ thuật tay máy ABB IRB 910SC Tải làm Độ chính xác Hệ dẫn Bậc tự do Tầm với Khối lượng việc lặp lại động 4 3𝑘𝑔 450𝑚𝑚 ±0.5𝑘𝑔 AC Servo Vận tốc mỗi khớp Khớp 1: 415𝑜 /𝑠 Khớp 2: 659𝑜 /𝑠 Khớp 3: 1000𝑚𝑚/𝑠 Khớp 4: 2400𝑜 /𝑠 2. Tay máy cấu hình hình bình hành: Tay máy cấu hình hình bình hành là cơ cấu thiết kế đặt động cơ điều khiển các khớp ở vị trí gần hay trên khâu đế của tay máy, sử dụng cơ cấu bốn khâu bản lề tạo thành hình bình hành, điều khiển các khớp của tay máy. Cơ cấu giúp giảm khối lượng được đặt trực 8 Chương 2.
TỔNG QUAN tiếp trên các khâu, giảm moment quán tính khi tay máy làm việc, đặc biệt ở các cấu hình vươn xa, tăng tính động lực học cho tay máy. Đặc trưng của cơ cấu giúp tay máy nếu cần thiết có thể cân bằng các khâu một cách độc lập, thuận tiện cho việc chế tạo và ứng dụng cân bằng cho tay máy. Do đó, tay máy có khả năng làm việc với tải từ lớn đến rất lớn, ứng dụng trong các ngành công nghiệp vừa và nặng, các ứng dụng bốc dỡ hàng hóa khối lượng lớn, … Tay máy sử dụng cấu hình hình bình hành thường có 4 bậc tự do. Khâu số 1 quay quanh trục thẳng đứng, khâu 2 và 3 cung cấp chuyển động tịnh tiến và khâu cuối cùng dùng để xoay đầu công tác.
Sơ đồ nguyên lý cấu hình tay máy hình bình hành 9 Chương 2. TỔNG QUAN Các tay máy điển hình sử dụng cấu hình hình bình hành: a. Tay máy Yaskawa MPL500ii Hình 2. Tay máy cấu hình hình bình hành Yaskawa MPL500ii [9] Bảng 2.
Đặc tính kỹ thuật tay máy Yaskawa MPL500ii Độ chính xác Bậc tự do Tải làm việc Tầm với Khối lượng Hệ dẫn động lặp lại 4 500𝑘𝑔 3159𝑚𝑚 ±0.5𝑚𝑚 2300𝑘𝑔 AC Servo Vận tốc mỗi khớp Khớp 1: 80𝑜 /𝑠 Khớp 2: 85𝑜 /𝑠 Khớp 3: 85𝑜 /𝑠 Khớp 4: 195𝑜 /𝑠 10 Chương 2. Tay máy Fanuc M-410iC/185 Hình 2. Tay máy cấu hình hình bình hành Fanuc M410iC/185 [10] Bảng 2. Đặc tính kỹ thuật tay máy Fanuc M410iC/185: Độ chính xác Bậc tự do Tải làm việc Tầm với Khối lượng Hệ dẫn động lặp lại 4 185𝑘𝑔 3143𝑚𝑚 ±0.5𝑚𝑚 1300𝑘𝑔 AC Servo Vận tốc mỗi khớp Khớp 1: 140𝑜 /𝑠 Khớp 2: 140𝑜 /𝑠 Khớp 3: 140𝑜 /𝑠 Khớp 4: 305𝑜 /𝑠 Đối với các tay máy xếp dỡ hàng hóa, cấu hình điển hình được sử dụng là cấu hình tay máy hình bình hành.
Vấn đề cân bằng cho tay máy: Đối với hệ tay máy, vấn đề cân bằng cũng tương tự như các cơ cấu cơ khí khác, đó là mong muốn loại bỏ hoặc giảm tác động của lực quán tính trong quá trình làm việc, bởi một hệ thống khi chịu tác dụng của lực lắc ngang hoặc moment lắc ngang sẽ gây ra một dao động đáng kể tác dụng lên đế. Trước tiên ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống, sau có khả năng gây hư hỏng, nguy hiểm đến hệ thống và môi trường xung quanh. Khi nhắc đến cân bằng hệ tay máy, người ta thường đề cập đến cân bằng lực lắc ngang, cân bằng moment lắc ngang [11]. Ngoài ra, hiện nay rất nhiều các hệ thống robotics đang hoạt động ở vận tốc thấp để thực hiện nhiều tác vụ khác nhau.
Trong trường hợp này, moment quán tính gây ra bởi khối lượng của các khâu lớn hơn nhiều so với moment do lực quán tính gây ra. Do vậy, cân bằng trọng lực vẫn rất hữu ích đối với các hệ thống robotic hoạt động ở vận tốc thấp và sự phát triển các nghiên cứu về cân bằng lực trọng trường đến nay vẫn còn phát triển. Cân bằng lực lắc ngang cho tay máy: Cân bằng lực lắc ngang (Shaking Force Balancing of Manipulators) cho tay máy được định nghĩa là khi vị trí khối tâm của tay máy được giữ cố định hoặc không thay đổi trong suốt quá trình hoạt động của tay máy dù có sự tác động của cả lực trọng trường và lực quán tính. Hiện nay có nhiều phương pháp được sử dụng để cân bằng lực lắc ngang cho tay máy: - Sử dụng đối trọng giữ cho vị trí khối tâm của các khâu di chuyển không đổi: các đối trọng sẽ được thêm vào cuối khâu sao cho vị trí khối tâm của khâu, gắn lên khớp phía trước không đổi.
Khoảng cách từ đối trọng đến khớp xoay cần xét sẽ thay đổi ứng với lực quán tính sinh ra trong quá trình làm việc. - Sử dụng các cơ cấu phụ trợ: người ta thường sử dụng cơ cấu hình bình hành làm cơ cấu phụ trợ để tạo cân bằng cho tay máy. TỔNG QUAN - Điều chỉnh các tham số động học: trong nghiên cứu của Ouyang và Zhang năm 2005, khối lượng các khâu không đổi, trong khi đó chiều dài các khâu và vị trí trọng tâm được tính lại đảm bảo cân bằng lực lắc ngang. - Giảm thiểu lực lắc ngang bằng cách điều khiển gia tốc khối tâm: mục đích của phương pháp là với quỹ đạo tay máy phải đi, làm sao giảm thiểu các bước khiến cho khối tâm của tay máy dao động nhiều, qua đó giảm thiểu lực lắc ngang.
Cân bằng moment lắc ngang: Các phương pháp hiện nay được sử dụng để cân bằng moment lắc ngang (Shaking moment balancing of manipulator) cho tay máy: - Sử dụng cơ cấu quay ngược: Cơ cấu bao gồm đối trọng, bộ truyền bánh răng được phát triển lần đầu bổi Berestov năm 1975. Ưu điểm của phương pháp này là chi phí thấp nhưng lại tăng khối lượng tổng thể và có rơ do dùng bộ truyền bánh răng. - Sử dụng module động lực học bốn khâu cân bằng: Trình bày lần đầu bởi Ricard và Gosselin năm 2000 và sau đó tiếp tục phát triển. Toàn bộ lực lắc ngang và moment lắc ngang được cân bằng mà không cần sử dụng thêm cơ cấu quay ngược.
Phù hợp với các robot humanoid.