“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC ROBOT THÔNG MINH PHỤC VỤ CHO CÁC ỨNG DỤNG QUAN TRỌNG

Chia sẻ: Nguyen Lan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:258

Thêm vào BST

Báo xấu

117
lượt xem 35
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo luận văn - đề án '“nghiên cứu thiết kế, chế tạo các robot thông minh phục vụ cho các ứng dụng quan trọng', luận văn - báo cáo phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: “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 “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 Më ®Çu 4 PhÇn 1. Robocar RP 10 I. Giíi thiÖu chung 10 II. C¬ cÊu chÊp hµnh linh ho¹t 13 2.1. Ph©n tÝch vµ chän lùa c¬ cÊu tay m¸y pháng sinh 13 2.2. X©y dùng c¸c hÖ h×nh ®éng häc vµ ®éng lùc 18 III. Hå s¬ thiÕt kÕ c¶i tiÕn Robot RP 27 3.1. ThiÕt kÕ tæng thÓ 27 3.2. Côm chi tiÕt chñ yÕu 31 IV. §éng häc xe Robocar 39 4.1. §éng häc xe 3 b¸nh 39 4.2. §éng häc xe 4 b¸nh 43 V. M«®un xe di chuyÓn 46 5.1. Nh÷ng vÊn ®Ò chung 46 5.2. M«®un xe di chuyÓn cho RP-01 47 5.3. M«®un xe di chuyÓn cho RP-02 51 VI. HÖ thèng thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn 56 6.1. Giíi thiÖu chung 56 6.2. HÖ ®iÒu khiÓn Robot RP 56 6.3. §iÒu khiÓn Robocar RP-01 b»ng PLC 68 6.4. HÖ ®iÒu khiÓn Robocar RP-02 72 PhÇn 2. c¸c s¶n phÈm Robocar øng dông 80 I. Giíi thiÖu chung 80 II. Robocar TN trong phßng thÝ nghiÖm 81 2.1. Giíi thiÖu chung 81 2
2.2. ThiÕt kÕ, chÕ t¹o TN 81 2.3.C¸c sensors ®−îc sö dông 90 2.4. Nh÷ng nhËn xÐt qua thö nghiÖm 95 III. Robocar “Ch÷ thËp ®á” 97 3.1. Giíi thiÖu chung 97 3.2. KÕt cÊu c¸c bé phËn chÊp hµnh 97 3.2.1. KÕt cÊu xe di chuyÓn 97 3.2.2. C¬ cÊu robot 100 3.2.3. HÖ thèng b¬m phun 102 3.3. X©y dùng m« h×nh ®éng häc Robocar – Camera 103 3.3.1. Chän c¸c hÖ täa ®é 103 3.3.2. M« t¶ ®èi t−îng quan s¸t trong hÖ täa ®é 104 3.3.3. X¸c ®Þnh vÞ trÝ ®iÓm quan s¸t trªn mµn h×nh camera 106 3.3.4. Khèng chÕ vïng hiÓn thÞ trªn mµn h×nh 107 3.4. VÊn ®Ò xö lý h×nh ¶nh vµ c¸c ph−¬ng ph¸p dÉn ®−êng cho robot 108 3.4.1. VÊn ®Ò xö lý ¶nh 108 3.4.2. C¸c ph−¬ng ph¸p dÉn ®−êng cho robot 111 3.5. ThiÕt lËp hÖ thèng ®iÒu khiÓn t×m kiÕm ®èi t−îng theo mµu s¾c 112 3.5.1. M« t¶ ho¹t ®éng cña hÖ thèng 113 3.5.2. Ch−¬ng tr×nh dÉn ®−êng tù ®éng 114 3.5.3. C¸c b−íc cña ch−¬ng tr×nh xö lý ¶nh 115 3.6. C¸c øng dông thö nghiÖm b−íc ®Çu 116 IV. Xe l¨n vµ xe ghÕ tù ®éng 126 V. KÕt luËn 133 Tµi liÖu tham kh¶o 135 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, ... xn)T lµ vÐct¬ tr¹ng th¸i ®iÓm cuèi cña phÇn tö t¸c ®éng g¾n trªn tay m¸y. Gäi q = (q1, ...qn)T lµ 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: qimin ≤ qi ≤ qimax, 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 qimin, qimax cña 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 P Q Z Z0 A D q4 M G1 q5 q6 G3 G 2 Bµn kÑp B T G4 R V E y S 2 S1 y 0 o0 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 AD = b AB = d EB = c 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: yM m = = Ky (2.2) yE b zM l = = KZ (2.3) zC b Ky vµ Kz lµ ®é khuÕch ®¹i theo chiÒu y vµ theo chiÒu z Kz = 1 + K y (2.4) Suy ra: m = b. Ky d = e. Ky (2.5) d e NÕu ®Æt : = =n (2.6) m b 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 + Ky) (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 + Ky) (2.9) HoÆc ta viÕt: x1 = b x2 = n x 3 = Ky th× F = x1(1 + x2)(1 + x3) - L (2.10) NhiÖm vô lµ ph¶i chän bé th«ng sè x1 , x2 , x3 sao cho Fmin . 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: yE = - ecosϕ - bcosψ (2.11) zc = esinϕ - bsinψ (2.12) NÕu lÊy n = 1 (tøc lµ x2 = 1) tõ ph−¬ng tr×nh (2.6) cã e = b, do ®ã: yE = - b(cosϕ + cosψ) (2.13) zc = b(sinϕ - sinψ) (2.14) Tõ ®ã cã ®é dÞch chuyÓn nhá cña con tr−ît E vµ C lµ: δyE = - b(cosϕ + cosψ) (2.15) δzc = b(sinϕ - sinψ) (2.16) * Tr−êng hîp chØ riªng con tr−ît E di chuyÓn: Trong tr−êng hîp nµy zc = const. , δzc = 0 vµ tõ ph−¬ng tr×nh (2.15), (2.16) ta cã: bsin(ϕ +ψ ) δyE = (2.17) cosϕ bsin (ϕ +ψ ) hoÆc : δyE = (2.18) cosψ 19
* Tr−êng hîp chØ cã riªng con tr−ît C di chuyÓn: Trong tr−êng hîp nµy zE = const. , δzE = 0 vµ tõ ph−¬ng tr×nh (2.15), (2.16) ta cã: bsin (ϕ +ψ ) δyc = - (2.19) sinϕ bsin (ϕ + ψ ) hoÆc : δyc = (2.20) sinψ * TÝnh lùc khi zc = const. : Trong tr−êng hîp nµy zc = 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 Gi cã thÓ g©y ra c¸c lùc PEi t¸c ®éng vµo con tr−ît E th× c¶ hÖ cÇn ph¶i c©n b»ng, tøc lµ: PEi. δyE - Gi. δzi = 0 (2.21) TÝnh δzi : l l l z1 = z c + sinψ ⇒ δz1 = cosψ b 2 2 d d z2 = z c + sin ϕ ⇒ δz2 = cos ϕ 2 2 d+e d+e z3 = sin ϕ ⇒ δz3 = cos ϕ 2 2 b b z4 = z c + sinψ ⇒ δz4 = cosψ 2 2 zQ = - q.sinϕ ⇒ δzQ = - q.cosψ Víi q = QE, Q lµ tiªu ®iÓm kÐo dµi BE vµ lµ ®iÓm ®Æt ®èi träng Q. TÝnh lùc PEi tõ c¸c ph−¬ng tr×nh (2.21) ta ®−îc: 20