Mô hình hóa robot song song loại HEXAPOD

KH Nguyễn Phùng Quang Trần T.T Hải ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---------------------------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ MÔ HÌNH HOÁ VÀ MÔ PHỎNG ROBOT SONG SONG LOẠI HEXAPOD Học viên: Trần Thị Thanh Hải Người HD khoa học: PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang THÁI NGUYÊN 2008 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ---------------------------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ MÔ HÌNH HOÁ VÀ MÔ PHỎNG ROBOT SONG SONG LOẠI HEXAPOD TRẦN THỊ THANH HẢI THÁI NGUYÊN 2008 T R Ầ N T H Ị T H A N H H Ả I T Ự Đ Ộ N G H O Á 2 0 0 5 – 2 0 0 8 THÁI NGUYÊN 2008 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỤC LỤC Trang Mục lục Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 1 Danh mục hình vẽ, đồ thị 2 Lời mở đầu 6 Chương 1- Nghiên cứu tổng quan về Robot 8 1.1 Giới thiệu chung về Robot 9 1.1.1 Khái niệm về Robot 9 1.1.2 Phân loại Robot 10 1.1.2.1 Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động 10 1.1.2.2 Phân loại theo thế hệ 12 1.1.2.3 Phân loại theo bộ điều khiển 15 1.1.2.4 Phân loại theo nguồn dẫn động 16 1.1.2.5 Phân loại theo kết cấu động học 17 1.2 Tổng quan về Robot song song loại Hexapod 20 1.2.1 Vài nét chung về Robot song song 20 1.2.2 Robot song song loại Hexapod 25 1.2.2.1 Cấu trúc hình học 26 1.2.2.2 Mô tả toán học của đối tượng Hexapod 26 Chương 2- Mô hình hoá Robot song song loại Hexapod bằng bộ công cụ SimMechanics 32 2.1 Giới thiệu chung về bộ công cụ SimMechanics 33 2.1.1 Simmechanics và ứng dụng của SimMechanics 33 2.1.2 Mô tả chuyển động với SimMechanics 34 2.1.2.1 Chuyển động và trạng thái chuyển động 34 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.1.2.2 Chuyển động của thân trong SimMechanics 34 2.1.2.3 SimMechanics thay thế sự định hướng của thân 36 2.1.2 Thư viện các khối chuẩn của SimMechanics 38 2.1.2.1 Thư viện các khối Bodies 39 2.1.2.2 Thư viện các khối hạn chế và truyền động 40 2.1.2.3 Thư viện các phần tử lực 41 2.1.2.4 Thư viện các khớp 41 2.1.2.5 Thư viện cơ cấu chấp hành và thiết bị đo 42 2.1.2.6 Các ứng dụng khác 43 2.2 Mô hình hoá Robot song song loại Hexapod 44 2.2.1 Xây dựng mô hình khối SimMechanics 44 2.2.2 Xây dựng cấu trúc từng chân 46 2.2.2.1 Cấu trúc chân thứ nhất 46 2.2.2.2 Cấu trúc chân hai, ba, bốn, năm, sáu 47 2.2.3 Định dạng các khối 50 2.2.3.1 Tính toán các thông số đặc trưng cần thiết của từng khối 50 2.2.3.2 Định dạng các khối trong sơ đồ SimMechanics 61 2.2.4 Hoàn chỉnh mô hình của Hexapod 65 Chương 3- Khảo sát hoạt động của Robot song song loại Hexapod 71 3.1 Khảo sát hoạt động của Hexapod ở chế độ động học ngược 72 3.1.1 Xây dựng mô hình 72 3.1.2 Lựa chọn chế độ và kết quả 76 3.2 Khảo sát hoạt động của Hexapod ở chế độ động học thuận 79 3.3 Các sơ đồ Simulink phục vụ mô phỏng toàn bộ hệ thống Hexapod 82 3.3.1 Cơ sở toán học 82 3.3.2 Xây dựng các hệ thống con 84 3.3.2.1 Khối Plant 84 3.3.2.2 Khối Leg Tranjectory 85 3.3.2.3 Bộ điều khiển PID 88 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3.3.2.4 Khối điểm đặt trước 89 Kết luận 91 Tài liệu tham khảo 92 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn đã hoàn thành trong thời gian, mặc dù trong quá trình làm luận văn gặp rất nhiều khó khăn trong việc tìm kiếm thông tin và tài liệu nghiên cứu nhưng được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang đề tài đã đạt được một số kết quả sau: - Nghiên cứu tổng quan về Robot nói chung và Robot song song nói riêng. Đưa ra được mô hình toán học của đối tượng Hexapod (bậc tự do cơ cấu, phương trình động học ngược và một số thông số kỹ thuật của Hexapod). - Tìm hiểu bộ công cụ SimMechanics trong Matlab / Simmulink với các ứng dụng của bộ công cụ này trong việc mô hình hoá các cơ cấu cơ khí. Trên cơ sở đó tiến hành mô hình hoá Robot song song loại Hexapod bằng SimMechanics. - Khảo sát hoạt động của Robot song song loại Hexapod ở 2 chế độ động học ngược và động học thuận. Xây dựng một số sơ đồ Simulink phục vụ mô phỏng toàn bộ hệ thống Hexapod khi muốn hệ thống được điều khiển theo một quỹ đạo định trước. Bên cạnh những kết quả đạt được, đề tài còn tồn tại một số hạn chế, tác giả mới chỉ đưa ra thuật toán điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển. Hướng phát triển của đề tài là sẽ nâng cấp thuật toán điều khiển để đạt độ chính xác cao hơn trong quá trình điều khiển. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu làm luận văn. Vì lý do thời gian, trình độ cũng như những hạn chế đã kể trên, luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến nhận xét, đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn. Xin chân thành cảm ơn! Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên KEYWORDS Hexapod Parallel Kinematic SimMechanics Spherical Prismatic. - 1 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TÊN ĐẦY ĐỦ BP Base Platform - Mặt nền cố định. CG Center of Gravity - Điểm trọng tâm CS Coordinate system - Hệ toạ độ F Force - Lực (N) LL Lower leg - Chân dưới LS Lower Spherical - Khớp cầu dưới M Motion - Chuyển động Pos Position - Vị trí TP Top Platform (mobile platform) - Mặt nền di động chứa điểm tác động cuối End Effector UL Upper leg - Chân trên US Upper Spherical - Khớp cầu trên Vel Velocity - Tốc độ - 2 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Nguyên lý làm việc, không gian làm việc và sơ đồ động học của Robot toạ độ vuông góc. 11 Hình 1.2 Nguyên lý làm việc, không gian làm việc và sơ đồ động học của Robot toạ độ trụ. 11 Hình 1.3 Nguyên lý làm việc, không gian làm việc và sơ đồ động học của Robot toạ độ cầu. 12 Hình 1.4 Nguyên lý làm việc, không gian làm việc và sơ đồ động học của Robot liên kết bản lề. 12 Hình 1.5 Một dạng Robot gắp đặt. 16 Hình 1.6 Một loại Robot sơn thực hiện đường dẫn liên tục. 16 Hình 1.7 Cấu trúc nối tiếp. 17 Hình 1.8 Cấu trúc song song. 18 Hình 1.9 Thiết bị mô phỏng chuyển động do James Swinnett đăng ký sáng chế năm 1931. 20 Hình 1.10 Robot sơn với kết cấu động học song song do V. Willard, V.Pollard đăng ký sáng chế năm 1942. 21 Hình 1.11 Mặt bàn công tác Gough nguyên bản. 21 Hình 1.12 Stewart Gough Platform. 22 Hình 1.13 Thiết bị mô phỏng bay đầu tiên được thương mại hoá do Klan Cappel phát triển vào giữa những năm 60. 23 Hình 1.14 Quan sát giao thoa nhờ Hexapod. 24 Hình 1.15 Nguyên lý Hexapod ứng dụng trong thiết bị mô phỏng bay. 24 Hình 1.16 Nguyên lý Hexapod ứng dụng trong y học. 25 Hình 1.17 Sơ đồ nguyên lý Hexapod mà đề tài lựa chọn. 25 Hình 1.18 Sơ đồ khối các khớp của Hexapod. 26 - 3 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 1.19 Mô hình khớp cầu và khớp trượt. 27 Hình 1.20 Mô hình Robot Hexapod trong không gian. 28 Hình 1.21 Phân tích hình học các chi tiết của Hexapod. 29 Hình 1.22 Sơ đồ nguyên lý chi tiết của Hexapod. 31 Hình 2.1 Hệ toạ độ toàn thể và hệ toạ độ tương đối Hình 2.2 Thư viện các khối chuẩn của SimMechanics. 34 Hình 2.3 Thư viện các khối Bodies. 35 Hình 2.4 Thư viện các khối hạn chế và truyền động. 36 Hình 2.5 Thư viện các phần tử lực. 36 Hình 2.6 Thư viện các khớp. 37 Hình 2.7 Thư viện cơ cấu chấp hành và thiết bị đo. 38 Hình 2.8 Thư viện các ứng dụng khác. 38 Hình 2.9 Nguyên lý Hexapod. 39 Hình 2.10 Mô hình Hexapod trong SimMechanics. 40 Hình 2.11 Nguyên lý cấu trúc chân Leg 1. 41 Hình 2.12 Sơ đồ cấu trúc chân thứ nhất. 42 Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc chân thứ hai. 43 Hình 2.14 Sơ đồ cấu trúc chân thứ ba. 43 Hình 2.15 Sơ đồ cấu trúc chân thứ tư. 43 Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc chân thứ năm. 44 Hình 2.17 Sơ đồ cấu trúc chân thứ sáu. 44 Hình 2.18 Mô hình Hexapod trong không gian. 45 Hình 2.19 Sơ đồ vị trí tâm các khớp cầu. 46 Hình 2.20 Sơ đồ cấu trúc chi tiết của một chân. 47 Hình 2.21 Bảng tham số khớp cầu trên. 56 Hình 2.22 Bảng tham số khớp cầu dưới. 57 Hình 2.23 Bảng tham số khớp trượt. 57 Hình 2.24 Bảng tham số khối Upper leg. 58 Hình 2.25 Bảng tham số khối Upper leg ở modul Orientation. 59 - 4 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2.26 Bảng tham số khối Lower leg. 59 Hình 2.27 Bảng tham số khối Ground. 60 Hình 2.28 Mô hình hoàn chỉnh của Leg 1 trong SimMechanics. 61 Hình 2.29 Bảng tham số khối Actuator. 62 Hình 2.30 Bảng tham số khối Joint Sensor. 63 Hình 2.31 Bảng tham số khối Body. 63 Hình 2.32 Bảng tham số khối Body Sensor. 64 Hình 2.33 Mô hình SimMechanics hoàn chỉnh của Hexapod. 65 Hình 3.1 Mô hình SimMechanics hoàn chỉnh của Hexapod. 67 Hình 3.2 Mô hình SimMechanics của Hexapod ở chế độ động học ngược. 68 Hình 3.3 Cấu trúc chân Hexapod ở chế độ động học ngược. 69 Hình 3.4 Bảng tham số khối Joint Sensor. 70 Hình 3.5 Bảng tham số khối Joint Actuator. 70 Hình 3.6 Bảng tham số khối Machine Environment. 71 Hình 3.7 Bảng tham số khối Machine Environment đối với modul Constraint. 72 Hình 3.8 Bảng tham số khối Motion. 72 Hình 3.9 Vị trí chuyển động của End Effector. 73 Hình 3.10 Mô hình SimMechanics của Hexapod ở chế độ động học thuận. 74 Hình 3.11 Đồ thị chuyển động của End Effector. 75 Hình 3.12 Đồ thị vị trí chuyển động của các khớp. 76 Hình 3.13 Đồ thị tốc độ chuyển động của các khớp. 76 Hình 3.14 Mô hình Simulink phục vụ điều khiển. 77 Hình 3.15 Mô hình Hexapod trong không gian. 78 Hình 3.16 Khối Plant. 79 Hình 3.17 Đầu vào và đầu ra khối Plant. 80 Hình 3.18 Sơ đồ khối Leg Trajectory. 80 - 5 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 3.19 Sơ đồ khối Compute vector of Leg lengths. 82 Hình 3.20 Sơ đồ khối Leg length 1. 83 Hình 3.21 Sơ đồ khối bộ điều khiển. 84 Hình 3.22 Sơ đồ khối điểm đặt trước. 84 Hình 3.23 Đồ thị chuyển động của điểm tác động cuối End Effector 85 - 6 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên MỞ ĐẦU Ý tưởng về những cơ cấu với các khâu động học song song đã xuất hiện và được thực hiện bởi Gough và Steward vào những năm 50 - 60 của thế kỷ XX. Những cơ cấu loại này được gọi là nền tảng Steward - Gough. Nền tảng Steward - Gough về cơ bản được sử dụng để mô phỏng. Sau đó, vào năm 1983 Hunt đã đưa ra hệ thống nghiên cứu về cấu trúc động học song song. Kể từ đó cấu trúc động học song song được nghiên cứu trên một phạm vi rất rộng lớn. Chúng có ưu điểm là độ cứng vững cao hơn, khả năng chịu tải lớn hơn và quán tính thấp hơn cơ cấu động học nối tiếp. Thông thường một cơ cấu động học song song gồm một mặt nền di động (moving / mobile platform) và một mặt nền cố định được nối với nhau bởi các chân. Về cơ bản số chân của Robot bằng số bậc tự do của cơ cấu. Mỗi khâu làm việc với một bộ điều khiển. Còn ở Việt Nam, trong những năm gần đây, ở các cơ sở gia công cơ khí tại các nhà máy, xí nghiệp, trung tâm sản xuất vẫn còn sử dụng nhiều máy công cụ truyền thống. Các máy này thường chỉ có 3 chuyển động phối hợp, vì vậy không thể gia công các sản phẩm có biên dạng phức tạp thay đổi trong không gian 3 chiều như khuôn mẫu có dạng trụ tròn, biên dạng cam để điều khiển, khuôn mẫu đột, dập, khuôn ép nhựa dùng cho sản xuất các vật dụng hàng ngày … Để giải quyết tình trạng này, các nhà máy phải lựa chọn 1 trong 2 phương án: mua máy CNC hiện đại để thay thế, tuy hơi đắt tiền. Phương án thứ hai là cải tạo các máy công cụ truyền thống. Từ đây, phương pháp ứng dụng Robot song song loại Hexapod được đưa ra để nghiên cứu, chế tạo. Đáp ứng nhu cầu của thực tế này, nhiệm vụ đề ra trong đề tài luận văn mang tên “Mô hình hoá và mô phỏng Robot song song loại Hexapod” của em là đi sâu - 7 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên chi tiết, nghiên cứu và phân tích cơ cấu động học song song với 6 bậc tự do. Trên cơ sở đó xây dựng mô hình Simmechanics và khảo sát hoạt động của Robot. Bước đầu đi vào xây dựng sơ đồ Simulink phục vụ điều khiển hoạt động của Robot theo một quỹ đạo cho trước. Được sự hướng dẫn của PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang, em đã tiến hành nghiên cứu và viết bản thuyết minh luận văn với 3 chương: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về Robot. Chương 2: Mô hình hoá Robot song song loại Hexapod bằng bộ công cụ SimMechanics. Chương 3: Khảo sát hoạt động của Robot song song loại Hexapod. Hoàn thành bản luận văn này em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, chỉ bảo của thầy giáo PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang. Mặc dù đã rất cố gắng song bản luận văn của em chắc chắn không tránh khỏi sai sót. Kính mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo và góp ý của các bạn. Thái Nguyên ngày 01 tháng 06 năm 2008 Học viên Trần Thị Thanh Hải - 8 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƢƠNG I NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ ROBOT - 9 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT 1.1.1 KHÁI NIỆM VỀ ROBOT Các nhà khoa học đã đưa ra nhiều cách định nghĩa khác nhau về Robot như: “Robot là một tay máy nhiều chức năng, thay đổi được chương trình hoạt động, được dùng để di chuyển vật liệu, chi tiết máy, dụng cụ hoặc dùng cho những công việc đặc biệt thông qua những chuyển động khác nhau đã được lập trình nhằm mục đích hoàn thành những nhiệm vụ đa dạng” (Schlussel, 1985) hay “Robot công nghiệp là những máy, thiết bị tổng hợp hoạt động theo chương trình có những đặc điểm nhất định tương tự như ở con người”; rộng hơn nữa M.P.Groover đưa ra định nghĩa về robot không dừng lại ở tay máy mà mở rộng cho nhiều đối tượng khác có những đặc tính tương tự con người như suy nghĩ, có khả năng đưa ra quy định và có thể nhìn thấy hoặc cảm nhận được đặc điểm của vật hay đối tượng mà nó phải thao tác hoặc xử lý, đó là “Robot công nghiệp là những máy hoạt động tự động được điều khiển theo chương trình để thực hiện việc thay đổi vị trí của những đối tượng thao tác khác nhau với mục đích tự động hoá các quá trình sản xuất”. Sự thống nhất trong tất cả các định nghĩa nêu trên ở đặc điểm “điều khiển theo chương trình”. Đặc điểm này của robot được thực hiện nhờ sự ra đời của những bộ vi xử lý (microprocessors) và các vi mạch tích hợp chuyên dùng được là “chip” trong những năm 70. Không lâu sau khi xuất hiện robot được điều khiển theo chương trình, người ta đã thực hiện được những robot tự hành. Hơn nữa, với những bước phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử và tin học, hiện nay người ta đã sáng tạo nhiều robot cảm xúc và có khả năng xử lý thông tin. Do đó định nghĩa robot cũng có những thay đổi bổ sung. Những robot hay tay máy dùng các cơ cấu cam trong hệ thống điều khiển có được thừa nhận hay không là không quan trọng; điều quan trọng là chúng đã đóng vai trò đáng kể trong việc tự động hoá sản xuất ở các nhà máy. Những robot, tay máy nói trên còn được gọi một cách hình tượng là “tự động hoá cứng”, ngược lại - 10 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên với “tự động hoá linh hoạt”, mà đại diện của chúng là những robot được điều khiển bằng chương trình, thay đổi được nhiệm vụ thao tác đặt ra một cách nhanh chóng. Các Robot đóng góp vào sự phát triển công nghiệp dưới nhiều dạng khác nhau: tiết kiệm sức người, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng sản phẩm và an toàn lao động và giải phóng con người khỏi những công việc cực nhọc và tẻ nhạt. Tất nhiên, trong tương lai còn nhiều vấn đề nảy sinh khi Robot ngày càng thay thế các hoạt động của con người, nhưng trong việc đem lại lợi ích cho con người, khám phá vũ trụ, và khai thác các nguồn lợi đại dương, Robot đã thực sự làm cho cuộc sống của chúng ta tốt đẹp hơn. 1.1.2. PHÂN LOẠI ROBOT Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản nhất của robot để giúp cho việc nhận xét được dễ dàng. Robot thường được phân loại theo các yếu tố như: theo dạng hình học của không gian hoạt động, theo thế hệ robot, theo bộ điều khiển, theo nguồn dẫn động hoặc theo kết cấu. 1.1.2.1. Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động Để dịch chuyển khâu tác động cuối cùng của robot đến vị trí của đối tượng thao tác được cho trước trong không gian làm việc cần phải có ba bậc chuyển động chuyển dời hay chuyển động định vị (thường dùng khớp tịnh tiến và khớp quay loại 5). Những robot công nghiệp thực tế thường không sử dụng quá bốn bậc chuyển động chuyển dời (không kể chuyển động kẹp của tay gắp) và thông thường với ba bậc chuyển động định vị là đủ, rất ít khi sử dụng đến bón bậc chuyển động định vị. Robot được phân loại theo sự phối hợp giữa ba trục chuyển động cơ bản rồi sau đó được bổ sung để mở rộng thêm bậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt. Vùng giới hạn tầm hoạt động của robot được gọi là không gian làm việc. * Robot toạ độ vuông góc (cartesian robot): Robot loại này có ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vuông góc - 11 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên * Robot toạ độ trụ (cylindrical robot): Ba bậc chuyển động cơ bản gồm hai trục chuyển động tịnh tiến và một trục quay (hình 1.2) * Robot toạ độ cầu (spherical robot): Ba bậc chuyển động cơ bản gồm một trục tịnh tiến và hai trục quay (hình 1.3) Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động, không gian làm việc và sơ đồ động học của robot toạ độ vuông góc. Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động, không gian làm việc và sơ đồ động học của robot toạ độ trụ. - 12 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên * Robot khớp bản lề (articular robot): Ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba trục quay, bao gồm cả kiểu robot SCARA (hình 1.4). 1.1.2.2 Phân loại theo thế hệ Theo quá trình phát triển của robot, ta có thể chia ra theo các mức độ sau đây: * Robot thế hệ thứ nhất Bao gồm các dạng robot hoạt động lặp lại theo một chu trình không thay đổi (playback robots), theo chương trình định trước. Chương trình ở đây cũng có hai dạng; chương trình “cứng” không thay đổi được như điều khiển bằng hệ thống cam Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động, không gian làm việc và sơ đồ động học của robot toạ độ cầu. Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động, không gian làm việc và sơ đồ động học của robot liên kết bản lề. - 13 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên và điều khiển với chương trình có thể thay đổi theo yêu cầu công nghệ của môi trường sử dụng nhờ các panel điều khiển hoặc máy tính. Đặc điểm: Sử dụng tổ hợp các cơ cấu cam với công tác giới hạn hành trình. Điều khiển vòng hở. Có thể sử dụng băng từ hoặc băng đục lỗ để đưa chương trình vào bộ điều khiển, tuy nhiên loại này không thay đổi chương trình được. Sử dụng phổ biến trong công việc gắp - đặt (pick and place). * Robot thế hệ thứ hai Trong trường hợp này robot được trang bị các bộ cảm biến (sensors) cho phép cung cấ tín hiệu phản hồi hỗ trở lại hệ thống điều khiển về trạng thái, vỉtí không gian của robot cũng như những thông tin về môi trường bên ngoài như trạng thái, vị trí của đối tượng thao tác, của các máy công nghệ mà robot phối hợp, nhiệ t độ của môi trường, v.v... giúp cho bộ điều khiển có thể lựa chọn những thuật toán thích hợp để điều khiển có thể lựa chọn những thuật toán thích hợp để điều khiển robot thực hiện những thao tác xử lý phù hợp. Nói cách khác, đây cũng là robot với điều khiển theo chương trình nhưng có thể tự điều chỉnh hoạt động thích ứng với những thay đổi của môi trường thao tác. Dạng robot với trình độ điều khiển này còn được gọi là robot được điều khiển thích nghi cấp thấp. Robot thế hệ này bao gồm các robot sử dụng cảm biến trong điều khiển (sensor - controlled robots) cho phép tạo được những vòng điều khiển kín kiểu servo. Đặc điểm: Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy. Có thể tự ra quyết định lựa chọn chương trình đáp ứng dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến nhờ các chương trình đã được cài đặt từ trước. Hoạt động của robot có thể lập trình được nhờ các công cụ như bàn phím, pa-nen điều khiển. * Robot thế hệ thứ ba - 14 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Đây là dạng phát triển cao nhất của robot tự cảm nhận. Các robot ở đây được trang bị những thuật toán xử lý các phản xạ logic thích nghi theo những thông tin và tác động của môi trường lên chúng; nhờ đó robot tự biết phải làm gì để hoàn thành được công việc đã được đặt ra cho chúng. Hiện nay cũng đã có nhiều công bố về những thành tựu trong lĩnh vực điều khiển này trong các phòng thí nghiệm và được đưa ra thị trường dưới dạng những robot giải trí có hình dạng của các động vật máy. Robot thế hệ này bao gồm các robot được trang bị hệ thống thu nhận hình ảnh trong điều khiển (Vision - controlled robots) cho phép nhìn thấy và nhận dạng các đối tượng thao tác. Đặc điểm: Có những đặc điểm như loại trên và điều khiển hoạt động trên cơ sở xử lý thông tin thu nhận được từ hệ thống thu nhận hình ảnh (Vision systems - Camera). Có khả năng nhận dạng ở mức độ thấp như phân biệt các đối tượng có hình dạng và kích thước khá khác biệt nhau. * Robot thế hệ thứ tư Bao gồm các robot sử dụng các thuật toán và cơ chế điều khiển thích nghi (adaptively controlled robot) được trang bị bước đầu khả năng lựa chọn các đáp ứng tuân theo một mô hình tính toán xác định trước nhằm tạo ra những ứng xử phù hợp với điều kiện của môi trường thao tác. Đặc điểm: Có những đặc điểm tương tự như thế hệ thứ hai và thứ ba, có khả năng tự động lựa chọn chương trình hoạt động và lập trình lại cho các hoạt động dựa trên các tín hiệu thu nhận được từ cảm biến. Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tương đối lớn để giải các bài toán tối ưu với điều kiện biên không được xác định trước. Kết quả của bài toán sẽ là một tập hợp các tín hiệu điều khiển các đáp ứng của robot. * Robot thế hệ thứ năm Là tập hợp những robot được trang bị trí tuệ nhân tạo (artificially intelligent robot). - 15 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Đặc điểm: Robot được trang bị các kỹ thuật của trí tuệ nhân tạo như nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tượng qua tiếp xúc, v.v... để ra quyết định và giải quyết các vấn đề hoặc nhiệm vụ đặt ra cho nó. Robot được trang bị mạng Neuron có khả năng tự học. Robot được trang bị các thuật toán dạng Neuron Fuzzy/Fuzzy Logic để tự suy nghĩ và ra quyết định cho các ứng xử tương thích với những tín hiệu nhận được từ môi trường theo những thuật toán tối ưu một hay nhiều mục tiêu đồng thời. Hiện nay trong lĩnh vựcgiải trí, nhiều dạng robot thế hệ này đang được phát triển như robot Aibo - chú chó robot của hãng Sony hay robot đi trên hai chân và khiêu vũ được của hãng Honda. Nhật Bản là đất nước có số lượng robot sử dụng trong công nghiệp nhiều nhất thế giới. Người Nhật có quan niệm khá khác biệt về robot so với các nước công nghiệp phát triển. Theo Hiệp hội robot Nhật - JIRA (Japanese Robot Associasion), robot được chia thành sáu loại, theo mức độ thông minh như sau: 1- Robot hoạt động nhờ người điều khiển trực tiếp từng động tác, bằng pendant hay pa-nen điều khiển. 2- Robot hoạt động theo chu trình cố định (fixed sequence robots). 3- Robot hoạt động theo chu trình thay đổi được (variable sequence robots): người điều khiển có thể dễ dàng chỉnh sửa trình tự hoạt động. 4- Robot hoạt động theo chương trình vả lặp lại chương trình (playback robots): người điều khiển có thể lập trình cho robot trong chế độ huấn luyện (teaching mode). 5- Robot điều khiển theo chương trình số (numerically controlled robots). 6- Robot thông minh intelligent robots): robot có thể hiểu, nhận biết và tương tác với môi trường xung quanh. 1.1.2.3. Phân loại theo bộ điều khiển * Robot gắp - đặt - 16 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Robot này thường nhỏ và sử dụng nguồn dẫn động khí nén. Bộ điều khiển phổ biến là bộ điều khiển lập trình (PLC) để thực hiện điều khiển vòng hở. Robot hoạt động căn cứ vào các tín hiệu phản hồi từ các tiếp điểm giới hạn hành trình cơ khí đặt trên các trục của tay máy. * Robot đường dẫn liên tục Robot loại này sử dụng bộ điều khiển servo thực hiện điều khiển vòng kín. Hệ thống điều khiển liên tục là hệ thống trong đó robot được lập trình theo một đường chính xác. Trong hệ thống điều khiển này, đường dẫn được biểu điễn bằng một loạt các điểm rời rạc gần nhau và được lưu vào bộ nhớ robot, sau đó robot sẽ thực hiện lại chính xác đường dẫn đó. 1.1.2.4 Phân loại robot theo nguồn dẫn động * Robot dùng nguồn cấp điện Nguồn điện cấp cho robot thường là DC để điều khiển động cơ DC. Hệ thống dùng nguồn AC cũng được chuyển đổi sang DC. Các động cơ sử dụng thường là động cơ bước, động cơ DC servo, động cơ AC servo. Robot loại này có thiết kế gọ n, chạy êm, định vị rất chính xác. Các ứng dụng phổ biến là robot sơn, hàn. * Robot dùng nguồn khí nén Hệ thống cán được trang bị máy nén, bình chứa khí và động cơ kéo máy nén. Robot loại này thường được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng nhỏ có tay máy là các xy-lanh khí nén thực hiện chuyển động thẳng và chuyển động quay. Do khí Hình 1.5 Một dạng robot gắp đặt Hình 1.6 Một loại robot sơn thực hiện đường dẫn liên tục - 17 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên nén là lưu chất nén được nén robot loại này thường sử dụng trong các thao tác gắp đặt không cần độ chính xác cao. * Dùng nguồn thuỷ lực Nguồn thuỷ lực sử dụng lưu chất không nén được là dầu ép. Hệ thống cần trang bị bơm để tạo áp lực dầu. Tay máy là các xy - lanh thuỷ lực chuyển động thẳng và quay động cơ dầu. robot loại này được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng lớn. 1.1.2.5. Phân loại theo kết cấu động học * Robot nối tiếp Trong một cấu trúc động học nối tiếp thông thường thì tất cả các trục chuyển động được bố trí nối tiếp với nhau. Mỗi khâu động là một vật rắn chỉ được liên kết hay nối động với một khâu khác nhờ các khớp động. Các loại khớp thường được sử dụng là những khớp chỉ cho phép thực hiện một chuyển động tương đối giữa hai khối liên kết. Ví dụ, trục xoay đầu tiên đỡ trục xoay thứ hai, trục xoay thứ hai lại đỡ trục chuyển động thẳng. Mỗi trục tiếp theo sẽ làm cho kết cấu có thêm một bậc tự do. Vì vậy thông thường cơ cấu có bao nhiêu khâu động thì sẽ có bấy nhiêu bậc tự do. Đây là một chuỗi động học hở với một khâu cố định gọi là đế và các khâu động.. Mỗi động cơ sẽ phải tải khối lượng của các bộ phận và động cơ ở phía sau. Hình 1.7 Cấu trúc nối tiếp - 18 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bởi vậy với yêu cầu ngày càng cao đối với tính chất động lực của máy sẽ sinh ra một số hạn chế: nếu sử dụng động cơ với công suất lớn hơn và để kết hợp tăng thêm sức bền thì khối lượng cần điều khiển chuyển động sẽ tăng lên. Điều này dẫn đến phải tăng công suất động cơ, mà tăng công suất động cơ lại gắn liền với việc tăng khối lượng, cứ tiếp tục như vậy. * Robot song song Robot loại này có thể xem như một chuỗi động học kín, ở đó mỗi khâu luôn luôn được liên kết với ít nhất hai khâu khác. Thực ra cơ cấu động học song song không có những cấu kiện song song với nhau theo ý nghĩa hình học. Mà trong cấu trúc động học song song tất cả các trục chuyển động sẽ tác động trực tiếp hoặc gián tiếp lên bàn công tác cần chuyển động. Để thực hiện một chuyển động theo ý muốn thì tất cả các động cơ đều phải hoạt động. Như vậy sẽ xuất hiện chuỗi động học được gọi là động học kín- mà ở đó độ cứng của từng chuỗi riêng lẻ có tác dụng song song. Trong loại kết cấu song song thuần tuý thì mỗi chuỗi chỉ nhận được đúng một động lực, cho nên số lượng của chuỗi khớp nối đúng bằng bậc tự do của cấu trúc. Người ta gọi những cấu trúc mà trong một chuỗi khớp nối có nhiều động cơ là cơ cấu động học song song kết hợp (hybrid). So với cơ cấu động học nối tiếp thì cơ cấu động học song song có một loạt ưu điểm. Nổi bật là khối lượng cần chuyển động nhỏ cũng như những tính chất động học ưu việt. Nếu chọn khớp nối thích hợp thì các chi tiết máy chủ yếu chỉ phải chịu tải nén hoặc tải kéo. Đặc biệt cần nhấn mạnh là nếu so sánh với Robot công nghiệp thì chúng có độ chính xác lập lại cao hơn. Hình 1.8 Cấu trúc song song - 19 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Tất nhiên ở đây cũng có nhược điểm, ví dụ trường công tác tương đối nhỏ so với không gian cấu tạo, góc quay bị hạn chế một phần và bộ điều khiển tốn kém do phải chuyển đổi toạ độ. Một nhược điểm nữa so với máy công cụ chính xác là độ chính xác định vị tuyệt đối còn quá thấp. Trong việc phát triển và tối ưu hoá các chi tiết máy thích hợp như khớp Kardan, khớp cầu vẫn còn nhu cầu phải hành động. Các thiết bị gia công hiện đại ngày càng phát triển trở thành hệ cơ điện tử, gắn kết cơ học và điện tử với nhau và được làm cho “thông minh”. Do đó kết cấu theo modul với nhiều đầu đo (sensor) và bộ phận hành động (actor) nên cơ cấu động học song song tạo ra cơ sở gần như lý tưởng cho những thiết bị sản xuất cơ điện tử. Tuỳ thuộc vào kết quả khắc phục những nhược điểm còn tồn tại mà cơ cấu động học song song sẽ có cơ hội trở thành phương tiện sản xuất hiệu quả và không thể không nghĩ tới trong kỹ thuật công nghệ. - 20 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1.2 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG LOẠI HEXAPOD 1.2.1 VÀI NÉT CHUNG VỀ ROBOT SONG SONG Trong khi những công trình lý thuyết về cơ cấu động học song song đã có từ hàng trăm năm nay thì những ứng dụng thực tế mới chỉ biết đến trong thế kỷ XX. Cũng không rõ rằn._.