Báo cáo Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các robot thông minh phục vụ cho các ứng dụng quan trọng

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

CHƯƠNG TRÌNH KC.03

YZ YZ YZ YZ YZ YZY YZ YZ YZY YZ YZ YZY

“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC ROBOT THÔNG

MINH PHỤC VỤ CHO CÁC ỨNG DỤNG QUAN TRỌNG”

MÃ SỐ: KC.03.08

BÁO CÁO CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

THEO NHIỆM VỤ 1 - ĐỀ TÀI KC.03.08

NHÓM SẢN PHẨM ROBOT RP

6246-1

25/12/2006

HÀ NỘI - 2006

môc lôc

4

Më ®Çu

10

PhÇn 1. Robocar RP

10

13

18

27

31

39

43

46

47

51

56

68

72

80

I. Giíi thiÖu chung

II. C¬ cÊu chÊp hµnh linh ho¹t

2.1. Ph©n tÝch vµ chän lùa c¬ cÊu tay m¸y pháng sinh

2.2. X©y dùng c¸c hÖ h×nh ®éng häc vµ ®éng lùc

III. Hå s¬ thiÕt kÕ c¶i tiÕn Robot RP

3.1. ThiÕt kÕ tæng thÓ

3.2. Côm chi tiÕt chñ yÕu

IV. §éng häc xe Robocar

4.1. §éng häc xe 3 b¸nh

4.2. §éng häc xe 4 b¸nh

V. M«®un xe di chuyÓn

5.1. Nh÷ng vÊn ®Ò chung

5.2. M«®un xe di chuyÓn cho RP-01

5.3. M«®un xe di chuyÓn cho RP-02

VI. HÖ thèng thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn

6.1. Giíi thiÖu chung

6.2. HÖ ®iÒu khiÓn Robot RP

6.3. §iÒu khiÓn Robocar RP-01 b»ng PLC

6.4. HÖ ®iÒu khiÓn Robocar RP-02

PhÇn 2. c¸c s¶n phÈm Robocar øng dông

I. Giíi thiÖu chung

80

81

II. Robocar TN trong phßng thÝ nghiÖm

2.1. Giíi thiÖu chung

2

2.2. ThiÕt kÕ, chÕ t¹o TN

81

90

2.3.C¸c sensors ®−îc sö dông

2.4. Nh÷ng nhËn xÐt qua thö nghiÖm

III. Robocar “Ch÷ thËp ®á”

95

97

3.1. Giíi thiÖu chung

97

3.2. KÕt cÊu c¸c bé phËn chÊp hµnh

3.2.1. KÕt cÊu xe di chuyÓn

97

3.2.2. C¬ cÊu robot

100

102

103

104

106

107

108

111

112

113

114

115

116

126

133

135

3.2.3. HÖ thèng b¬m phun

3.3. X©y dùng m« h×nh ®éng häc Robocar – Camera

3.3.1. Chän c¸c hÖ täa ®é

3.3.2. M« t¶ ®èi t−îng quan s¸t trong hÖ täa ®é

3.3.3. X¸c ®Þnh vÞ trÝ ®iÓm quan s¸t trªn mµn h×nh camera

3.3.4. Khèng chÕ vïng hiÓn thÞ trªn mµn h×nh

3.4. VÊn ®Ò xö lý h×nh ¶nh vµ c¸c ph−¬ng ph¸p dÉn ®−êng cho robot

3.4.1. VÊn ®Ò xö lý ¶nh

3.4.2. C¸c ph−¬ng ph¸p dÉn ®−êng cho robot

3.5. ThiÕt lËp hÖ thèng ®iÒu khiÓn t×m kiÕm ®èi t−îng theo mµu s¾c

3.5.1. M« t¶ ho¹t ®éng cña hÖ thèng

3.5.2. Ch−¬ng tr×nh dÉn ®−êng tù ®éng

3.5.3. C¸c b−íc cña ch−¬ng tr×nh xö lý ¶nh

3.6. C¸c øng dông thö nghiÖm b−íc ®Çu

IV. Xe l¨n vµ xe ghÕ tù ®éng

V. KÕt luËn

Tµi liÖu tham kh¶o

3

B¸o c¸o c¸c kÕt qu¶ Nghiªn cøu theo nhiÖm vô 1

Cña ®Ò tµi kc.03.08

Më ®Çu

NhiÖm vô 1 cña §Ò tµi KC.03.08 ®−îc ®¨ng ký lµ nghiªn cøu t¹o ra

nhãm s¶n phÈm Robot RP ®−îc n©ng cÊp vµ th«ng minh hãa. Phiªn b¶n ®Çu

tiªn cña Robot RP còng do Trung t©m NCKT Tù ®éng hãa, §HBK - HN. §©y

lµ lo¹i robot pháng sinh (b¾t ch−íc c¬ cÊu tay ng−êi). Sù kh¸c biÖt cña robot

nµy víi c¸c kiÓu robot pháng sinh kh¸c lµ ë ®©y dïng c¬ cÊu pantograph víi 2

con tr−ît dÉn ®éng lµm m«®un chñ yÕu cña c¬ cÊu robot. Còng v× thÕ robot

nµy ®−îc ký hiÖu v¾n t¾t lµ RP. NÕu so s¸nh víi c¸c lo¹i c¬ cÊu dïng lµm

robot pháng sinh kh¸c th× c¬ cÊu robot RP cã nhiÒu −u ®iÓm nh− nhá gän vÒ

kÝch th−íc, linh ho¹t vµ cÊu tróc, dÔ gi÷ c©n b»ng ë c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau mµ

kh«ng cÇn ®Õn ®èi träng. Tuy nhiªn ®Ó hÖ thèng chÊp hµnh cã thÓ ®¸p øng linh

ho¹t c¸c yªu cÇu vÒ th«ng minh hãa, cÇn ph¶i nghiªn cøu c¶i tiÕn n©ng cÊp hÖ

thèng chÊp hµnh nµy. Víi ®Þnh h−íng ®ã cÇn t¹o thªm khả n¨ng di ®éng cho

robot RP vµ thÝch hîp nhÊt lµ di ®éng b»ng xe.

Robocar RP lµ ph−¬ng ¸n c¶i tiÕn ®Ó robot RP di ®éng b»ng xe. HÖ

thèng gåm c¬ cÊu robot RP vµ c¬ cÊu xe di chuyÓn ®−îc ®iÒu khiÓn thèng

nhÊt. Trong hÖ thèng ®ã ®−îc trang bÞ thªm c¸c bé phËn c¶m biÕn, thiÕt bÞ xö

lý vµ ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm ®iÒu khiÓn. Víi c¸c néi dung chñ yÕu ®ã §Ò tµi

®· hßan thµnh nghiªn cøu thiÕt kÕ, chÕ t¹o vµ vËn hµnh ®iÒu khiÓn Robocar

RP, ®Þnh h−íng øng dông trong ph©n x−ëng c«ng nghiÖp.

Ch−¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn Robocar RP phiªn b¶n 01 (H×nh 1) viÕt cho

PLC - S7200 ®Ó lµm phô viÖc trong ph©n x−ëng chÕ t¹o c¬ khÝ còng t−¬ng ®èi

®¬n gi¶n vµ chØ lÆp l¹i mét vµi thao t¸c ®Þnh tr−íc. Thùc ra, nÕu chØ ®Æt ra

ph¹m vi phôc vô cho Robocar lµ phô viÖc trong ph©n x−ëng c«ng nghiÖp th«ng

th−êng th× trong thùc tÕ hÇu nh− kh«ng cã nhu cÇu ph¶i “th«ng minh hãa”.

4

V× thÕ §Ò tµi ph¶i b¾t ®Çu nghiªn cøu giai ®o¹n 2 t¹o ra Robocar

RP

- 02 (h×nh 2) víi nhiÒu c¶i tiÕn vÒ m«®un di chuyÓn vµ sö dông bé vi ®iÒu

khiÓn onchip 89C52. §ång thêi më réng ®Þnh h−íng øng dông.

H×nh 1. Robocar RP phiªn b¶n 01

H×nh 2. Robocar RP phiªn b¶n 02

Xu thÕ chuyÓn tõ “Robocar c«ng nghiÖp” sang “Robocar dÞch vô” còng

lµ theo xu thÕ chung hiÖn nay trªn thÕ giíi: tû lÖ ®Çu t− cho “Robot c«ng

nghiÖp” (Industrial Robots) gi¶m ®i nhiÒu so víi “Robot dÞch vô” (Service

5

Robots). Theo sè liÖu cña HiÖp héi quèc tÕ vÒ robot th× n¨m 2000 ®Çu t− cho

robot c«ng nghiÖp gi¶m ®i 32% tÝnh chung cho c¸c n−íc, cßn riªng NhËt B¶n

gi¶m tíi 60%. Trong lóc c¸c lo¹i robot dÞch vô l¹i ph¸t triÓn. Cuèi n¨m 2001

cã kho¶ng 13.000 robot dÞch vô. Tõ n¨m 2002 ®Õn 2005 cã thªm gÇn 30.000

robot dÞch vô. Sè l−îng robot gia dông vµ robot ®å ch¬i t¨ng gÊp ®«i trong

vßng 4 n¨m.

Xu thÕ chuyÓn dÞch ®ã cã thÓ gi¶i thÝch nh− sau:

Mét lµ, robot ®−îc dïng trong c«ng nghiÖp th−êng lµ ®Ó thay thÕ nh÷ng

c«ng viÖc ®¬n gi¶n, ®¬n ®iÖu vµ chñ yÕu lµ chuyªn dông. Bëi thÕ viÖc ®Çu t−

cho c«ng nghiÖp nh÷ng lo¹i robot phøc t¹p, ®a n¨ng vµ th«ng minh lµ kh«ng

ph¶i lóc nµo còng cÇn thiÕt. Tr¸i l¹i robot dÞch vô vµ gi¶i trÝ l¹i rÊt ®a d¹ng,

tinh tÕ vµ ®ßi hái møc th«ng minh cao h¬n.

Hai lµ, chØ ®Õn nh÷ng n¨m gÇn ®©y khi mµ c¸c thµnh tùu cña c¸c ngµnh

c«ng nghÖ liªn quan ®ñ ®Ó hiÖn thùc hãa, ý t−ëng cña nh÷ng nhµ thiÕt kÕ, lu«n

lu«n b¸m s¸t c¸c nhu cÇu thùc tÕ cña cuéc sèng ph¸t triÓn ®a d¹ng ®Ó t¹o ra

c¸c kiÓu robot dÞch vô vµ gi¶i trÝ rÊt linh ho¹t vµ th«ng minh.

C¸c ngµnh c«ng nghÖ liªn quan nãi trªn bao gåm c«ng nghÖ th«ng tin,

c«ng nghÖ kh«ng d©y (wireless), c«ng nghÖ sensor trªn c¬ së MEMS vµ

NEMS, c«ng nghÖ VSS vµ thÞ gi¸c m¸y (computer vision), c«ng nghÖ xö lý

tiÕng nãi v.v.

§Ò tµi KC.03.08 ®Þnh h−íng nghiªn cøu tiÕp cËn nh÷ng vÊn ®Ò vÒ robot

th«ng minh, ph¶i cËp nhËt ®−îc nh÷ng th«ng tin vÒ xu thÕ nãi trªn vµ v× thÕ ®·

më réng ®−îc ph¹m vi øng dông kÕt qu¶ nghiªn cøu vÒ robocar. Qua nh÷ng

lÇn §Ò tµi ®i “tiÕp thÞ” nhËn thÊy trong nhiÒu ngµnh c«ng nghiÖp ViÖt Nam

®ang cßn cã nhiÒu thãi quen tr× trÖ bao cÊp ch−a s½n sµng tiÕp thu nh÷ng vÊn

®Ò khoa häc kü thuËt míi. Trong lóc “robocar” dÞch vô vµ gi¶i trÝ” cã thÓ më

réng ph¹m vi øng dông trong nhiÒu lÜnh vùc kh¸c nhau vµ ®ßi hái vÒ møc ®é

“th«ng minh hãa” cao h¬n.

6

Víi c¸ch tiÕp cËn theo xu thÕ hiÖn nay trªn thÕ giíi, §Ò tµi ®· ph¸t triÓn

víi c¸c nhãm s¶n phÈm sau ®©y:

1. Robocar phôc vô phßng chèng dÞch bÖnh

2. Robocar phôc vô ng−êi tµng tËt, èm ®au.

Ngoµi ra cßn b−íc ®Çu nghiªn cøu vÒ Robocar ®Þa h×nh, Robocar c¶nh

vÖ, Robocar h−íng dÉn viªn v.v. Trªn c¸c h×nh 3 ÷ 5 lµ ¶nh chôp c¸c phiªn b¶n

®Çu tiªn vÒ c¸c Robocar nµy do Trung t©m NCKT Tù ®éng hãa, §HBK HN

nghiªn cøu thiÕt kÕ, chÕ t¹o.

C¸c néi dung ph¸t triÓn nãi trªn lµ phÇn nghiªn cøu thiÕt kÕ chÕ t¹o c¸c

s¶n phÈm øng dông cña §Ò tµi. Mét vµi s¶n phÈm nãi trªn ®· ®−îc øng dông

thö nghiÖm, cßn sè kh¸c còng ®−îc nhiÒu c¬ së quan t©m ®Õn, nh−ng ®Ó thµnh

s¶n phÈm th−¬ng m¹i th× cßn cÇn cã nhiÒu ®Çu t− thÝch ®¸ng. Tuy nhiªn nÕu cã

®−îc nh÷ng phiªn b¶n ®Çu tiªn ë PTN th× míi thu hót ®−îc sù quan t©m cña c¬

së øng dông. §ã chÝnh lµ môc tiªu §Ò tµi ®Æt ra.

7

H×nh 3. Phiªn b¶n chÕ thö Robocar ®Þa h×nh ®ang leo thang

H×nh 4. Phiªn b¶n chÕ thö Robocar c¶nh vÖ víi sensor hång ngo¹i “nh×n” ®−îc

trong ®ªm

8

H×nh 5. Phiªn b¶n chÕ thö Robocar H−íng dÉn viªn ®iÒu khiÓn tõ xa

qua “thÞ gi¸c m¸y”

Víi c¸ch tiÕp cËn ®ã §Ò tµi ®· nhËn ®−îc c¸c kÕt qu¶ rÊt c¬ b¶n vµ më

ra nhiÒu kh¶ n¨ng øng dông. C¸c kÕt qu¶ c¬ b¶n lµ nghiªn cøu chuÈn hãa

®−îc c¸c m«®un hîp thµnh robocar th«ng minh. §ã lµ m«®un di chuyÓn,

m«®un robot trªn xe vµ m«®un ®iÒu khiÓn xö lý t×nh huèng. Víi c¸c m«®un

nµy khi ghÐp nèi l¹i ®Ó ®¸p øng mét yªu cÇu cô thÓ lµ hßan toµn hiÖn thùc. §ã

lµ c¸ch triÓn khai øng dông cña §Ò tµi vµ viÖc biÕn nh÷ng kÕt qu¶ nghiªn cøu

nay thµnh nh÷ng s¶n phÈm øng dông theo c¸c nhu cÇu kh¸c nhau cña c¬ së lµ

hoµn toµn kh¶ thi.

Trong b¸o c¸o nµy tr×nh bµy nh÷ng kÕt qu¶ nghiªn cøu vÒ c¸c m«®un

nãi trªn qua mét sè s¶n phÈm ®· t−¬ng ®èi hoµn chØnh. Cô thÓ lµ Robocar RP-

01, Robocar RP-02, Robocar “Ch÷ thËp ®á”, Xe l¨n vµ Xe ghÕ ch¹y ®iÖn tù

®éng. B¸o c¸o nµy gåm 2 phÇn: PhÇn I vÒ Robocar RP vµ phÇn II vÒ c¸c s¶n

phÈm robocar øng dông.

9

PhÇn i

B¸o c¸o c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu theo

nhiÖm vô 1 cña ®Ò tµi kc. 03.08

robocar rp

i. giíi thiÖu chung

Nh− ®· tr×nh bµy ë phÇn më ®Çu, Robocar RP lµ ph−¬ng ¸n c¶i tiÕn ®Ó

Robot RP ®−îc t¨ng c−êng kh¶ n¨ng linh ho¹t ®¸p øng nh÷ng yªu cÇu vÒ

th«ng minh hãa.

Phiªn b¶n ®Çu tiªn cña Robocar RP ®· hoµn thµnh tõ n¨m 2002. KÕt qu¶

nghiªn cøu nµy ®· ®−îc giíi thiÖu trong s¸ch gi¸o tr×nh “Robot c«ng nghiÖp”

vµ ¶nh chôp Robocar RP víi ghi chó lµ s¶n phÈm ®Ò tµi KC.03.08 ®· dïng lµm

¶nh b×a s¸ch (h×nh 1.1.1.). Gi¸o tr×nh nµy ®−îc hÇu hÕt c¸c tr−êng §¹i häc vµ

Cao ®¼ng kü thuËt dïng lµm s¸ch gi¸o khoa. S¸ch ®−îc t¸i b¶n 2 n¨m mét lÇn,

®Õn nay ®· lµ lÇn thø 3, ®ã lµ ch−a kÓ kh¸ nhiÒu s¸ch ®−îc in kh«ng chÝnh thøc

b¸n ngoµi thÞ tr−êng.

Sau nhiÒu lÇn kh¶o nghiÖm qua viÖc øng dông thö nghiÖm trong ph©n

x−ëng chÕ t¹o c¬ khÝ. §Ò tµi ®· nhiÒu lÇn c¶i tiÕn c¸c bé phËn vµ lu«n lu«n ®i

s©u nghiªn cøu ®Ó tr¶ lêi nh÷ng c©u hái sau:

- C¬ cÊu robot nªn nh− thÕ nµo ®Ó n©ng cao møc ®é linh ho¹t, mµ gi¸

thµnh chÕ t¹o l¹i kh«ng qu¸ cao?

- C¬ cÊu xe di chuyÓn nªn nh− thÕ nµo ®Ó dÔ ®iÒu khiÓn chÝnh x¸c mét

khi mÆt ®−êng di chuyÓn kh«ng ®ßi hái qu¸ b»ng ph¼ng vµ ®ång ®Òu?

- Nªn t¹o ra c¸c m«®un ®iÒu khiÓn nh− thÕ nµo ®Ó thÝch hîp víi nh÷ng

lo¹i h×nh robocar kh¸c nhau, vÝ dô robocar ph¶i thao t¸c ë nh÷ng n¬i kh«ng

10

biÕt qu¸ râ vÒ ®Þa h×nh; Khi ®−îc trang bÞ nh÷ng hÖ thèng sensor cao cÊp rÊt

®¾t tiÒn vµ khi chØ cã kh¶ n¨ng ®Çu t− rÊt h¹n hÑp v.v.

H×nh1.1.1. Robocar RP trªn b×a s¸ch gi¸o tr×nh

Tr−íc nh÷ng vÊn ®Ò ®Æt ra ®ã §Ò tµi ®· chän ph−¬ng ph¸p tiÕp cËn lµ ®i

s©u nghiªn cøu cho tõng vÊn ®Ò mét vµ t¹o ra nh÷ng m«®un thiÕt bÞ t−¬ng ®èi

®éc lËp, chóng cã thÓ nèi ghÐp víi nhau theo nhiÒu ph−¬ng ¸n ®Ó t¹o ra nhiÒu

lo¹i robocar phï hîp víi nhu cÇu ®a d¹ng cña thùc tÕ. §Ò tµi còng ®Þnh h−íng

më réng ph¹m vi øng dông, còng theo xu thÕ chung cña thÕ giíi lµ chuyÓn

m¹nh tõ “robot c«ng nghiÖp” sang “robot dÞch vô”. Bëi thÕ §Ò tµi ®· nhanh

chãng t¹o ra nhiÒu lo¹i s¶n phÈm tõ nh÷ng kÕt qu¶ nghiªn cøu khoa häc tuy

chØ míi ë ph¹m vi phßng thÝ nghiÖm nh−ng lµ kÕt qu¶ rÊt c¬ b¶n, v× tõ ®ã më

ra mét triÓn väng øng dông réng r·i, chø kh«ng ®Æt môc tiªu lµ lµm ra mét s¶n

phÈm vµ t×m mäi s¸ch ®em dïng s¶n phÈm ®ã mµ th«i.

11

Trong b¸o c¸o nµy sÏ ®i ®Õn lêi gi¶i c¸c c©u hái nãi trªn nh− nh÷ng kÕt

qu¶ nghiªn cøu khoa häc qua viÖc tr×nh bµy c¸c néi dung sau:

1) Nghiªn cøu t¹o dùng c¸c c¬ cÊu chÊp hµnh linh ho¹t cho robot.

2) Nghiªn cøu t¹o dùng m«®un xe di ®éng vµ c¬ cÊu l¸i robocar

3) Nghiªn cøu thiÕt lËp phÇn cøng vµ phÇn mÒm ®iÒu khiÓn robocar

H×nh 1.1.2. Robocar trong ph©n x−ëng

12

II. C¬ cÊu chÊp hµnh linh ho¹t cho Robot

2.1. Ph©n tÝch vµ chän lùa c¬ cÊu tay m¸y pháng sinh

C¬ cÊu tay m¸y pháng sinh nãi chung lµ rÊt ®¬n gi¶n, chØ gåm m«®un

c¬ b¶n lµ m«®un c¬ cÊu c¸nh tay gåm 2 kh©u nèi víi th©n vµ c¬ cÊu cæ tay bµn

kÑp. Tuy vËy khi thiÕt kÕ còng ph¶i gi¶i quyÕt nhiÒu vÊn ®Ò, vÝ dô:

- Víi quan hÖ kÝch th−íc nµo th× kh«ng gian ho¹t ®éng cña tay m¸y vµ

vïng dÔ thao t¸c lµ lín nhÊt?

- Lo¹i h×nh ®éng lùc vµ truyÒn lùc cho c¸c kh©u nªn lµ vµ nªn ®Æt trùc

tiÕp ë c¸c kh©u ®ã hay lµ ®Æt trªn phÇn cè ®Þnh cña th©n?

- VÊn ®Ò ®¶m b¶o c©n b»ng cña c¸c kh©u ë c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau?

Ngoµi ra cßn cã hµng lo¹i vÊn ®Ò kh¸c vÒ ®éng häc vµ ®éng lùc häc, vÒ

khe hë vµ ®é chÝnh x¸c v.v.

Trªn h×nh 1.1.3 lµ s¬ ®å ®éng cña c¬ cÊu tay m¸y 6 bËc tù do trong

Robot Cincinnaty 3T cña USA. Tõ 1 ®Õn 6 lµ c¸c kh©u cña c¬ cÊu tay m¸y.

Côm 7 lµ c¬ cÊu cæ tay - bµn kÑp, 8 lµ th©n

Trªn h×nh 1.1.4 m« t¶ s¬ ®å c¸c hÖ thèng ®éng lùc, c¸c truyÒn lùc b»ng

d©y ®ai vµ c¸c hÖ c©n b»ng I, II, III. Theo sù m« t¶ ®ã, cã thÓ h×nh dung ra dù

ho¹t ®éng cña c¸c hÖ ®ã mµ kh«ng cÇn ph¶i gi¶i thÝch thªm ë ®©y.

§iÒu khiÓn dÞch chuyÓn cña bµn kÑp tay m¸y b¸m theo quü ®¹o kh«ng

gian lµ ph¶i c¨n cø vµo c¸c yªu cÇu vÒ ®Þnh vÞ vµ ®Þnh h−íng cña bµn kÑp t¹i

c¸c ®iÓm liªn tiÕp trªn quü ®¹o mµ x¸c ®Þnh c¸c th«ng sè ®iÒu khiÓn, ë ®©y lµ

c¸c gi¸ trÞ täa ®é suy réng cña c¸c khíp ®éng. Cã thÓ biÓu thÞ theo m« h×nh

sau:

Gäi x = (x₁, ... x_n)^Tlµ vÐct¬ tr¹ng th¸i ®iÓm cuèi cña phÇn tö t¸c ®éng

g¾n trªn tay m¸y.

Gäi q = (q₁, ...q_n)^Tlµ vÐct¬ täa ®é suy réng cña c¸c khíp ®éng tay m¸y.

13

Th× lêi gi¶i cña bµi to¸n ®éng häc ng−îc tay m¸y lµ:

ϕ: x → {q₁, i = 1, ... 1}

Gäi S lµ tËp c¸c cÊu h×nh cã thÓ cña tay m¸y th×

S = {q: q_i^min≤ q_i≤ q_i^max, i = 1, ...., n}

Nh− sÏ tr×nh bµy trong b¶n b¸o c¸o nµy, r»ng viÖc gi¶i bµi to¸n trªn

trong tr−êng hîp chung kh«ng ph¶i lµ ®¬n gi¶n. §«i khi kh«ng t×m ®−îc lêi

gi¶i hoÆc thêi gian t×m lêi gi¶i qu¸ dµi nªn kh«ng ®¶m b¶o thêi gian thùc trong

®iÒu khiÓn.

V× thÕ ngay tõ khi chän s¬ ®å ®éng cho c¬ cÊu tay m¸y ®· ph¶i chó ý

®Õn vÊn ®Ò nµy. DÔ dµng nhËn thÊy c¬ cÊu cµng ®¬n gi¶i th× ®èi víi nã gi¶i bµi

to¸n ng−îc ®éng häc cµng dÔ. VÝ dô nÕu c¬ cÊu c¸nh tay cña tay m¸y n»m

trong mÆt ph¼ng vµ khi quay chung quanh trôc th¼ng ®øng th× c¬ cÊu tay m¸y

cã thÓ thao t¸c trong kh«ng gian 3 chiÒu. §èi víi c¸c lo¹i c¬ cÊu nµy nhiÒu bµi

to¸n ®éng häc ng−îc trë nªn rÊt ®¬n gi¶i vµ lóc nµy trë vÒ bµi to¸n ph¼ng.

Tïy theo quan hÖ h×nh thøc gi÷a c¸c kh©u vµ gi¸ trÞ täa ®é suy réng

q_i^min, q_i^maxcña c¸c khíp ®éng mµ kh«ng gian ho¹t ®éng cña c¬ cÊu tay m¸y

chiÕm nh÷ng vÞ trÝ to nhá kh¸c nhau vµ chøa c¸c vïng khã dÔ thao t¸c kh¸c

nhau.

Víi quan ®iÓm trªn, qua ph©n tÝch hµng lo¹t c¬ cÊu tay m¸y pháng sinh

cña rÊt nhiÒu h·ng kh¸c nhau trªn thÕ giíi, chóng t«i ®i ®Õn nhËn xÐt r»ng tÝnh

−u viÖt næi bËt vÒ cña c¬ cÊu vÏ b×nh hµnh (Pantograph) khi dïng lµm c¬ cÊu

c¸nh tay pháng sinh. V× thÕ lo¹i c¬ cÊu nµy ngµy cµng ®−îc dïng réng r·i

trong c¸c lo¹i tay m¸y kh¸c nhau. §ã còng lµ sù chän läc tù nhiªn.

14

H×nh 1.1.3. S¬ ®å ®éng häc cña robot Cincinnaty 3T (USA)

H×nh 1.1.4 S¬ ®å c¸c hÖ chøc n¨ng cña robot Cincinnaty 3T (USA)

15

Nh− thÕ víi môc ®Ých chän lùa nh÷ng c¬ cÊu chÊp hµnh c¬ khÝ ®−îc

®iÒu khiÓn trong quü ®¹o kh«ng gian víi ®é linh ho¹t cao, chóng ta ®· chó ý

tíi c¸c c¬ cÊu tay m¸y pháng sinh vµ tËp trung xem xÐt m«®un c¬ cÊu c¸nh tay

dïng Pantograph. C¬ cÊu c¸nh tay dïng Pantograph còng cã nhiÒu biÕn thÓ.

Trªn h×nh 1.1.5 lµ mét sè biÕn thÓ c¬ cÊu c¸nh tay dïng Pantograph ®· ®−îc sö

dông.

Theo ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch nªu ë môc 2.2. ®· tÝªn hµnh tÝnh to¸n kiÓm

nghiÖm nhiÒu biÕn thÓ kh¸c nhau cña c¬ cÊu c¸nh tay dïng Pantograph víi c¸c

sè liÖu cña nhiÒu h·ng s¶n xuÊt robot hiÖn dïng vµ ®· x¸c ®Þnh nh÷ng lo¹i

h×nh cã nhiÒu −u ®iÓm h¬n. Trong ®ã ®¶m b¶o 3 yªu cÇu ®· ®Æt ra ë môc 2.2.

lµ:

- Bè trÝ nguån ®éng lùc g¾n víi th©n nh−ng vÉn ®¶m b¶o chuyÓn ®éng ®éc lËp

cña c¸c kh©u chÊp hµnh.

- §¶m b¶o ®¬n gi¶n vÒ kÕt cÊu, linh ho¹t vµ nhá gän vÒ kÝch th−íc.

- DÔ dµng gi÷ c©n b»ng ë c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau vµ tiªu hao Ýt n¨ng l−îng.

Trªn h×nh 1.1.6 ®Ò xuÊt mét lo¹i c¬ cÊu tay m¸y cã thÓ tháa m·n c¸c

yªu cÇu trªn, ®ång thêi cã thªm mét tÝnh chÊt n÷a lµ dÔ ®iÒu khiÓn. TÝnh chÊt

nµy xuÊt ph¸t tõ ®Æc ®iÓm lµ ë ®©y bµi to¸n ®éng häc ng−îc lµ bµi to¸n ph¼ng

vµ cã thÓ ®iÒu khiÓn dÞch chuyÓn cña bµn kÑp theo c¸c trôc täa ®é b»ng mét hÖ

trôc täa ®é suy réng cña khíp ®éng.

16

H×nh 1.1.5. C¸c c¬ cÊu c¸nh tay dïng Pantograph

Q

P

Z

Z₀

A

D

q₄

M

G₁

q₅

q₆

G

G₂

3

Bµn kÑp

B

T

G

4

R

V

E

y

S₂

S₁

y

0

o

0

S₃

x

0

H×nh 1.1.6. S¬ ®å ®éng c¬ cÊu tay m¸y

17

2.2. X©y dùng c¸c hÖ h×nh ®éng häc vµ ®éng lùc

1) C¸c th«ng sè kÝch th−íc:

* Quan hÖ kÝch th−íc tèi −u:

Ký hiÖu:

MD = m

EB = c

AD = b

AB = d

e + d = a

b + m = l

§¶m b¶o quan hÖ sau:

a

l

e

b

=

⇒

(2.1)

d

m

d

m

Tõ ®ã ta cã:

y _M

m

b

=

= K _y

(2.2)

(2.3)

y _E

z_M

z_C

l

=

= K _Z

b

K_yvµ K_zlµ ®é khuÕch ®¹i theo chiÒu y vµ theo chiÒu z

K_z= 1 + K_y

(2.4)

(2.5)

Suy ra:

m = b. K_y

d = e. K_y

d

e

= = n

m b

NÕu ®Æt :

(2.6)

Gäi vÞ trÝ xa nhÊt lµ M* vµ gi¶ thiÕt c¬ cÊu cã thÓ duçi th¼ng th× con

tr−ît E ë vÞ trÝ E* th×:

L = E*M* = m + d + b + e = b(1 + n).(1 + K_y)

(2.7)

Trong tr−êng hîp c¬ cÊu kh«ng cho phÐp duçi th¼ng hoµn toµn th× gäi

∆ lµ ®é dµi phÇn kh«ng duçi th¼ng hÕt vµ ®Æt:

L = L + ∆

(2.8)

Bµi to¸n x¸c ®Þnh kÝch th−íc c¬ cÊu nhá gän nhÊt ®èi víi vïng lµm viÖc

PQVR (xem h×nh 1.1.6) cho biÕt tr−íc cã thÓ ®Æt ra nh− sau:

18

Cho M* trïng víi ®iÓm xa nhÊt cña vïng lµm viÖc, VÝ dô ®iÓm Q (xem

h×nh 1.1.6) vµ ®Æt hµm môc tiªu F lµ:

F = b(1 + n).(1 + K_y)

(2.9)

HoÆc ta viÕt:

x₁= b

x₂= n

x₃= K_y

th×

F = x₁(1 + x₂)(1 + x₃) - L

(2.10)

NhiÖm vô lµ ph¶i chän bé th«ng sè x₁, x₂, x₃sao cho F_min. Cã nhiÒu ch−¬ng

tr×nh m¸y tÝnh gi¶i bµi to¸n tèi −u lo¹i ph−¬ng tr×nh (2.10) nµy. VÝ dô tÝnh

to¸n ®èi víi tr−êng hîp L = 20 th× x₁= 2 , x₂=1, x₃= 4 lµ lêi gi¶i tèi −u.

Tõ h×nh 2.6 dÔ dµng thiÕt lËp c¸c quan hÖ sau:

y_E= - ecosϕ - bcosψ

z_c= esinϕ - bsinψ

(2.11)

(2.12)

NÕu lÊy n = 1 (tøc lµ x₂= 1) tõ ph−¬ng tr×nh (2.6) cã e = b, do ®ã:

y_E= - b(cosϕ + cosψ)

z_c= b(sinϕ - sinψ)

(2.13)

(2.14)

Tõ ®ã cã ®é dÞch chuyÓn nhá cña con tr−ît E vµ C lµ:

δy_E= - b(cosϕ + cosψ)

(2.15)

(2.16)

δz_c= b(sinϕ - sinψ)

* Tr−êng hîp chØ riªng con tr−ît E di chuyÓn:

Trong tr−êng hîp nµy z_c= const. , δz_c= 0 vµ tõ ph−¬ng tr×nh (2.15),

(2.16) ta cã:

bsin

(

ϕ +ψ

)

δy_E=

(2.17)

(2.18)

cosϕ

bsin

(

ϕ +ψ

hoÆc :

cosψ

19

* Tr−êng hîp chØ cã riªng con tr−ît C di chuyÓn:

Trong tr−êng hîp nµy z_E= const. , δz_E= 0 vµ tõ ph−¬ng tr×nh (2.15),

(2.16) ta cã:

bsin

(

ϕ +ψ

)

δy_c= -

δy_c=

(2.19)

(2.20)

sinϕ

bsin ϕ +ψ

(

)

hoÆc :

sinψ

* TÝnh lùc khi z_c= const. :

Trong tr−êng hîp nµy z_c= 0 vµ tõ ph−¬ng tr×nh (2.16) ta cã

cosϕ = cosψ. Theo ph−¬ng ph¸o di chuyÓn kh¶ dÜ, gi¶ thiÕt do t¸c ®éng cña

c¸c träng lùc G_icã thÓ g©y ra c¸c lùc P_Eit¸c ®éng vµo con tr−ît E th× c¶ hÖ

cÇn ph¶i c©n b»ng, tøc lµ:

P_Ei. δy_E- G_i. δz_i= 0

(2.21)

TÝnh δz_i:

l

z_c+ sinψ

cosψ

cosϕ

z₁=

⇒

δz₁=

δz₂=

δz₃=

δz₄=

b

2

d

2

z_c+ sinϕ

z₂=

z₃=

z₄=

2

d + e

2

sinϕ

cosϕ

2

b

z_c+ sinψ

cosψ

⇒

2

z_Q= - q.sinϕ

δz_Q= - q.cosψ

Víi q = QE, Q lµ tiªu ®iÓm kÐo dµi BE vµ lµ ®iÓm ®Æt ®èi träng Q.

TÝnh lùc P_Eitõ c¸c ph−¬ng tr×nh (2.21) ta ®−îc:

20

1

G₁. cos ψsinϕ

G₁.δδ₁

δy_E

2

P_E1=

P_E2=

P_E3=

=

b sin (ϕ + ψ)

d

G₂. cos ψsinϕ

G₂.δδ₂

δy_E

2

=

b sin (ϕ + ψ)

d + e

G₃.

cos ψsinϕ

G₃.δδ₃

δy_E

2

=

b sin (ϕ + ψ)

b

G₄. cos ψsinϕ

G₄.δδ₄

δy_E

2

P_E4=

P_EQ=

b sin (ϕ + ψ)

Qdz_Q

Q.qcosysinj

=

dy_E

bsin (j+ y)

VËy:

cosϕsinψ

2sin (ϕ +ψ )

q

e

⎡

⎣

⎤

∑P_EQ=

(G₁+ G₃)(K₃+1) + G₂K_y+ G₄− 2Q

(2.22)

(2.23)

⎢

⎥

⎦

Tõ ®ã cã thÓ x¸c ®Þnh ®èi träng ®Ó ΣP_Ei= 0, vËy

e

Q =

[

(G₁+ G₃)(K₃+ 1) + G₂K_y+ G₄

]

2q

* TÝnh c¸c gãc ϕ vµ ψ:

Tõ h×nh (2.16) dÔ dµng x¸c ®Þnh:

y_m= d cosϕ + m cosψ = m(cosϕ + cosψ)

z_m= asinϕ - lsinψ = l(sinϕ - sinψ)

(2.24)

(2.25)

tõ ph−¬ng tr×nh (2.24) vµ (2.25) ta cã:

21

2

[

(

ly_m

)

+

](

mz_m

)

m.z_m

l.y_m

arctg

+ arccos

ϕ =

ψ =

2.26

2.27

m

2

[

(

ly_m

)

+

]

(

mz_m

)

m.z

arctg ^m−arccos

l.y_m

m

b) KiÓm nghiÖm hÖ lùc dÉn ®éng:

CÊu kiÖn c¬ khÝ ®−îc thiÕt kÕ trªn c¬ së nghiªn cøu øng dông c¬ cÊu 4

kh©u song hµnh. CÊu kiÖn cã 6 bËc tù do: 2 chuyÓn ®éng th¼ng vµ 4 chuyÓn

®éng quay. Cã thÓ chia lµm 2 nhãm 3: nhãm 3 víi to¹ ®é c¬ së (3/1) cã 2

chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn vµ mét chuyÓn ®éng quay vµ nhãm 3 thø hai (3/2) gåm

cã 3 chuyÓn ®éng quay.

§iÓm A vµ B (h×nh 1.1.7) lµ hai ®iÓm ®−îc dÉn ®éng b»ng truyÒn ®éng

vÝt me.

Côm di ®éng th¼ng ®øng AA' vµ BB'

Gäi ®iÓm A₀lµ ®iÓm cuèi cña thanh FA₀vµ B₀lµ ®iÓm cuèi cña thanh

DB₀.

Khung cÊu kiÖn cã hai vÞ trÝ lµm viÖc biªn mµ c¸nh tay trªn CD cã gãc

quay giíi h¹n trªn vµ ®Çu A₀di chuyÓn ®Õn ®iÓm cuèi hµnh tr×nh A' vµ ®iÓm B₀

®øng ë ®iÓm cùc trªn cña hµnh tr×nh B.

a) S¬ ®å lùc:

HÖ lùc c¬ b¶n lµ t¶i t¸c ®éng vµo hÖ thanh cÊu t¹o vµ b¶n th©n tù träng

cña c¸c thanh ®ã. KÝch th−íc kÕt cÊu :

AF = BF = EB = a = 12,5 cm

EF = BD = CD = b = 50 cm

22

l = a + b = 12,5 + 50 = 62,5 cm

Gãc FAB = α

Gãc CAx = β

α + β = ϕ

Gäi tØ sè i = b/a

50

i =

= 4

ta cã:

(2.28)

12,5

§iÓm A di ®éng trªn trôc 0x vµ ®iÓm B di ®éng trªn trôc 0y.

§Ó ®¬n gi¶n ho¸ trong tÝnh to¸n s¬ bé, ta cho c¸c tù träng m cña c¸c

thanh n»m t¹i ®iÓm gi÷a cña c¸c thanh vµ träng l−îng cña thanh AM = m₁;

BD = m₂; BF = m₃; ED = m₄; DC = m₅; träng l−îng cæ tay ®Æt t¹i ®iÓm C

= m₅;

R₁ph¶n lùc t¹i A, R₂ph¶n lùc t¹i B

R₃ph¶n lùc ngang t¹i A, R₄ph¶n lùc ngang t¹i B

23

H×nh 1.1.7. S¬ ®å tÝnh to¸n lùc

b) TÝnh to¸n c¸c ph¶n lùc:

- LÊy moment M_(B)®Ó tÝnh R₁:

M_(B)= R₁.2aCosαCosβ + R₃.2aCosαSinβ - Q.2bCosαCosβ +

+ m₁.(2aCosαCosβ - l/2.Cosϕ) - m₂.(b/2.Cosϕ) +

+ m₃.(a/2.Cosγ) - m₄.(b.Cosϕ - a/2.Cosγ) –

- m₅.(bCosϕ + b/2.Cosγ) - m₆.(2bCosαCosβ)

(2.29)

Chia c¶ 2 vÕ ph−¬ng tr×nh cho 2aCosαCosβ ta cã:

i

R₁+ R₃tgβ - Q(i - 1) + m₁[ 1 - (1-tgαtgβ)] -

4

i -1

4

i

.(1 - N) + m₃[ (1+N)] - m₄[(i - 1)(1 - N)- (1 + N)] -

i

- m₂[

4

24

i -1

2

i -1

4

- m₅[

(1 - N) +

.(1 + N)] - m₆[i - 1] = 0

ChuyÓn ®æi ta ®−îc:

R₁+ R₃tgβ - Q(i - 1) + m₁- m + m N - m₂

i

¹4

i

¹4

i -1

4

i -1

4

+ m₂

N

1

³4

1

³4

1

⁴4

1

⁴4

i -1

2

+ m + m N - m₄(i - 1) + m₄(i - 1)N + m m + m N - m₅(

)

i -1

+ m₅( )N - m₅( )N - m₅( ) - m₆(i - 1) = 0

i -1

2

4

R₁+ R₃tgβ - Q(i - 1) +

1

+ m₁+ m₂+ m + m₄(1 + ) - m₅( + ) m₆-

³4

4

2

4

i

- .( m₁+ m₂+ m₃+ 4m₄+ 3m₅+ 4m₆) +

4

1

²4

1

²i

1

³4i

1

i

+ i.tgαtgβ[ m₁+ m - m + m + m₄( 1

) +

1

i

1

) ] = 0

+ m + m₅( 1

⁴4i

4

i

1

i

1

³4

Ph¶n lùc

R₁= 3,5Q - R₃tgβ - [ m₁(1 - ) + m₂( - ) + m

+

4

5

+ m₄( - i) + m₅( -

3

3i

) + m₆(1 - i)]

(2.30)

4

Thay i = 4

Ta ®−îc:

1

R₁= 3Q − R₃tgβ + (3m₂− m₃+ m₄+ 9m₅+12m ₆)

4

T−¬ng tù ta tÝnh R₂. LÊy moment t¹i ®iÓm A ta cã:

M_(A)= R₂.2aCosαCosβ + R₄.2aCosαSinβ - Q.2l.CosαCosβ -

- m₁. l/2.Cosϕ - m₃.( 2aCosαCosβ - a/2. Cosγ) -

- m₂.( 2aCosαCosβ + b/2.Cosγ) - m₄.(l.Cosϕ + a/2.Cosγ) -

- m₅.[l/2Cosϕ + (a + b/2)Cosγ ] - m₆.(2lCosαCosβ)

(2.31)

25

Chia c¶ 2 vÕ ph−¬ng tr×nh cho 2aCosαCosβ vµ ®Æt tgαtgβ = N

i

1

M_(A)= R₂+ R₄tgβ - Q.i + m (1 - N) - m₃[1 - (1+N)] -

¹4

4

i -1

4

i

(1 - N )] - m₄[ (1 - N ) + (1+N)] -

1

- m₂[ 1 +

2

4

i

- m₅[ (1 - N) +

i -1

4

.(1 + N)] - m₆.i

4

ChuyÓn ®æi ta ®−îc:

i

¹4

i

¹4

1

3

i -1

i

⁴2

R₂+ R₄tgβ - Q.i - m + m N - m₃+ m N - m₂- m₂+ m₂N - m

³4

4

i

⁴2

1

⁴4

1

⁴4

i

⁵4

i

⁵4

1

⁵2

i -1

+ m N - m - m N - m + m N - m (1+N) - m₅( ).(1 + N) - m₆.i =

4

0

i

¹4

i -1

i

1

i

) + m₄( + ) + m₅( +

3

⇒

R₂= Q.i - R₄tgβ + m + m₃+ m₂(1 +

4

i

2

4

1

2

i -1

i

1

i -1

4

1

i

1

+ m₅( - -

+

) + m₆.i - N.[ m - m + m₂

- m₄( + )

4

¹4

³4

2

4

2

i -1

4

)

(2.32)

Thay i = 4 ta cã

1

R₂= 4Q – R₄tgβ + (4m₁+7m₂+3m₃+9m₄+9m₅+16m₆)

4

1

+ tgαtgβ (m₃+9m₄+5m₅-4m₁-3m₂)

4

NhËn xÐt: - Ta thÊy r»ng R₃vµ R₄lµ hai lùc b»ng nhau vµ ng−îc chiÒu nhau,

do ®ã trong tr¹ng th¸i tÜnh R₃vµ R₄= 0

- ¶nh h−ëng cña c¸c gãc α vµ β ®èi víi c¸c lùc R₁vµ R₂rÊt nhá vµ l¹i lµ t¸c

VËy c¸c ph¶n lùc R₁vµ R₂cã thÓ tÝnh gÇn ®óng nh− sau:

R₁= (i - 1).Q - 1/4.[4m₁+ m₂+ m₃+ 5m₄+ 3m₅+ 4m₆] +

26

i

+ .[m₁+ m₂+ m₃+ 4m₄+ 3m₅+ 4m₆]

4

R₂= i.Q - 1/4.[3 m₂+ 3m₃+ m₄+ m₅] +

i

+ .[m₁+ m₂+ 2m₄+ 2m₅+ 4m₆]

4

Lùc R₁vµ R₂lµ lùc cÇn thiÕt ®Ó tÝnh to¸n kÝch th−íc c¸c hÖ truyÒn dÉn

tr−ît) vµ c¸c tæn thÊt kh¸c.

III. Hå s¬ thiÕt kÕ c¶i tiÕn Robot RP

3.1. ThiÕt kÕ tæng thÓ

3.1.1. C¸c ®Æc tÝnh th«ng sè kü thuËt

6 bËc tù do:

θ₁= ± 150⁰

S₂= 130mm

S₃= 250mm

θ₄= ± 150⁰

θ₅= ± 150⁰

θ₆= ± 150⁰

§éng lùc:

•

§èi víi θ₁, S₂, S₃dïng 3 ®éng c¬ ®iÖn 1 chiÒu

§èi víi θ₄, θ₅, θ₆dïng 3 ®éng c¬ b−íc

Vïng lµm viÖc:

TÇm xa: 660 mm

•

27

•

TÇm gÇn: 270 mm

TÇm cao: 900 mm

TÇm thÊp: 100 mm

§é chÝnh x¸c: ± 1 mm

§iÒu khiÓn theo vÞ trÝ b»ng m¸y tÝnh PC

3.1.2. Vïng lµm viÖc cña Robot RP

Khi thay ®æi c¸c gi¸ trÞ chuyÓn dÞch ë S₂vµ S₃ë c¸c khíp tÞnh tiÕn A vµ

B th× ®iÓm C sÏ di chuyÓn theo mét quü ®¹o nµo ®ã trong mÆt ph¼ng x, y (h×nh

2.5). Nõu kh«ng h¹n chÕ c¸c chuyÓn dÞch nµy th× c¸c vÞ trÝ øng víi tÇm víi xa

nhÊt vµ gÇn nhÊt tÇm cao cao nhÊt vµ thÊp nhÊt x¸c ®Þnh lµ miÒn lµm viÖc trong

mÆt ph¼ng x, y lµ h×nh ch÷ nhËt.

Khi thªm ®éng t¸c quay θ₁h×nh ch÷ nhËt nµy sÏ quÐt trong kh«ng gian

mét vïng lµm viÖc h×nh trô rçng nh− h×nh 1.1.8.

28

°

H×nh 1.1.8. Vïng lµm viÖc cña robot RP

29

3.1.3 B¶n vÏ l¾p tæng thÓ

°

30

H×nh 1.1.9. B¶n vÏ l¾p tæng thÓ Robocar RP

Báo cáo Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các robot thông minh phục vụ cho các ứng dụng quan trọng - Nhóm sản phẩm robot RP