CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Các vấn đề đặt ra Để giải quyết đề tài nhóm nghiên cứu cần giải quyết một số vấn đề như sau: Cấu tạo của robot delta: Robot delta là một loại robot song song bao gồm ba cánh tay được nối với các khớp quay ở giá cố định. Đặc điểm thiết kế chính của nó là sử dụng hình bình hành trong các cánh tay, giúp duy trì sự định hướng của bộ phận đầu cuối, ngược lại với nền tảng Stewart là có thể thay đổi hướng của bộ phận đầu cuối của nó.
Nguyên lí hoạt động: Cơ chế chính của loại robot này đó là sử dụng các hình bình hành để tạo ra chuyển động đầu cuối mà vẫn giữ nguyên hướng. Tức là chỉ chuyển động theo hướng X, Y và Z mà không bị quay hướng. Xây dựng bản vẽ hệ thống cơ khí Xây dựng chương trình điều khiển vị trí: Điều khiển vị trí thông qua phần mềm python Thiết kế bài thực hành cho Delta phục vụ trong đào tạo 1. Tổng quan về đề tài 1.
Giới thiệu chung Khái niệm robot có cấu trúc song song được Gough và Whitehall đưa ra vào năm 1942.1: Mô hình robot song song của Willard L. Polard đăng kí bản quyền đầu tiên năm 1942 [7] Sự phát triển của robot song song tiếp tục khi vào năm 1960, khi Gough và Whitehall lần đầu tiên phát minh ra hệ thống giắc cắm sau tuyến tính sử dụng làm máy kiểm tra lốp đa năng [4].2: Máy kiểm tra lốp của Gough và Whitehall [4] Sự chú ý ứng dụng của robot có cấu trúc song song được khởi động bởi 13 Stewart, vào năm 1965 là người cho ra đời buồng tập lái máy bay giả lập dựa trên cấu trúc song song.3: Sơ đồ về "nền tảng Stewart" [10] Gần đây hơn chúng được sử dụng trong sự phát triển của máy công cụ có độ chính xác cao [11] bởi nhiều công ty như Gidding & Lewis, Ingersoll, Hexl, Geodetic và Toyota,… Ngày nay, robot song song là một loại robot được sử dụng nhiều trong công nghiệp, đặc biệt là trong khâu phân loại và đóng gói sản phẩm nhờ vào đặc tính có tốc độ và độ chính xác cao. Robot Delta là một loại robot song song, gồm 3 cánh tay được nối với các khớp quay ở giá cố định. Là cơ cấu động học song song ba bậc tự do, cấu trúc vòng kín.
Giá di động được nối với giá cố định, dẫn động theo 3 nhánh song song. Được điều khiển bằng nguồn phát động đặt trên giá cố định.4: Robot Delta Omron [3] 1. Ưu điểm và nhược điểm của robot delta. *Ưu điểm - Khả năng chịu được tải trọng cao: các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên khối lượng các thành phần cũng nhỏ hơn.
- Độ cứng vững cao nhờ vào kết cấu hình học. - Tất cả các lực tác động đồng thời được chia đều cho tất cả các chân (các nhánh song song). - Cấu trúc động học đặc biết của các khớp liên kết cho phép chuyển tất cả lực tác dụng thành lực kéo/nén của các chân. - Có thể thực hiện được các thao tác phức tạp, hoạt động với độ chính xác cao: sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc trục của các cụm cơ cấu chân riêng lẻ và sai số không bị tích lũy.
- Thiết kế được nhiều kích thước khác nhau. - Khả năng di động cao trong quá trình làm việc do có kích thước và khối lượng tương đối nhỏ. - Tầm hoạt động rộng từ việc lắp ráp các chi tiết rất nhỏ hay các chuyển động chức năng phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao. 15 * Nhược điểm - Khoảng không gian làm việc nhỏ và khó thiết kế.
- Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp. - Có nhiều điểm suy biến (kì dị) trong không gian. Ứng dụng của robot Delta. Với nhiều đặc tính ưu việt nên Robot Delta được ứng dụng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực khác nhau trong cuộc sống.
Dưới đây là 1 số ví dụ cụ thể: - Ứng dụng trong công nghiệp: máy gia công cơ khí chính xác, đóng gói phân loại sản phẩm,… Hình 1.5: Robot Delta công đoạn đóng gói sản phẩm trong nhà máy Hình 1.6: Robot Delta trong công nghiệp [2] 16 Ứng dụng trong y tế: Hình 1.7: Robot Delta sử dụng để nâng kính giúp bác sĩ phẫu thuật Trình điều khiển song song tịnh tiến 3-PUU được sử dụng trong việc hô hấp nhân tạo để ép ngực như một phương pháp cứu hộ với tần số nén 100 lần mỗi phút như thể hiện trong hình 1.8: Mô hình thiết kế Hồi sức tim phổi(CPR) [6] 17 Robot Delta dựa trên cáp trong các ứng dụng vật lý trị liệu [8] được phát triển tại Phòng thí nghiệm Người máy và Cơ điện tử của Đại học Padua, Italia. Robot cấu trúc song song cho các hệ thống siêu âm 3D đang được phát triển bởi Simon Lessard, Ilian Bonev và Pascal Bigras để thay thế các thiết bị 2D truyền thống trong chuẩn đoán bệnh mạch máu [5]. 3 DOF ISOGLIDE3 như một trình điều khiển song song được phát triển bởi thuật toán Fuzzy và PID dùng trong lâm sàng [9]. Ứng dụng trong chế tạo ô tô: buồng tập lái ô tô,… Ứng dụng trong quân sự: dung làm giá đỡ,… Ứng dụng trong bưu chính viễn thông: giá đỡ ăng ten, vệ tinh địa tĩnh,… Ứng dụng trong học tập nghiên cứu khoa học.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Được sử dụng cho các nghiên cứu liên quan đến robot song song sau này. - Góp phần xây dựng mô hình dạy học về các loại robot trong trường. - Ứng dụng vào các công việc đơn giản như gắp thả hay nhấn nút,… 1. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu lý thuyết và giải các bài toán động học thuận và động học nghịch.
- Nghiên cứu phương pháp điều khiển vị trí cho robot bằng vi điều khiển. - Thiết kế mô hình robot song song kết hợp với xử lí ảnh có chức năng gắp thả vật hoạt động ổn định, chính xác. - Thiết kế các bài tập thực hành giúp sinh viên nắm chắc kiến thức về cách điều khiển Robot Delta, cũng như ứng dụng robot Delta vào thực tế. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đề tài giới hạn ở việc nghiên cứu, thiết kế robot Delta với 3 bậc tự do, điều khiển theo vị trí với chức năng gắp thả.
- Nghiên cứu lý thuyết và giải các bài toán động học của robot Delta. - Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cơ khí và hệ thống điều khiển. - Chế tạo mô hình robot song song và kết nối xây dựng chương trình điều khiển. Vận hành robot gắp thả vật theo yêu cầu.
Phương pháp nghiên cứu 1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết - Để nghiên cứu lý thuyết ta thực hiện các công việc: - Tổng hợp tài liệu về tính toán động học thuận và động học nghịch robot Delta, từ đó xây dựng thuật toán giải bài toán động học. - Tính toán thiết kế mô hình cơ khí cho robot đảm bảo chính xác và cứng vững, đáp ứng nhu cầu điều khiển chính xác. - Tìm hiểu các phương pháp điều khiển, lựa chọn bộ điều khiển phù hợp, xây dựng chương trình điều khiển.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Để thực hiện phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ta tiến hành chế tạo mô hình robot Delta và điều khiển robot thực hiện công việc theo yêu cầu. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ROBOT DELTA Cấu tạo robot song song Delta: Hình 2.1: Cấu tạo cơ bản của Robot Delta [1] Cấu tạo của robot Delta bao gồm các thành phần chính sau: - Giá cố định F (chi tiết 1) - Giá di động E (chi tiết 8) - Ba khâu chủ động (chi tiết 4) liên kết với bàn máy cố định bằng các khớp quay (chi tiết 15) và được dẫn động bởi 3 động cơ (chi tiết 3), các động cơ này gắn chặt với bàn máy cố định. - Ba khâu bị động (chi tiết 5) mỗi khâu là một cấu trúc hình bình hành. - Nhờ tính chất của các khâu hình bình hành nên bàn máy động là một vật rắn chuyển động tịnh tiến trong không gian.
Như vậy robot có 3 bậc tự do xác định bởi 3 tọa độ 1 , 2 ,3 trong không gian khớp. Động học thuận Hình 2.2: Mô hình động học robot delta Từ các góc 1 , 2 ,3 ta tìm ra tọa độ của điểm E0(x0,y0,z0).Nếu ta đã biết góc x , chúng ta có thể dễ dàng tìm thấy tọa độ của các điểm J1,J2,J3. Các khớp nối J1E1, J2E2, J3E3 có thể tự do xoay quanh các điểm J1, J2, J3, tương ứng, tạo thành 3 hình cầu có bán kính 𝑟𝑒. Ta di chuyển các tâm của các hình cầu từ các điểm J1, J2 và J3 đến các2 điểm J’1, J′ và J’3 bằng cách sử dụng các vector chuyển tiếp E1E0, E2E0 và E3E0 tương ứng.
Sau quá trình chuyển đổi này, tất cả ba hình cầu sẽ giao nhau tại một điểm: E0, như được thể hiện trong hình phía dưới: Hình 2.3: Mô hình động học robot delta 21 Để tìm tọa độ của điểm E0(𝑥0 , 𝑦0 , 𝑧0 ), chúng ta cần giải tập hợp 3 phương trình: x x1 y y1 z z1 re2 2 2 2 (2.1) nơi tọa độ các tâm hình cầu (𝑥𝑗 , 𝑦𝑗 , 𝑧𝑗 ) và bán kính 𝑟𝑒 đã biết.4: Tọa độ các điểm 𝐽1, , 𝐽2, , 𝐽3, trên mặt phẳng Oxy Ta có: OF1 =OF2 OF3 F 2 tan 300 f 2 3 (2.4) f e J1' 0; rf cos 1 ; rf sin 1 2 3 f e f e J 2' rf cos 2 cos 300 ; rf cos 2 sin 300 ; rf sin 2 2 3 2 3 f e f e J 3' rf cos 3 cos 300 ; rf cos 3 sin 300 ; rf sin 3 2 3 2 3 22 Trong các phương trình sau đây ta sẽ chỉ định tọa độ của các điểm J1, J2 và J3 là ( x1 , y1 , z1 ), ( x2 , y2 , z2 ), ( x3 , y3 , z3 ). Dưới đây là phương trình của 3 hình cầu: x 2 y y1 2 z z1 2 re2 x x2 y y2 z z3 re 2 2 2 2 (2.