CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Robot và robot song song Robot ra đời là sự phát triển tất yếu để đáp ứng nhu cầu của xã hội. Robot không chỉ có khả năng tạo ra sản phẩm với số lượng lớn, năng suất, chất lượng cao mà còn có khả năng “tái lập trình”, “tái cấu trúc” rất linh hoạt để có thể làm việc đa chức năng. Bên cạnh đó, robot còn có thể làm việc trong những môi trường độc hại, những nơi mà con người chưa thể tiếp cận được… Trong các loại robot phục vụ trong sản xuất công nghiệp, robot song song có rất nhiều ưu điểm và có nhiều ứng dụng thực tiễn đóng góp vào sự phát triển chung của xã hội. Dòng robot này được hình thành từ các khâu liên kết với nhau thành những vòng kín.
Bộ phận chứa phần công tác thường được gọi là bàn máy động, robot được cố định trên giá cố định và kết nối với bàn máy động qua các 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. Việc kết nối các khâu tạo nên vòng động học khép kín làm cho robot song song nhiều ưu điểm và được ứng dụng nhiều trong đời sống cũng như trong các hoạt động sản xuất công nghiệp. Để có sự phát triển như thời điểm hiện tại thì robot song song có một quá trình lịch sử lâu dài trong đó phải kể tới một số dấu mốc lịch sử nổi bật.
Đầu tiên phải kể tới một nguyên mẫu về robot song song làm bệ đỡ cho rạp chiếu phim (Hình 1.1) được cấp bằng sáng chế cho Gwinnet vào năm 1928 [1].1: Bệ đỡ rạp chiếu phim do Gwinnet thiết kế Vào năm 1947, Gough [2] đã xây dựng một cơ cấu cơ bản với cấu trúc vòng kín cho phép điều chỉnh vị trí và hướng sử dụng làm thiết bị kiểm tra lốp xe (Hình 1. Thiết bị này sau đó được phát triển và chính thức đưa vào hoạt động vào năm 1955. Bàn máy động của thiết bị này có dạng hình lục giác, mỗi góc nối với các chân bằng một khớp cầu, đầu còn lại nối với bệ máy bằng khớp Cardan. Các chân của cơ 3 cấu có chiều dài thay đổi được nhờ điều khiển.
Vào năm 1965, Stewart [3] đã đề xuất sử dụng cơ cấu của Gough cho hệ thống mô phỏng buồng tập lái máy bay (Hình 1.3), cho nên cơ cấu này còn thường được nói là cơ cấu Stewart. Ngày nay, cơ cấu dựa trên nền tảng của Gough được chọn làm cơ sở cho các hệ thống mô phỏng tập lái máy bay hiện đại.2: Mô hình hệ thống có cấu trúc vòng kín của Gough Hình 1.3: Mô hình nguyên lý hệ thống tập lái máy bay đầu tiên Một trong các biến thể được thiết kế thành công nhất dựa trên nền tảng cơ cấu của Gough chính là mẫu robot song song delta (Hình 1.4) được đề xuất bởi Clavel [4][5][6] và các dạng robot song song phẳng (Hình 1. Các dạng phổ biến của robot song song phẳng là dạng có kết cấu ba chân như RPR hoặc RRR (R đại diện cho khớp quay, P đại diện cho khớp trượt, khớp được gạch chân là khớp chủ động).4: Mô hình robot song song delta không gian Hình 1.5: Robot song song phẳng 3RPR Nếu như với robot chuỗi, tải trọng ảnh hưởng tăng dần từ cơ cấu chấp hành cuối đến đầu tiên thì với robot song song tải trọng được chia sẻ giữa các chân của robot nên cơ cấu chấp hành song song thường có khả năng chịu tải lớn [7][8]. Khi hoạt động, robot song song có quán tính nhỏ hơn nhiều so với robot chuỗi do các động cơ dẫn động có thể bố trí ngay tại bệ máy và các bộ phận mang tải còn có thể được bố trí gần với bệ máy.
Robot song song có độ cứng cao vì tải trọng của robot được chuyển sang dạng kéo nén các khâu tránh hiện tượng bị uốn như trên robot chuỗi. Độ chính xác vị trí của robot song song cao vì các lỗi được bù trung bình từ lỗi của từng chân do cấu trúc song song mà không bị tích lũy như robot nối tiếp. Nhưng robot song song vẫn tồn tại những nhược điểm như: không gian làm việc nhỏ hơn robot chuỗi do kết cấu dạng vòng kín giới hạn chuyển động hơn nữa tính linh hoạt của robot song song cũng kém hơn nhiều [6]–[8]. Sự so sánh ưu nhược điểm 5 giữa robot nối tiếp với robot song song được thể hiện trong bảng Bảng 1.1: So sánh robot chuỗi và robot song song Robot Robot TT Tiêu chí chuỗi song song 1 Độ chính xác khâu chấp hành cuối -- + 2 Độ chính xác khi lặp lại +- ++ 3 Độ cứng vững - + 4 Tỷ lệ khối lượng tải/robot -- + 5 Gia tốc khâu thao tác cuối +- ++ 6 Không gian làm việc (rộng, tránh vật cản) ++ - Tính linh hoạt (thích nghi với nhiệm vụ 7 ++ +- đặt ra) Chi phí thời gian tính toán (động học, 8 +- -- động lực học) Trong đó: ‐ Độ chính xác tuyệt đối và độ chính xác lặp lại của robot song song cao hơn robot chuỗi: Điều này là do robot chuỗi cấu tạo bởi các khâu kết nối liên tiếp nhau nên chúng gặp phải sai số tích lũy từ các khâu trước trong khi robot song song không gặp phải điều này.
‐ Độ cứng của robot song song cao hơn robot chuỗi: do trong nhiều các trường hợp, tải trọng đặt vào robot song song được chuyển thành lực kéo nén đặt vào các khâu nên độ cứng của cả cơ hệ tốt hơn. ‐ Tỷ lệ khối lượng tải/khối lượng robot: Robot song song có tỷ lệ lớn hơn, điều này cũng làm cho robot song song tiêu tốn ít năng lượng hơn so với robot chuỗi khi thực hiện cùng một nhiệm vụ. ‐ Gia tốc khâu thao tác cuối: Robot song song có gia tốc lớn hơn do kết cấu nhẹ và vững chắc của chúng. ‐ Không gian làm việc: robot song song có không gian làm việc hạn chế hơn robot chuỗi do sự ràng buộc của nhiều khâu với nhau.
‐ Tính linh hoạt: robot song song kém hơn robot chuỗi do sự ràng buộc về mặt cấu trúc cơ khí. ‐ Chi phí thời gian tính toán: Robot song song đòi hỏi chi phí tính toán động học và động lực học nhiều hơn. 6 Với nhiều ưu điểm trong sử dụng, robot song song đã và đang có nhiều ứng dụng trong thực tế.1 Phân loại robot song song Robot song song được phân loại ra thành các dạng chính bao gồm: robot đối xứng, robot song song phẳng, robot song song tọa độ cầu và robot song song không gian [7]. Robot song song Robot Robot song Robot song Robot song song song song phẳng song cầu song không đối xứng gian Hình 1.6: Sơ đồ phân loại robot song song Với robot song song dạng đối xứng có số chân bằng số bậc tự do của robot và cũng bằng tổng số vòng kín trên robot (Hình 1.7: Một dạng robot song song đối xứng Robot song song phẳng được thiết kế với hai chân hoặc nhiều hơn hai chân cùng kết nối với một bàn máy động trên cùng một mặt phẳng (Hình 1.
Ngày nay, các chân của robot song song được thay thế bởi các dây đơn, khi đó ta có dạng robot song song phẳng dẫn động bằng dây (cable-driven). Robot song song cầu có dạng kết cấu để bàn máy động chuyển động cầu (Hình 1.8: Robot song song có bàn máy động chuyển động cầu Robot song song không gian (Hình 1.9) với số bậc tự do nhỏ hơn 6 nhưng nhiều hơn 3 đã và đang thu hút được nhiều nhà nghiên cứu và người sử dụng cho các ứng dụng mang tính chất chuyên biệt.9: Sơ đồ cấu trúc động học của một dạng robot song song không gian Trên đây là sự phân loại các dạng robot song song. Với mỗi loại, chúng có khả năng chuyển động nổi bật và những ứng dụng vào thực tế sản xuất phục vụ đời sống của con người.2 Ứng dụng của robot song song Robot song song đã có những bước tiến đáng kể hơn nửa thế kỷ qua. Ngày nay, các ứng dụng của robot song song đã được phát triển rất đa dạng như trong lĩnh 8 vực mô phỏng chuyển động, các thiết bị vận hành, áp dụng cho máy công cụ với nhiều dạng kết cấu, nguồn dẫn động.
Với nhiều ưu điểm, đặc biệt là tính cứng vững cao và tỷ lệ giữa khối lượng tải với khối lượng bản thân robot lớn nên robot song song có nhiều ứng dụng nổi bật trong ngành công nghiệp [10] như: các robot đóng hộp (Hình 1.10) dùng trong công nghiệp nhẹ, hay sử dụng để định vị và định hướng phôi gia công cơ khí (Hình 1.10: Mẫu robot delta trong đóng hộp sản phẩm Với độ cứng vững cao, robot song song được sử dụng để làm đồ gá phục vụ quá trình gia công như robot CMW380 Hình 1.11: Robot song song CMW380 Sau đề xuất ban đầu của Stewart, có nhiều robot song song được sử dụng cho các hệ thống mô phỏng máy bay để huấn luyện phi công. Ngày nay, nhiều công ty đang xây dựng các chương trình mô phỏng chuyển động thực tế ảo không chỉ cho máy (Hình 1.13) mà còn cho ôtô, tầu hỏa… đây được đánh giá là lĩnh vực ứng dụng thành công nhất của dòng robot song song.12: Hệ thống Rendezvous sử đụng đào tạo các phi hành gia Một trong những ứng dụng robot song song trong mô phỏng sớm nhất là hệ thống Rendezvous (Hình 1.12) được Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia Hoa Kỳ (NASA) đã sử dụng tại Trung tâm nghiên cứu Langley ở Hampton, Virginia, để đào tạo các phi hành gia các thao tác hạ cánh xuống mặt trăng cho chương trình Gemini và Apollo. Hệ thống mô phỏng này đã đem lại cho các phi hành gia trải nghiệm lái tàu vũ trụ trong một môi trường gần giống với môi trường không gian ngoài trái đất.13: Robot cáp sử dụng tạo chuyển động phối hợp với công nghệ thực tế ảo Với một ưu điểm rất lớn của robot song song so với robot chuỗi là độ cứng vững và độ chính xác cao hơn hẳn nên các robot song song thường được lựa chọn để phát triển các robot phẫu thuật sử dụng trong y tế. Mẫu robot đầu tiên cần nói tới là mẫu robot do M.
Wapler phát triển [11] (Hình 1. Robot này có cấu trúc dựa trên 10 nền tảng của robot hexapod với 6 bậc tự do và không gian làm việc 100 100 50 [mm] và bàn máy khả năng quay 15 , độ chính xác vị trí đạt được 10[ m ] .