CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI. THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM. ĐỘNG HỌC ROBOT.
CHẾ TẠO MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM. TỔNG QUAN HOẠT ĐỘNG – ĐIỀU KHIỂN. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM - PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Giới thiệu về robot song song 2.1 Giới thiệu chung về robot song song Trong lĩnh vực sản xuất, nhu cầu linh hoạt hóa ngày càng tăng, điều này đã thúc đẩy sự phát triển đa dạng và phong phú của các cơ cấu robot.
Trong số đó, cơ cấu robot song song nghiên cứu bởi Gough và Whitehall vào năm 1962 là một thành tựu đáng kể. Vào năm 1965, ứng dụng của cơ cấu robot song song thu hút sự chú ý với công trình của Stewart, người đã phát triển buồng tập lái máy bay dựa trên cơ cấu song song [6]. Ngày nay, cấu trúc của robot song song đã được áp dụng rộng rãi trong một loạt các lĩnh vực đa dạng. Là một loại robot phức tạp, gồm nhiều thành phần kết hợp với nhau.
Robot song song là một chuỗi khép kín bao gồm bệ cố định và một bệ di động kết nối với nhau bởi các chuỗi nối tiếp hay các chân robot. Các chuỗi liên kết này là riêng biệt và độc lập, thường là 3 hoặc 6 liên kết, số lượng liên kết tương đương với số bật tự do của robot. Các liên kết này hoạt động đồng thời cùng nhau để tạo nên chuyển động của bệ di động của robot.2 Đặc tính tối ưu của robot song song so với robot nối tiếp Thiết kế robot nối tiếp dựa trên chuỗi nối tiếp các khâu với nhau bằng các khớp quay hay trượt kéo dài từ chân đế cố định đến đầu công tác cuối. Do cấu trúc nối tiếp nên khâu trước phải chịu tác động lực của khâu sau, hay khả năng chịu tải của chân đế cố định tăng nếu càng nhiều khâu nối tiếp.
Điều đó dẫn đến khả năng chịu tải của robot nối tiếp có phần giảm thiểu. Nhưng lợi thế của robot nối tiếp là không gian làm việc lớn do có cấu trúc mở, loại robot này được mô phỏng theo Hình dáng cánh tay con người nên có thể vươn xa. Cấu trúc của robot nối tiếp có dạng cánh tay nên tạo ra hiệu ứng mô men và uốn cong tại đầu công tác càng tăng lên, điều này gây ra sai số khi hoạt động. Các loại robot nối tiếp nổi bật hiện nay là SCADA và PUMA: - SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm): Là một dạng robot nối tiếp, thường được áp dụng trong các ứng dụng lắp ráp và trong ngành công nghiệp.
SCADA có hai cánh tay song song và khả năng di chuyển trong mặt phẳng ngang. - PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly): Là một loại robot nối tiếp được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp. PUMA có cấu trúc ba cánh tay và được sử dụng cho các công việc như hàn, lắp ráp và gia công. Cấu trúc của robot song song có bộ truyền động kết nối trực tiếp tới các cánh tay nên chúng không chịu tải từ các khâu trước như robot nối tiếp.
Do đó robot song song hoạt động vô cùng linh hoạt và chính xác cao. Nhưng hạn chế ở không gian làm việc nhỏ do có cấu trúc khép kín. Các loại robot song song nổi bật hiện nay là Stewart Platform và Delta robot: 6 - Nền tảng Stewart: Nền tảng Stewart là một loại robot song song được thiết kế với một khung có 6 chân gắn vào một nền tảng di động. Mỗi chân trên nền tảng Stewart có khả năng di chuyển độc lập, tạo ra sự tương tác giữa chân và nền tảng, cho phép robot thực hiện các chuyển động di chuyển và xoay trong không gian ba chiều.
Nền tảng Stewart thường được áp dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao như mô phỏng bay [7]. - Robot Delta: Robot Delta là một dạng robot song song với cấu trúc ba cánh tay. Ba cánh tay này được gắn vào một nền tảng di động. Robot Delta nổi tiếng với tốc độ và độ chính xác cao, là sự lựa chọn phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ lắp ráp, đóng gói và phân loại.
Dưới đây là bảng 2.1 [8] so sánh các tiêu chí, đặc tính giữa 2 loại robot đó là robot nối tiếp và robot song song.1: So sánh giữa robot nối tiếp với robot song STT Tiêu chí Robot nối tiếp Robot song song 1 Không gian làm việc Lớn Phức tạp và nhỏ 2 Phương trình động học và mô hình hóa Dễ tính toán Phức tạp 3 Tỉ số tải/khối lượng Thấp hơn Cao hơn 4 Độ chính xác Thấp hơn Cao hơn 5 Tốc độ làm việc Thấp hơn Cao hơn 6 Độ vững chắc Thấp hơn Cao hơn 7 Tải trọng quán tính Thấp hơn Cao hơn 8 Độ phức tạp thiết kế/ điều khiển Đơn giản Phức tạp 9 Mật độ điểm suy biến (kỳ dị) Ít hơn Nhiều hơn 10 Khối lượng robot Lớn Nhỏ hơn 2.3 Ứng dụng của robot song song Robot song song đang ngày càng được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực. Dưới đây là một số ví dụ tiêu biểu: - Ứng dụng trong không gian: Đã có nhiều nghiên cứu ứng dụng robot song song trong không gian. ví dụ như robot 6- UPS CKCM được nghiên cứu cho Trung tâm Chuyến bay Không gian Goddard NASA bởi Nguyen và các kỹ sư của ông [6]. Dubowsky thiết kế trình mô phỏng VES, trong đó một robot song song được sử dụng để mô phỏng hành vi của robot nối tiếp và để nghiên cứu các tác động của một vật thể tự do trong không gian [6].
7 - Ứng dụng trong mô phỏng: Mô phỏng thiết bị bay được Stewart đề xuất vào năm 1965 với cơ cấu song song, thể hiện ở hình 2. Từ đó bắt đầu có nhiều nghiên cứu hơn cho việc mô phỏng thiết bay, tàu thủy, tàu hỏa và lái xe [6].1: Nền tảng Stewart được đề xuất cho mô phỏng chuyến bay Robot song song dùng trong mô phỏng bay Airbus A340 và mô phỏng lái xe nghiên cứu bởi đại học Iowa được thể hiện dưới hình 2.2: Mô phỏng may bay Airbus A340 8 Hình 2.3: Mô hình mô phỏng lái xe Và một số nghiên cứu thú vị như mô hình của Persival, ban đầu được phát triển bởi Ecole Nationale d' ' Equitation của Pháp với mục đích mô phỏng hoạt động của việc cưỡi ngựa và các tình huống [6]. - Ứng dụng trong kiểm tra độ rung lắc, chống rung: Với cấu trúc linh hoạt của robot song song, robot song song cũng đã được nghiên cứu cho chống rung, hay tương tác với rung động được thể hiện ở hình 2.4: Hình bên trái là bài kiểm tra rung lắc. Hình bên phải là cấu trúc robot song song được sử cho phóng tàu con thoi (OHE Hagenbuch, CSA) - Ứng dụng trong y học: Hệ thống Crigos của Brandt, một robot song song được áp dụng rộng rãi trong các hoạt động phẫu thuật chỉnh hình.
Tại e Val de Grâce một bệnh viện của Paris, được sự hỗ trợ của ISIS một mô hình Robot Delta được đưa vào dùng làm bệ đỡ kính hiển vi và robot hỗ trợ phẫu thuật cột sống được hỗ trợ bởi Mazor Surgical Technologies (hình 2.5: Hình bên trái, robot Delta dùng để đỡ kính hiển vi. Hình bên phải, robot phẫu thuật cột sống - Ứng dụng trong công nghiệp: Với các ứng dụng trong công nghiệp được cho là có giá trị kinh tế nhất là các ứng dụng robot song song vào máy công cụ. Vào năm 1994 tại triển lãm máy công cụ IMTS ở Chicago, máy phay đầu tiên được trình bày bởi công ty Giddings & Levis (nay là một phần của Thyssen Krupp)(hình 2. Máy phay này được phát triển dựa trên cấu trúc Stewart-Gough, cung cấp một nền tảng vững chắc và linh hoạt cho quá trình gia công.
Từ đó các phát triển về máy công cụ được nghiên cứu và phát triển đến nay [6].6: Máy phay đầu tiên bởi công ty Giddings & Levis năm 1994 Ngành công nghệ đóng gói thực phẩm có một bước tiến quan trọng khi sử dụng robot Delta, một robot tốc độ cao cho việc đóng gói thực phẩm.7 [17] trình bày các ví dụ về việc gắp và sắp xếp sản phẩm của robot Delta.7: Cánh tay robot Delta trong đóng gói sản phẩm - Các lĩnh vực khác: Tại Đại học kỹ thuật Sharif đã phát triển một loại robot song song để thay thế công nhân leo cột điện và thay bóng đèn. Robot này có ba chuỗi động học với khớp UPU và được mô phỏng và chế tạo trong phòng thí nghiệm. Robot Delta là một loại robot phổ biến với cơ cấu hình bình hành, được sử dụng nhiều trong công nghệ in 3D.4 Kết cấu của hệ robot song song Cấu trúc của robot song song đặc trưng với những chuỗi cơ học. Chuỗi cơ học ấy bao gồm: Phần cơ sở, là thành phần cố định và là điểm khởi đầu cho chuỗi động cơ.
Chuỗi động cơ, chuỗi động cơ có thể là các loại khớp như khớp xoay, tịnh tiến của vít me, pít tông,. Cơ cấu tác động cuối là cơ cấu cuối cùng của robot, cơ cấu tác động có thể là một bàn di động, tay gắp, hút khí nén,… Cấu trúc của robot song song giúp cho tay máy hoạt động chính xác, tác động nhanh. Thông thường, các tay máy của robot song song bào gồm các khâu, khớp và đầu công tác. Các thành phần này kết hợp với nhau hình thành một cấu trúc giống cánh tay, các cánh tay này có thể thực hiện các chuyển động cơ bản.
Các khâu, khớp và đầu công tác giữ vai trò quan trọng cho hoạt động của robot. - Khâu: Là thành phần có chiều dài xác định trong một cấu trúc cơ khí như đoạn thẳng, đoạn trục. Khâu là thành phần riêng biệt. Các đoạn nối trong cánh tay robot là ví dụ của 1 khâu.
- Khớp: Là thành phần liên kết giữa 2 khâu. Có nhiều loại khớp khác nhau, các loại khớp như quay, tịnh tiến, khớp cầu được sử dụng phổ biến, thể hiện ở bảng 2. Mỗi loại khớp có những cơ chế đặc biệt riêng, phạm vi hoạt động hay tính tinh hoạt của robot phụ thuộc vào từng loại khớp đó. 11 - Đầu công tác: Là tay kẹp, tay gắp khí nén để bắt lấy các đối tượng trong quá trình là việc, hay công cụ hàn để ứng dụng trong các công việc hàn trong công nghiệp.2 thể hiện các loại khớp thường dùng đi kèm hình ảnh và sơ đồ động học của từng loại khớp: Bảng 2.2: Các loại khớp thường dùng Khớp Hình ảnh Sơ đồ động học Quay Tịnh tiến Khớp cầu 2.2 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 2.1 Nghiên cứu quốc tế Trình bày ở mục 2.