Tổng quan về Robot song song

Bài báo điểm lại quá trình hình thành và phát triển của Robot song song trên thế giới và các công trình nghiên cứu về loại robot này tại Việt Nam. Ngoài ra, bài báo cũng nêu ra các hướng nghiên cứu mở rộng về loại robot này trong tương lai.

pdf43 trang | Chia sẻ: tlsuongmuoi | Lượt xem: 5924 | Lượt tải: 3download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Tổng quan về Robot song song, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ố định, mối hàn trong kỹ thuật hàn đường nằm dọc theo mối ghép giữa hai tấm kim loại. Những hệ thống hàn đường thực tế (hình 6) phụ thuộc vào con người trong việc kẹp chặt chính xác chi tiết được hàn, và sau đó robot di chuyển dọc theo quĩ đạo được lập trình trước. Ưu điểm duy nhất so với hàn bằng tay là chất lượng mối hàn được ổn định. Người vận hành chỉ còn thực hiện một việc tẻ nhạt là kẹp chặt các chi tiết. Có thể thực hiện tăng năng suất bằng cách trang bị hàn định vị quay nhờ đó người vận hành có thể kẹp chặt một chi tiết trong khi thực hiện việc hàn chi tiết khác. Tuy nhiên, luôn có vấn đề khó khăn trong việc lắp khít chi tiết do dung sai trong chế tạo, chi tiết bị cong vênh, và các thiết kế cần lắp ghép theo đường cong không đồng dạng. Các vấn đề đó làm cho việc kẹp chặt chi tiết khó khăn, đặc biệt là đối với các chi tiết lớn và lắp tấm kim loại mỏng. Hơn nữa, đường hàn có thể không xử lý được với mỏ hàn vì nó bị che khuất bởi chi tiết khác. Thợ hàn tay phải xử lý khó khăn nhiều loại mối nối và vị trí các chi tiết khác nhau. Gần đây các nghiên cứu tập trung vào phương pháp dò vết đường hàn với mục đích giảm bớt yêu cầu định vị chính xác, và do đó giảm chi phí hàn trong khi chất lượng mối hàn lại tăng. Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 8 - Hình 6: Hệ thống robot hàn đường của hãng FANUC Cảm biến trang bị trên các robot hàn đường phải có khả năng xác định vị trí đúng của đường hàn. Như vậy, để mối hàn được đặt chính xác, đúng yêu cầu về hình dáng và kích thước thì robot phải giữ điện cực theo hướng đúng của đường hàn với khoảng cách đúng từ đường hàn đến đầu mỏ hàn và di chuyển với tốc độ không đổi sao cho lượng vật liệu chảy vào mối nối không đổi. Xác định đường hàn cho các vật thể ba chiều thì phức tạp hơn cho các tấm phẳng vi thường cần phải mô hình hoá hình học để định ra đường di chuyển của robot. Hình 7 trình bày một robot có trang bị cảm biến laser để dò đường đi của đầu hàn. Thông thường để đào tạo một thợ hàn bậc cao phải mất nhiều năm, nhưng việc đưa robot vào sản xuất nhà máy tạo khả năng có thể thu nhận công nhân cả trẻ lẫn lớn tuổi, có kinh nghiệm nghề nghiệp rất khác nhau. Hàn đường, một lãnh vực tiềm năng cho việc ứng dụng robot, được xếp vào lĩnh vực kỹ thuật cao. Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 9 - Hình 7: Đầu hàn có trang bị cảm biến dò tìm đường đi bằng laser theo không gian ba chiều. Một kỹ thuật sản xuất có mục tiêu lâu dài là nhà máy tự động hoàn toàn, ở đó một bản thiết kế được thể hiện tại một trạm thiết kế bằng máy tính, không có sự can thiệp của con người vào quá trình sản xuất. Hãy thử hình dung một môi trường sản xuất tự động hoàn toàn; từ ý tưởng sản phẩm, gồm các chỉ tiêu kỹ thuật cấp cao, người ta thiết kế ra sản phẩm; sau đó đặt vật liệu, lập ra chương trình gia công, lập ra chiến lược đường đi của chi tiết trong nhà máy; điều khiển cung cấp chi tiết vào máy gia công, lắp ráp và kiểm tra tự động thông qua các máy gia công CNC và các robot tĩnh và robot di động. Những thành tựu của một môi trường sản xuất như thế đã và đang được đầu tư nghiên cứu và phát triển trong nhiều năm qua. Hiện nay các nhà máy lớn hiện đại đều áp dụng mô hình tự động hoá hoàn toàn, đặc biệt là phần thiết kế ở cấp cao và phần xử lý chi tiết ở cấp thấp. Một trong những trở ngại chính là liên kết các tầng với nhau. Một khó khăn khác là nhu cầu phương pháp xuất ra các đặc tả thủ tục từ mô hình máy tính của sản phẩm. Ví dụ, việc lập ra một cách tự động trình tự lắp ráp các chi tiết với nhau trong khâu lắp ráp. Robot được sử dụng để tự động hoá quá trình lắp ráp trong những nhà máy như thế. Khâu này tập trung nhiều lao động và khó hơn nhiều so với dự Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 10 - tính. Ví dụ, cầm một cái mỏ hàn tay đơn giản và tháo nó ra từng phần. Có bao nhiêu chi tiết? Có bao nhiêu cách lắp ráp nó? Bạn có thể lắp ráp nó bằng một tay hay không? Bạn có thể nhắm mắt lắp được nó hay không? Bây giờ bạn đang gặp phải sự giới hạn của robot. Sự phát triển của cảm biến và sự ứng dụng nó vào robot là yếu tố quan trọng cơ bản để ứng dụng robot trong lắp ráp. Lấy ví dụ, đầu mỏ hàn là một vật thể nhỏ, nên để lắp ráp nó chúng ta cần tập trung mọi chi tiết lại, tìm vị trí và hướng lắp ráp cho từng chi tiết, lấy chi tiết đầu tiên và đặt nó vào cơ cấu kẹp chặt, lấy một chi tiết nữa theo đúng thứ tự và lắp vào chi tiết đầu tiên. Việc lắp ráp còn liên quan đến nhiều xử lý khác nhau: đưa một chi tiết vào một chi tiết kia, đặt một chi tiết trên một chi tiết khác, siết chặt đai ốc, siết vít, hay phun keo, v.v... Tuy nhiên, tuỳ trường hợp cụ thể để quyết định có sử dụng robot trong công đoạn lắp ráp hay không. Trong thực tế, khi sản phẩm được thiết kế khéo léo thì người công nhân có thể lắp ráp sản phẩm trong một thời gian rất ngắn. Trong sản xuất lớn, những robot này là những hệ thống được tự động hoá hoàn toàn: chúng đo đạc, cắt, khoan các thiết bị chính xác và còn có khả năng hiệu chỉnh các công việc của mình, hầu như ở đây không cần sự giúp đỡ của con người trừ chương trình điều khiển trong máy tính điện tử. Chỉ với vài người giám sát công việc; các máy móc này có thể hoạt động suốt ngày đêm; các robot làm tất cả các công việc như vận chuyển sản phẩm từ công đoạn sản xuất này tới công đoạn sản xuất khác kể cả việc đưa và sắp xếp thành phẩm vào kho. Các nhà máy lớn thì thường sản xuất một số mặt hàng nhất định trên các dây chuyền hiện đại. Các nhà máy cỡ vừa và nhỏ, như nhà máy sản xuất phụ tùng xe đạp chẳng hạn, thì thường sản xuất sản phẩm đa dạng với số lượng không lớn. Robot không phải lúc nào cũng thích hợp với những công việc như vậy, nhưng nhà máy loại này có thể giải quyết vấn đề đó bằng cách tran bị nhiều thiết bị đa dạng cho tay gấp của robot nhằm cho phép robot có khả năng Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 11 - điều chỉnh nhanh chóng thiết bị công nghệ đáp ứng linh hoạt với nhiều dạng công việc khác nhau. 2.3. Một số định nghĩa về robot Viện Nghiên cứu robot Hoa Kỳ đưa ra một định nghĩa về robot như sau: “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). Định nghĩa robot còn được Mikell P.Groover, một nhà nghiên cứu hàng đầu trong lĩnh vực robot, mở rộng hơn như sau: “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”. Định nghĩa của M.P.Groover về robot không dừng lại ở tay máy mà mở rộng ra cho nhiều đối tượng khác có những đặc tính tương tự như con người như là 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. Theo Artobolevski I.I., Vorobiov M.V. và các nhà nghiên cứu thuộc trường phái khối SEV trước đây thì phát biểu rằng: “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 Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 12 - 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. Nhật Bản hiện nay là nước có số lượng robot dùng trong sản xuất công nghiệp nhiều nhất thế giới, khoảng hơn 70% trong tổng số chừng 300.000 robot công nghiệp trên toàn thế giới. Người Nhật có quan niệm dễ dãi hơn về robot: theo họ „robot là bất cứ thiết bị nào có thể thay thế cho lao động của con người‟. Trong công nghiệp Nhật Bản, những robot hay tay máy được điều khiển bằng cam cũng được liệt vào hàng ngũ robot. Theo đó, Hiệp Hội robot Công nghiệp Nhật Bản (JIRA - Japan Industrial Robot Association) đã phân loại robot thành sáu hạng, từ những tay máy do con người trực tiếp điều khiển từng động tác đến những robot thông minh được trang bị trí tuệ nhân tạo (theo Schlussel, 1985). 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 với “tự động hoá linh hoạt”, mà đại diện của chúng là những robot công nghiệp được điều khiển bằng chương trình, thay đổi được nhiệm vụ thao tác đặt ra một cách nhanh chóng. Một số nhà khoa học hàng đầu trong lĩnh vực robot của Nhật Bản đưa ra những định nghĩa về robot dưới dạng những yêu cầu như sau: - Theo Giáo sư Sitegu Watanabe (Đại học Tổng hợp Tokyo) thì một robot công nghiệp phải thỏa mãn yếu tố sau: . Có khả năng thay đổi chuyển động; . Có khả năng cảm nhận được đối tượng thao tác; . Có số bậc chuyển động (bậc tự do) cao; . Có khả năng thích nghi với môi trường hoạt động; Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 13 - . Có khả năng hoạt động tương hỗ với đối tượng bên ngoài. - Theo Giáo sư Masahiro Mori (Viện công nghệ Tokyo) thì robot công nghiệp phải có các đặc điểm sau: . Có khả năng thay đổi chuyển động; . Có khả năng xử lý thông tin (biết suy nghĩ); . Có tính vạn năng; . Có những đặc điểm của người và máy. Từ những khác biệt trong định nghĩa về robot, căn cứ vào tính linh hoạt của những hệ thống sản xuất có áp dụng robot P.J.McKerrow, một nhà nghiên cứu về robot của Úc đã đưa ra một định nghĩa ở một góc độ khác. Theo ông, robot là một loại máy có thể lập trình để thực hiện những công việc đa dạng tương tự như một máy tính, là một mạch điện tử có thể lập trình để thực hiện những công việc đa dạng. 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. Trước khi đi vào phân tích những nội dung tiếp theo, để bạn đọc có sự nhận dạng một cách thống nhất trong quá trình khảo sát, dưới đây sẽ trình bày một số phương pháp phân loại robot sử dụng trong công nghiệp. 2.4. Phân loại chung về robot Robot có thể phân loại theo nhiều tiểu chuẩn, số bậc tự do động học, hệ thống truyền động, dạng hình học của chi tiết gia công, các đặt tinh chuyển động. Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 14 - - Phân loại theo số bậc tự do: Một cách lý tưởng cơ cấu chấp hành phải có 6 bậc tự do để sử lý đối tượng một cách tự do trong không gian 3 chiều. Theo quan điểm này, robot đa năng có 6 bậc tự do và robot thiếu có nhất ít hơn 6 bậc tự do, robot dư có thêm một bậc tự do dể di chuyển qua các hướng chướng ngại vật hoặc trong không gian hẹp. Mặt khác, đối với một số ứng dụng đặt biệt, chẳng hạn lắp ráp các chi tiết trên mặt phẳng chỉ có robot 4 bậc tự do là đủ. - Phân loại theo cấu trúc động học: Robot được gọi là robot nối tiếp nếu cấu trúc động học có dạng chuỗi vòng hở, robot song song nếu có chuỗi vòng kín, và robot lai nếu có vòng kín và vòng hở. - Phân loại theo hệ thống truyền động: Có 3 hệ thống truyền động phổ biến là điện, thuỷ lực và khí nén được dùng cho robot. Hầu hết các cơ cấu chấp hành đều sử dụng động cơ bước hoặc động cơ trợ động DC, do chúng tương đối dễ điều khiển. Tuy nhiên khi cần tốc độ cao và khả năng mang tải cao, thường dùng chuyển động thủy lực hoặc khí nén có tính linh hoạt khá cao. Mặc dù truyền động khí nén sạch và nhanh nhưng khó điều khiển do không khí là chất khí nén được. Trong cơ cấu nối tiếp, nói chung một bộ tác động được dùng để điều khiển chuyển động của từng khớp. Nếu từng khâu chuyển động được truyền động bằng một bộ tác động lắp trên khâu trước đó thông qua hộp giảm tốc, sự dịch chuyển của khâu này về mặt động học là độc lập với khâu khác, đây là cơ cấu chấp hành nối tiếp quy ước. Mặt khác, nếu mỗi khớp được truyền động trực tiếp bằng bộ tác động không có hộp giảm tốc, cơ cấu đó được gọi là cơ cấu chấp hành truyền động trực tiếp. Việc dùng hộp giảm tốc cho phép sử dụng động cơ nhỏ hơn, do đó làm giảm quán tính của cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên, độ lệch khớp của của các bánh răng trong hộp giảm tốc có thể gây ra sai số vị trí ở bộ phận tác động. Kỹ thuật truyền động trực tiếp khắc phục được vấn đề bánh răng và có thể tăng tốc độ cho cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên, các động cơ truyền động trực tiếp Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 15 - tương đối lớn và nặng. Do đó chúng thường được dùng để truyền động khớp thứ nhất của cơ cấu chấp hành, động cơ được láp đặt ở đế. Nói chung động cơ cũng có thể được lắp đặt ở đế để truyền động khớp thứ hai hoặc khớp thứ ba thông qua đai kim loại hoặc khâu thanh đẩy. Một số cơ cấu chấp hành sử dụng bộ cánh bánh răng, xích và đĩa để truyền động các khớp. Khi sử dụng hệ thống truyền động này cho cơ cấu chấp hành qua nhiều khớp, độ dịch chuyển của sẽ phụ thuộc lẫn nhau. Các cơ cấu chấp hành kiểu đó gọi là vòng kín. - Phân loại theo hình dạng hình học không gian làm việc: Không làm việc của cơ cấu chấp hành được xác định là thể tích không gian đầu tác động có thể với tới. Nói chung, thường sử dụng hai định nghĩa về không gian làm việc. Thứ nhất là không gian có thể với tới, thể tích không gian trong cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm theo ít nhất là một chiều. Thứ hai là không gian linh hoạt, thể tích không gian trong đó cơ cấu tác động có thể với tới từng điểm theo mọi chiều có thể. Không là một phần của không gian có thể với tới. Mặc dù đây không phải điều kiện cần, nhưng nhiều cơ cấu chấp hành nối tiếp được thiết kế với 3 khâu đầu dài hơn các khâu còn lại, do đó 3 khâu này được dùng chủ yếu để thao tác vị trí, các khâu còn lại được dùng để điều khiển hướng của đầu tác dụng. Vì lí do đó 3 khâu đầu được gọi là cánh tay, các khâu còn lại được gọi là cổ tay. Trừ các cơ cấu chấp hành có bậc tự do lớn hơn là 6, cánh tay thường có 3 bậc tự do, cổ tay có 1-3 bậc tự do. Hơn nữa, bộ cổ tay thường được thiết kế với các trục khớp cắt nhau tại một điểm chung gọi là tâm cổ tay. Bộ cánh tay có thể có nhiều kiểu cấu trúc động học, tạo ra các biên làm việc khác nhau, được gọi là vùng không gian làm việc. Không gian do nhà sản xuất Robot cung cấp thường được xác định theo không gian làm việc. Tay máy được gọi là robot trụ nếu khớp thứ nhất hoặc khớp thứ hai của robot Cartersian (Hình 8e) được thay thế bằng khớp quay. Tay máy được là Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 16 - Robot cầu nếu hai khớp đầu là khớp quay khác nhau và khớp thứ 3 là khớp lăng trụ (Hình 8a). vị trí tâm cổ tay của Robot cầu là tập hợp các toạ độ cầu liên quan với 3 biến khớp nối. Do đó trong không gian làm việc của Robot cầu được giới hạn theo hai khối cầu đồng tâm. Tay máy được gọi là Robot quay nếu cả 3 khớp đều là khớp quay. Không gian làm việc của Robot này rất phức tạp thường có tiết diện hình xuyến. Nhiều Robot công nghiệp là loại Robot quay (Hình 8c). Hình 8: Mô hình một số tay máy thông dụng Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 17 - 3. Robot song song 3.1. Một số ưu, nhược điểm của robot song song Nhìn chung, tất cả các lọai Robot có cấu trúc song song đều có nhiều ưu điểm và có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, các bộ mô hình máy bay, các khung đỡ kiến trúc có khớp nối điều chỉnh, các máy khai thác mỏ ... 3.1.1. Ưu điểm - Khả năng chịu tải cao: các thành phần cấu tạo nhỏ hơn nên khối lượng của các thành phần cũng nhỏ hơn. - Độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng: . Tất cả các lực tác động đồng thời được chia sẻ cho tất cả các chân. . Cấu trúc động học một cách đặc biệt của các khớp liên kết cho phép chuyển tất cả các lực tác dụng thành các lực kéo/nén của các chân. - Có thể thực hiện được các thao tác phức tạp và họat động với độ chính xác cao: với cấu trúc song song, sai số chỉ phụ thuộc vào sai số dọc trục của các cụm cơ cấu chân riêng lẻ và các sai số không bị tích lũy. - Có thể thiết kế ở các kích thước khác nhau. - Đơn giản hóa các cơ cấu máy và giảm số lượng phần tử do các chân và khớp nối được thiết kế sẵn thành các cụm chi tiết tiêu chuẩn. - Cung cấp khả năng di động cao trong quá trình làm việc do có khối lượng và kích thước nhỏ gọn. - Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền. - Tầm hoạt động của Robot cơ cấu song song rất rộng từ việc lắp ráp các chi tiết cực nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao như: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp... Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 18 - - Các Robot cơ cấu song song làm việc không cần bệ đỡ và có thể di chuyển tới mọi nơi trong môi trường sản xuất. Chúng có thể làm việc ngay cả khi trên thuyền và treo trên trần, tường ... - Giá thành của các Robot song song ứng dụng trong gia công cơ khí ít hơn so với máy CNC có tính năng tương đương. 3.1.2. Nhược điểm Tuy nhiên các Robot song song cũng có những nhược điểm nhất định khi so sánh với các Robot chuỗi như: - 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 (kỳ dị) trong không gian làm việc. 3.2. Cấu trúc robot song song 3.2.1. Cấu trúc cơ cấu Cũng như các robot thông thường, robot song song là loại robot có cấu trúc vòng kín trong đó các khâu (dạng thanh) được nối với nhau bằng các khớp động. Sơ đồ động cơ cấu tay máy thông thường là chuỗi nối tiếp các khâu động, từ khâu cuối (là khâu trực tiếp thực hiện thao tác công nghệ) đến giá cố định. Còn trong Robot song song, khâu cuối được nối với giá cố định bởi một số mạch động học, tức là nối song song với nhau. Sự khác nhau về sơ đồ động đó cũng tạo nên nhiều đặc điểm khác biệt về động học và động lực học. 3.2.2. Khâu, khớp, chuỗi động và cơ cấu chấp hành của cơ cấu song song - Khâu: Là phần có chuyển động tương đối với các phần khác trong cơ cấu. Chúng ta coi các khâu là vật rắn, điều đó làm cho việc nghiên cứu các kết cấu, robot được dễ dàng hơn. Tuy nhiên với các cơ cấu tốc độ cao hoặc mang tải lớn thì hiện tượng đàn hồi của vật liệu trở nên quan trọng đáng kể và chúng ta phải xét đến. Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 19 - - Khớp: Là chuỗi động giữa hai khâu. Tùy theo cấu trúc, môi khớp hạn chế một số chuyển động giứa hai khâu, bề mặt tiếp xúc của mỗi khâu tại khớp gọi là thành phần khớp. Hai thành phần của khớp tạo thành một khớp động. Khớp động có thể phân thành khớp thấp và khớp cao tuy thuộc vào dạng tiếp súc. . Khớp thấp: Nếu hai thành phần tiếp xúc là bề mặt. . Khớp cao: Nếu hai thành phần tiếp xúc là điểm hoặc đường. Có 6 loại khớp thấp và 2 loại khớp cao cơ bản thường được dùng trong các cơ cấu máy và các robot, đó là: . Khớp quay (Revolute Joint - R): khớp để lại chuyển động của khâu này đối với khâu khác quanh một trụ quay. nghĩa là khớp quay hạn chế 5 khả năng chuyển động giữa hai thành phần của khớp và có một bậc tư do. . Khớp lăng trụ (Prismatic Joint - P): cho phép 2 khâu trược trên một trục. Do đó khớp lăng trụ hạn chế 5 khả năng chuyển động tương đối giữa hai khâu và có một bậc tự do. Người ta cũng thường gọi khớp lăng trụ là khớp tịch tiến. . Khớp trụ (Cylindrical joint - C): cho phép hai chuyển động độc lập, gồm một chuuyển động quay quanh một trục và một chuyển động tịch tiến theo trục đó. Do đó khớp trụ hạn chế 4 khả năng chuyển dộng giữa hai khâu và có hai bậc tự do. . Khớp ren (Helical Joint - H): cho phép chuyển động quay quanh trục đồng thời tịch tiến theo trục quay. Tuy nhiên chuyển động tịch tiến phụ thuộc vào chuyển động quay bởi bước của ren vít. Do đó, khớp ren hạn chế 5 chuyển động tương đối giữa hai khâu và còn lại 1 bậc tự do. . Khớp cầu (Spherical Joint - S): cho phép chuyển động quay giữa hai thành phần khớp tâm cầu theo tất cả các hướng, nhưng không có chuyển động tịch tiến giữa hai thành phần khớp này. do đó khớp cầu hạn chế 3 khả năng chuyển động và có 3 bậc tự do. Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 20 - . Khớp phằng (Plane Joint - E): có hai khả năng chuyển động tịch tiến theo hai trục trong mặt tiếp xúc và khả năng quay quanh trục vuông góc với mặt tiếp xúc. Do đó khớp phẳng hạn chế 3 khả năng chuyển động và có 3 bậc tự do. . Khớp bánh răng phẳng (Gear Pair - G): cho hai bánh răng ăn khớp với nhau. Các mặt tiếp xúc đẩy nhau, chúng thường trược lên nhau. Do đó khớp bánh răng hạn chế 4 khả năng chuyển động tương đối giữa hai thành phần khớp và còn lại hai bậc tự do. . Khớp cam phẳng (Cam Pair - Cp): tương tự như khớp bánh răng, hai thành phần khớp luôn tiếp xúc với nhau. Do đó, khớp cam phẳng có hai bậc tư do. 3.3. Một số lĩnh vực nghiên cứu - Phân tích cấu trúc tay máy song song: . Cơ cấu chấp hành song song phẳng là loại cơ cấu có 3 chuỗi động học. Sử dụng các khớp quay và lăng trụ theo cặp động học, ta có 7 cách bố trí chuỗi động học là RRR, RRP, RPR, PRR, RPP, PRP và PPR. Hình 9: Cách bố trí các chuỗi động học của cơ cấu chấp hành song song phẳng Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 21 - Hình 10: Cấu trúc chấp hành song song 3PRP . Cơ cấu chấp hành song song cầu: Các thông số chuyển động đối với cơ cấu này bằng 3. Yêu cầu liên kết trong cơ cấu này là đồng nhất với cơ cấu chấp hành song song phẳng. Trong cơ cấu chấp hành liên kết cầu, loại khớp được phép là khớp quay, tất cả các trục khớp phải giao nhau tại một điểm chung, đó là tâm hình cầu, cấu trúc nhánh duy nhất được phép là cấu trúc RRR. Chú ý rằng một khớp cầu có thể được lắp ở tâm của cơ cấu hành song song cầu. Tuy nhiên, khớp cầu như thế chỉ có thể là khớp thụ động, vì các bộ tác động hiện hữu không thể truyền động cho khớp đó. Vì thế, nếu dùng 1 khớp cầu, cần có thêm 3 chân để tác động song song bệ chuyển động. Hình 11: Cấu trúc chấp hành kiểu cầu 3RRR Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 22 - . Robot song song không gian: Hình 12: Một số cấu trúc chân của robot song song không gian Một trong những robot song song không gian được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm là tấm dịch chuyển Stewart [3]. Đây là cơ cấu chấp hành 6-SPS, 6 bậc tự do. Sáu nhánh nối bệ di động với đế cố định bằng các khớp cầu. Mỗi nhánh gồm phần trên và phần dưới nối với nhau bằng khớp lăng trụ. Trục vít hoặc kích thủy lực được dùng để thay đổi chiều dài khớp lăng trụ và do đó điều khiển vị trí bệ. Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 23 - Hình 13: Tấm dịch chuyển Stewart Một robot song song khác là loại robot Delta [1]. Đây là loại robot 3 bậc tự do. Các chuỗi động học của loại robot này là loại RRPaR với một động cơ được gắn vào khớp quay quanh trục w. Hình 14: Robot Delta Robot song song 3RPS: Robot song song 3RPS thường được thiết kế để mang phôi gia công và được lắp đặt trên bàn gá phôi của máy phay. Ba chân với chiều dài có thể thay đổi được điều bởi các xi lanh thuỷ lực sẽ dẫn bệ động di động mang phôi chuyển động theo quỹ đạo xác định trước. Hai đầu của các chân một đầu được liên kết với đế cố định bằng khớp bản lề và một đầu được liên kết với bệ di động bằng khớp cầu. Ưu điểm của loại robot này là khối Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 24 - lượng nhỏ, cấu trúc gọn nhẹ, độ cứng vững cao, có 3 bậc tự do và độ chính xác cao. Tất cả các thành phần cơ khí được lựa chọn và thiết kế càng nhỏ gọn càng tốt và không có khe hở theo chiều dọc trục của các chân, các chân được điều khiển của robot được dẫn động bằng các cơ cấu chấp hành tuyến tính. Hình … mô tả sơ đồ của robot này. . Chi tiết 1: Bàn di động có 3 bậc tự do trong không gian, trong trường hợp cụ thể ở đây là phần mặt dùng để gá dụng cụ cắt kim loại (đầu dao phay,…) hoặc lắp đồ gá phôi (thước chia độ, kẹp phôi gia công,…) có dạng tam giác (thường là tam giác đều). Trên bàn di động thường lắp các đồ gá để kẹp chi tiết hoặc lắp đặt động cơ-đài dao gia công. Bàn được thiết kế có các lỗ, chốt định để lắp đồ gá. Đồ gá được lắp chặt trên bàn di động bằng các bu lông. . Chi tiết 2: Là một xi lanh thuỷ lực một đầu nối với bàn cố định bằng khớp bản lề và một đầu còn lại được nối với bàn di động bằng khớp cầu. . Chi tiết 3: Là khớp cầu. . Chi tiết 4: Là khớp bản lề. . Chi tiết 5: Đế cố định. Hình 15: Cấu trúc chấp hành song song 3RPS Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 25 - - Động học thuận: Bài toán động học thuận nhắm xác định vị trí và góc hướng của khâu tác động cuối từ tọa độ của các khớp tác động. Bài toán này rất cần thiết cho vấn đề điều khiển và dùng để giải hệ các phương trình động học ngược. Không có phương pháp giải tổng quát của bài toán này do có rất nhiều cấu trúc tay máy song song. Nhóm tác giả Jean-Charles Faugère, Jean-Pierre Merlet và Fabrice Rouillier đã dùng cơ sở Gröbner để giải bài toán động học thuận của tấm dịch chuyển Gough. Nhóm tác giả đã giải một bài toán cụ thể và tìm ra được 40 nghiệm thực. Ngoài ra, nhóm tác giả cũng đã khảo sát thời gian tính toán của máy tính để áp dụng giải bài toán trong thời gian thực tế [9]. Ghasem Abbasnejad, Soheil Zarkandi và Misagh Imani đã dùng phương pháp HCM (Homotopy Continuation Method) để giải bài toán động học thuận của tay máy 3-PRS. Qua đó, nhóm tác giả đã so sánh phương pháp HCM với phương pháp Newton-Raphson. Họ đã giải một tình huống cụ thể và đã tìm ra được 6 lời giải cho bài toán đó [13]. Hình 16: Tay máy song song 3-PRS Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 26 - - Khảo sát vùng làm việc: Chuyển động của tay máy song song bị giới hạn bởi nhiều yếu tố như giới hạn về mặt cơ khí của các khớp liên kết, giới hạn của các bộ chuyển động,… Các loại vùng làm việc: . Vùng làm việc góc hướng hằng (constant orientation workspace) [4]: là vùng mà vị trí tâm của tấm dịch chuyển có thể đạt được với góc hướng cố định. . Vùng làm việc góc hướng (orientation workspace): là các góc hướng mà tâm của tấm dịch chuyển có được khi tọa độ tâm của tấm dịch chuyển cố định tại một điểm. . Vùng làm việc góc hướng thay đổi (variable orientation workspace) [4]: là vùng mà vị trí tâm của tấm dịch chuyển đạt được với góc hướng trong khoản cho trước. . Vùng làm việc toàn hướng (total orientation workspace) [4]: là vùng mà vị trí tâm của tấm dịch chuyển đạt được với tất cả các góc hướng trong khoản cho trước. Các phương pháp khảo sát vùng làm việc: . Phương pháp hình học: Mục đích của phương pháp này là xác định biên của vùng làm việc. Alexxandre Lecours và Clément Gosselin [12] đã trình bày thuật giải dựa trên phương pháp hình học để tìm vùng làm việc của tay máy 3-PRPR, hay còn gọi là Tripteron (hình ). Tripteron có 3 chân với bố trí các khớp tuần tự là P (khớp tịnh tiến), R (khớp quay), P và R. Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 27 - Hình 17: Tripteron Mohammad M. Aref và Hamid D. Taghirad [14] đã sử dụng phương pháp hình học để khảo sát tay máy KNTU. Đây là loại tay máy có bộ tác động là 8 sợi cáp cuốn. Hình 18: Tay máy KNTU . Phương pháp khảo sát không gian tham số [5]: đây là phương pháp mà vùng không gian khảo sát được chia thành lưới các điểm (hay còn gọi là các nút) cố định theo hệ tọa độ Descartes hoặc theo tọa độ cầu. Tại các nút ấy là tâm của khâu tác động cuối và tiến hành kiểm tra các ràng buộc, nếu thỏa thì nút ấy thuộc vùng làm việc. Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 28 - Phương pháp này có những đặc điểm sau: độ chính xác của biên phụ thuộc vào số bước lấy mẫu dùng để tạo lưới, thời gian khảo sát phụ thuộc và tỷ lệ với số bước lấy mẫu và vùng làm việc được thể hiện bởi các điểm. - Tĩnh học và phân tích độ cứng vững: Khi cơ cấu chấp hành thực hiện công việc đã định, bộ tác động cuối sẽ tác động lực và moment lên môi trường ngoài tại điểm tiếp xúc. Lực và moment này được tạo ra do các bộ tác động thiết lập tại những điểm nối kết khác nhau. Trong cơ cấu song song, lực bộ tác động truyền qua nhiều đường dẫn song song đến bộ tác động cuối. Cơ cấu chấp hành song song phức tạp hơn cơ cấu chấp hành nối tiếp do có nhiều vòng kín. Do đó cần tìm các phương trình cân bằng lực và moment cho từng khâu và giải đồng thời các phương trình này. Nếu chỉ xét các lực và moment truyền động, có thể áp dụng nguyên lý công ảo. Có hai phương pháp để phân tích tĩnh học và độ cứng vững cơ cấu chấp hành tay máy song song là giản đồ vật thể tự do và nguyên lý công ảo. Phương pháp giản đồ vậ thể tự do sử dụng tất cả các phản lực tác dụng lên các khớp hoạt động và các khớp thụ động. Nguyên lý công ảo có tính trực tiếp, chỉ sử dụng các lực khớp hoạt động. Nếu không xét trọng lực, các lực khớp hoạt động liên hệ với các lực bộ tác động cuối theo chuyển vị ma trận Jacobi. - Động lực học: Động lực học cơ cấu chấp hành song song đã được nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây nhưng hiện tại có rất ít tài liệu về lĩnh vực nghiên cứu này. Việc phân tích động lực học cơ cấu này gặp rất nhiều khó khăn do sự hiện diện của nhiều chuỗi vòng kín. Nhiều phương pháp đã được các nhà khoa học nghiên cứu như hệ phương trình Newton-Euler, hệ phương trình Lagrange, nguyên lý công ảo,… Phương pháp Newton-Euler đòi hỏi các phương trình chuyển động phải được viết cho từng vật thể trong cơ cấu, nên có rất nhiều phương trình và hiệu suất tính toán thấp. Quy trình giải bằng phương pháp Newton-Euler gồm 5 bước: Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 29 - . Thực hiện phân tích động học đảo cho cơ cấu. Trước hết tính vị trí, vận tốc và gia tốc các khớp cầu chuyển động trong các phương trình chuyển động bệ. Kế tiếp tìm vị trí, vận tốc, gia tốc của tâm khối lượng và vận tốc góc, gia tốc góc của mỗi nhánh. . Cơ cấu chấp hành được chia thành tấm dịch chuyển và các nhánh truyền động vòng hở bằng cách chia cắt tại các khớp chuyển động. . Xét từng nhánh theo hệ thống con, thiết lập phương trình chuyển động Euler tại các khớp cố định của mỗi nhánh. Xác định một số phản lực tại các khớp chuyển động. . Tìm các phản lực còn lại bằng cách lập công thức các phương trình chuyển động Newton và Euler của bệ. . Tìm lực tác động. Phương pháp Lagrange loại bỏ mọi phản lực và moment, hiệu quả hơn phương pháp Newton-Euler nhưng do có nhiều ràng buộc từ các vòng kín nên việc thiết lập các phương trình chuyển động theo tập hợp các tọa độ độc lập tổng quát hóa trở nên khó khăn. Để đơn giản hóa, có thể dùng thêm các tọa độ và tập hợp các thừa số Lagrange. Hiện nay, nguyên lý công ảo là phương pháp phân tích hiệu quả nhất. Bước cơ bản khi áp dụng phương pháp này là xác định các ma trận Jacobi khớp liên hệ trạng thái vận tốc của các nhánh với trạng thái vận tốc của bệ di động. Sử dụng nguyên lý công ảo, các phương trình động lực học chuyển động đối với cơ cấu chấp hành phức tạp có thể được rút gọn. Phương pháp này hiệu quả hơn phương pháp Newton-Euler, có thể được dùng để xác định sự điều khiển thời gian thực cho cơ cấu chấp hành song song. 3.4. Ứng dụng của tay máy song song Tay máy song song đã được ứng dụng rộng rãi vào trong cuộc sống. Một số ứng dụng cụ thể của tay máy song song gồm: Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 30 - - Ứng dụng trong công nghiệp: Vào năm 1947, Eric Gough đã đưa ra các nguyên lý cơ bản và phát triển thiết bị tên là “Universal Tyre-Testing Machine” (hay còn gọi là Universal Rig) dùng để kiểm tra lốp xe cho hãng Dunlop. Thiết bị này chính thức đi vào vận hành vào năm 1955. Tấm dịch chuyển của thiết bị này có hình lục giác, mỗi góc nối với các khâu tác động tuyến tính bằng các khớp cầu. Đầu còn lại của các khâu tác động được nối với bệ bằng các khớp cardan. Các khâu có chiều dài thay đổi do cơ cấu dẫn động tịnh tiến. Thiết bị này vẫn sử dụng đến năm 2000. Hiện nay, thiết bị này đang được trưng bày tại Viện bảo tàng khoa học Anh. Hình 19: Tấm dịch chuyển Gough Một loại tay máy khác được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp là robot Delta. Robot song song Delta được sáng chế bởi Reymond Clavel vào đầu thập niên 1980 với ý tưởng là dùng các hình bình hành để chế tạo robot song song có 3 bậc tự do chuyển động tịnh tiến và một bậc chuyển động quay. Robot Delta đã nhận được 36 bằng phát minh, trong đó có những bằng sáng chế quan trọng như của WIPO (WO 87/03528 cấp này 18/06/1987), bằng sáng chế Hoa Kỳ (US 4,976,582 cấp ngày 11/12/1990) và bằng sáng chế châu Âu (EP 0 250 470 cấp ngày 17/07/1991). Robot Delta được dùng trong dây chuyền đóng gói thực phẩm, làm thiết bị nâng gắp… Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 31 - Hình 20: Sơ đồ của robot Delta và ứng dụng nâng gắp trong công nghệ thực phẩm - Dùng làm thiết bị mô phỏng: Vào năm 1965, Stewart [3] đã đề xuất sử dụng cơ cấu song song để làm thiết bị mô phỏng bay. Hình 21: Tấm dịch chuyển Stewart École Nationale d‟E1quitation (Pháp) đã phát triển một thiết bị được đặt tên là Persival dùng để huấn luyện các nài ngựa. Sản phẩm này đã được thương mại hóa. Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 32 - Hình 22: Sản phẩm Persival của École Nationale d‟E1quitation (Pháp) KAIST (Hàn Quốc) đã phát triển thiết bị mô phỏng xe đạp. Motek đã chế tạo Caren dùng để huấn luyện thể thao và phục hồi chức năng cho người bệnh và khuyết tật. Hình 23: Bộ mô phỏng xe đạp của KAIST và sản phẩm Caren của Motek - Dùng trong y học: Công ty Elekta (Thụy Điển), một công ty chuyên về các trang thiết bị y tế đã dùng robot Delta để làm thiết bị nâng giữ kính hiển vi có khối lượng 20 kg dùng trong việc giải phẫu. Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 33 - Hình 24: SurgiScope đang vận hành ở Surgical Robotics Lab, Đại học Humboldt (Berlin, Đức) Một dự án của châu Âu chế tạo robot CRIGOS (viết tắt của chữ Compact Robot for Image Guided Orthopedic) sử dụng cơ cấu Gough-Stewart nhằm cung cấp cho các bác sĩ phẫu thuật với một công cụ hiệu suất cao cho phẫu thuật xương. Hình 25: Robot CRIGOS dùng để phẫu thuật tái tạo xương - Các ứng dụng khác: . Phòng thí nghiệm PCR tại Đại học Kỹ thuật Sharif đã thiết kế, mô phỏng, phân tích động học và chế tạo một loại tay máy song song dùng để leo Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 34 - cột điện thay bóng đèn thay cho công nhân. Đây là loại robot có 3 chuỗi động học, mỗi chuỗi động học được bố trí các khớp là UPU (U: khớp cardan, P: khớp lăng trụ). Hình 26: Robot leo cột của Phòng thí nghiệm PCR 3.5. Các nghiên cứu tại Việt Nam - Các tác giả Phạm Văn Bạch Ngọc, Vũ Thanh Quang, Đỗ Trần Thắng và Phạm Anh Tuấn tại Phòng Cơ Điện tử, Viện Cơ học đã lựa chọn mô hình, mô phỏng động lực học và tính toán thiết kế để chế tạo một robot cơ cấu song song cụ thể (Hexapod) ứng dụng trong gia công cơ khí. Các máy công cụ truyền thống sau khi thêm bộ đồ gá vạn năng có thể gia công được những chi tiết có bề mặt phức tạp mà trước đây không thực hiện được [15, 16]. Nhóm tác giả cũng đã chế tạo thành công thiết bị này và thiết bị hiện đang được trưng bày tại Viện Cơ học. Ưu điểm nổi bật của loại robot này là bề mặt tấm đế di động của robot có thể chuyển động tự do linh hoạt, vì vậy việc tạo hình bề mặt được thực hiện dễ dàng hơn và đạt yêu cầu về độ chính xác cao hơn. Kết cấu động học của robot song song có độ cứng vững cao và chịu được tải trọng lớn mặc dù kích thước robot nhỏ. Tầm hoạt động của robot rất rộng, từ việc lắp ráp các chi tiết cực nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp đòi hỏi độ chính Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 35 - xác cao như: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp... Ngoài ra, robot song song dễ dàng được lắp đặt ở các vị trí và các hướng khác nhau (trên thuyền và treo trên trần, tường...). Điểm sáng tạo trong nghiên cứu là việc thiết kế, phát triển và tích hợp hoàn chỉnh một hệ điều khiển (phần cứng và phần mềm) cho Hexapod với 2 phần chính là: . Phần mềm SACR 1.0 (Simulation and Control of robot), dùng cho thiết kế quĩ đạo, mô phỏng và điều khiển robot. Đặc biệt, SACR đã được phát triển là hệ mở và tổng quát để có thể sử dụng cho các loại robot khác nhau. . Bộ điều khiển vị trí đa trục có chức năng điều khiển phối hợp đồng thời sáu bộ truyền động cho 6 cơ cấu chấp hành của PR6-01. Hình 27: Mô hình thiết bị đồ gá và thiết bị thực tế tại Viện Cơ học - Nhóm tác giả Nguyễn Minh Thạnh, Nguyễn Ngọc Lâm, Trần Công Tuấn và Nguyễn Công Mậu đã trình bày cách tiếp cận những cấu hình đặc biệt của tay máy song song bằng cách xem xét số bậc tự do của khâu ra và số lượng các chuỗi động học phụ liên kết với nền và khâu ra. Lý thuyết A.P. Kotelnikov cũng đã được dùng trong nhóm vít duy nhất biểu diễn những nhóm dịch chuyển để loại trừ dịch chuyển không-điều khiển của khâu ra [8]. - Phòng Cơ Điện tử (Viện Cơ học) [18] đã đưa ra một giải pháp hoàn chỉnh điều khiển robot cơ cấu song song, phân tích xử lý song song, xử lý phân tán và ứng dụng nguyên lý Hardware-in-the-Loop trong mô phỏng điều khiển. Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 36 - - Các tác giả Trần Công Tuấn, Nguyễn Minh Thạnh [5] sử dụng phương pháp điều tra không gian tham số để khảo sát vùng làm việc của tay máy song song có các dẫn động phân bố bên ngoài không gian làm việc. - Các nhà nghiên cứu tại bộ môn Cơ Điện tử, Khoa Cơ khí, Đại học Bách Khoa Tp.HCM là Từ Diệp Công Thành và Đặng Văn Nghìn [17] đã nghiên cứu và chế tạo bộ điều khiển cho robot song song. Do có cấu trúc khác với cấu trúc nối tiếp, nên nếu dùng các phương pháp điều khiển thông thường thì tính đáp ứng của robot sẽ chậm. Nhóm tác giả đã chế tạo bộ điều khiển robot có 6 khâu động học độc lập kết hợp với giải thuật điều khiển song song để tăng tính đáp ứng và linh hoạt cho robot. Hình 28: Sơ đồ khối của bộ điều khiển song song - Các tác giả Thái Thị Thu Hà, Hồ Thanh Tâm đã nghiên cứu ứng dụng robot song song trong máy đo tọa độ CMM [17]. - Nhóm nghiên cứu Đặng Bảo Lâm, Phạm Minh Hải và Phan Văn Đồng đã nghiên cứu thuật toán tìm miền làm việc của họ robot song song phẳng 3 bậc tự do [18]. - Nhóm tác giả Nguyễn Thiện Phúc, Trần Minh Nghĩa và Nguyễn Đình Nin đã nghiên cứu tạo dựng robot song song loại hexa [19]. Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 37 - - Các tác giả Võ Quang Vinh, Lâm Hùng Sơn, Võ Thu Hà đã nghiên cứu vấn đề điều khiển tối ưu chuyển động tay máy song song, VICA6, Hà Nội, 2005 [20]. - Bùi Quang Được, Đặng Văn Nghìn đã nghiên cứu để thiết kế, chế tạo robot Crane [21]. - Lê Thanh Thủy, Phạm Anh Tuấn, Phạm Văn Bích Ngọc, Đỗ Trần Thắng đã tiến hành mô phỏng động lực học robot cơ cấu song song [22]. - Hồ Đắc Hiền đã giải bài toán động học ngược cơ cấu Hexapod 6 CTC [23]. - Tác giả Hồ Đắc Hiền đã thiết kế động học máy cắt gọt kim loại Hexapod bằng mô phỏng [24]. 3.6. Các hướng nghiên cứu mở rộng Ta nhận thấy một điều là có một số lượng lớn các nghiên cứu về động học và tĩnh học tay máy song song và các vấn đề đã được giải quyết rốt ráo. Tuy nhiên còn có ít nghiên cứu về động lực học và điều khiển, và cũng có ít bài báo về phân tích vùng làm việc và phân tích các cấu hình đặc biệt, chỉ giải quyết từng phần của vấn đề chứ chưa hề có được sự phân tích trọn vẹn và hoàn chỉnh. Một vài vấn đề còn để mở trong lĩnh vực tay máy song song đang thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong thời gian sắp tới, bao gồm: - Về động lực học và điều khiển: nghiên cứu đáp ứng động lực học của tay máy thông qua việc mô phỏng và sử dụng các công cụ phân tích/số học, khám phá các khả năng của các chiến lược điều khiển đặc biệt đem lại ưu điểm cho cấu trúc song song của tay máy và cải thiện các tác vụ, từ đó rút ra các kết quả liên quan đến việc quan sát và điều khiển. - Về vùng làm việc và cấu hình đặc biệt: việc mô tả vùng làm việc một cách chi tiết và dễ sử dụng, tìm hiểu tất cả các tính chất của các dạng cấu hình đặc Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 38 - biệt, nghiên cứu việc phân đoạn vùng làm việc bởi các dạng cấu hình đặc biệt, tổng hợp vùng làm việc của tay máy song song, và thiết lập các tiêu chuẩn cho các đường đi không có cấu hình đặc biệt với một thế cho trước. - Về thiết kế: tổng hợp động học tối ưu của tay máy để thu được vùng làm việc có điều kiện tốt, phát triển các tay máy song song có bậc tự do thừa và tìm hiểu các đặc tính của nó, so sánh các tay máy song song không có bậc tự do thừa với các tay máy song song có bậc tự do thừa thông qua việc vận hành, ưu điểm của từng loại. 4. Kết luận Trong chuyên đề này, chúng ta đã điểm lại quá trình hình thành và phát triển của lĩnh vực nghiên cứu robot. Từ đó chúng ta tìm hiểu kỹ hơn về robot song song, một loại cấu trúc robot mới đang được các nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm nghiên cứu. Chúng ta đã tìm hiểu về các đặc điểm của robot song song, các bài toán mà các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu về loại robot này như cấu trúc hình học, động học, tĩnh học, động lực học,... Ngoài ra chúng ta cũng đã điểm qua những hướng nghiên cứu mở rộng mà các nhà khoa học chưa tập trung nhiều. Tại Việt Nam, các nhà nghiên cứu cũng đã có nhiều công trình về loại robot này, nhưng chủ yếu là nghiên cứu về tấm dịch chuyển Stewart. Và xu hướng sắp tới sẽ có một sự gia tăng đáng kể các công trình nghiên cứu loại robot này tại Việt Nam trong thời gian sắp tới. 5. Tài liệu tham khảo [1] Bonev I.A., Delta parallel robot – The story of success, May 6, 2001, [2] Trần Thế San, Cơ sở nghiên cứu & sáng tạo robot, Nhà xuất bản Thống kê, 2003. Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 39 - [3] Stewart D., A platform with 6 degrees of freedom, Proc. Of the Institution of mechanical engineers, 180 (Part 1, 15):371-386, 1965. [4] Jean-Pierre Merlet (2000), Parallel Robots, Kluwer Academic Publishers. [5] Trần Công Tuấn, Nguyễn Minh Thạnh, Mô hình hóa vùng làm việc của tay máy song song có các dẫn động phụ phân bố bên ngoài vùng làm việc bằng phương pháp điều tra không gian tham số, Tuyển tập báo cáo khoa học kỷ niệm 25 năm thành lập Viện nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa, trang 77-91, 2010. [6] Wisama Khalil, Ouarda Ibrahim (2007), General Solution for the Dynamic Modeling of Parallel Robots, Journal of Intelligent and Robotics Systems, Vol. 49, Issue 1, pp. 19-37, 2007. [7] Jean-Charles Faugère, Jean-Pierre Merlet, Fabrice Rouillier, On solving the direct kinematics problem for parallel robots, Unité de recherche INRIA Rocquencourt. [8] Jean-Pierre Merlet, Parallel robots – Open problems, Robotics Research, Proceedings of the 9th International Symposium, Snowbird, UT, United Kingdom, 9-12 Oct. 1999, pp. 27-32, 2000. [9] Lionel Birglen, Haptic Devices Based on Parallel Mechanisims - State of the Art, [10] Alexandre Lecours, Clément Gosselin, Determination of workspace of a 3-PRPR Parallel Mechnism for Human-Robot Collaboration, Transaction of the Canadian Society for Mechanical Engineering, Vol. 33, No. 4, 2009. [11] Ghasem Abbasnejad, Soheil Zarkandi, and Misagh Imani, Forward Kinematics Analysis of a 3-PRS Parallel Manipulator, World Academy of Science, Engineering and Technology, 61, 2010. Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 40 - [12] Mohammad M. Aref and Hamid D. Taghirad, Geometrical Workspace Analysis of a Cable-Driven Redundan Parallel Manipulator: KNTU CDRPM, 2008 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Acropolis Convention Center, Nice, France, Sept, 22-26, 2008. [13] Phạm Văn Bạch Ngọc, Vũ Quang Thắng, Đỗ Trần Thắng, Phạm Anh Tuấn, Mô phỏng và thiết kế Hexapod cho gia công cơ khí chính xác, Hội nghị toàn quốc lần 2 về Cơ Điện tử, Tp.HCM, 2004. [14] Phạm Văn Bạch Ngọc, Vũ Quang Thắng, Đỗ Trần Thắng, Phạm Anh Tuấn, Thiết kế robot cơ cấu song song (Hexapod) ứng dụng trong gia công cơ khí chính xác, báo cáo tại Hội nghị Cơ học toàn quốc nhân dịp 25 năm thành lập Viện Cơ học, 04/2004. [15] Từ Diệp Công Thành, Đặng Văn Nghìn, Bộ điều khiển Parallel Robot, Bộ môn Cơ Điện tử, Khoa Cơ khí, Đại học Bách Khoa Tp.HCM. [16] Đinh Công Huân, Vương Thị Diệu Hương, Đỗ Thị Ngọc Oanh, Nguyễn Huy Thụy, Phạm Anh Tuấn, Một giải pháp điều khiển robot cơ cấu song song, Hội nghị toàn quốc lần 2 về Cơ Điện tử, Tp.HCM, 2004. [17] Thái Thị Thu Hà, Hồ Thanh Tâm, Ứng dụng robot song song trong máy đo tọa độ CMM, VICA6, Hà Nội, 2005. [18] Đặng Bảo Lâm, Phạm Minh Hải, Phan Văn Đồng, Thuật toán tìm miền làm việc của họ robot sonng song phẳng 3 bậc tự do, VICA6, Hà Nội, 2005. [19] Nguyễn Thiện Phúc, Trần Minh Nghĩa, Nguyễn Đình Nin, Nghiên cứu tạo dựng robot song song loại HEXA, VICA6, Hà Nội, 2005. [20] Võ Quang Vinh, Lâm Hùng Sơn, Võ Thu Hà, Điều khiển tối ưu chuyển động tay máy song song, VICA6, Hà Nội, 2005. [21] Bùi Quang Được, Đặng Văn Nghìn, Thiết kế, chế tạo robot Crane, Hội nghị toàn quốc lần 1 về Cơ Điện tử, Hà Nội, 2002. Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 41 - [22] Lê Thanh Thủy, Phạm Anh Tuấn, Phạm Văn Bích Ngọc, Đỗ Trần Thắng, Mô phỏng động lực học robot cơ cấu song song, Hội nghị toàn quốc lần 1 về Cơ Điện tử, Hà Nội, 2002. [23] Hồ Đắc Hiền, Giải bài toán động học ngược cơ cấu Hexapod 6 CTC, Hội nghị toàn quốc lần 1 về Cơ Điện tử, Hà Nội, 2002. [24] Hồ Đắc Hiền, Thiết kế động học máy cắt gọt kim loại Hexapod bằng mô phỏng, Hội nghị toàn quốc lần 2 về Cơ Điện tử, Tp.HCM, 2004. [25] R.S. Ball, A Treatise on the Theory of Screws, Cambridge University Press, London, 1900. [26] K.J. Waldron, K.H. Hunt, Int. J. Robot. Res. 10 (5) (1991) 473±480. [27] C.L. Collins, G.L. Long, in: Proc. IEEE Int. Conf. Robot. Automn, 1995, pp. 526±531. [28] D. Stewart, Proc. Instn. Mech. Engrs. (Part I) 180 (15) (1965/66) 371±386. [29] V.E. Gough, S.G. Whitehall, in: Proc. 9th Int. Tech. Congr. F.I.S.I.T.A. May 1962, Instn Mech. Engrs 117, 1962. [30] K.H. Hunt, Kinematic Geometry of Mechanisms, Clarendon Press, Oxford, 1978. [31] M. Baret, in: Proc. AGARD Conf. 249, Piloted Aircraft Environment Simulation Techniques, 1978, pp. 22.1±22.8. [32] P. Watson, Electron. Aust. 46 (4) (1984) 12±17. [33] H. McCallion, P.D. Truong, in: Proc. 5th Wld Congr. Theory Mach. Mech., 1979, pp. 611±616. [34] Powell, I.L., MTR., 81/30. Marconi Research Laboratories, GEC Marconi Electronics Ltd., Chelmsford, Great Britain, 1981. Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 42 - [35] S.L. Potton, in: Proc. CIRP Conf. on Assembly Automation, 1983, pp. 126±128. [36] H. Inoue, Y. Tsusaka, T. Fakuizumi, in: Proc. 3rd ISRR, Gouvieux, France, 1985, pp. 321±327. [37] C.F. Earl, J. Rooney, Trans. ASME, J. Mech. Transm. Automn Des. 105 (1983) 15±22. [38] K.H. Hunt, Trans. ASME, J. Mech. Transm. Automn Des. 105 (1983) 705±712. [39] E.F. Fichter, E.D. McDowell, in: Proc. 6th Wld Congr. Theory Mach. Mech., 1983, pp. 1003±1006. [40] M.G. Mohamed, J. Sanger, J. Du€ y, in: Proc. 6th Wld Congr. Theory Mach. Mech., 1983, pp. 77±80. [41] M.G. Mohamed, J. Du€ y, Trans. ASME, J. Mech. Transm. Automn Des. 107 (1985) 226±229. [42] D.C.H. Yang, T.W. Lee, Trans. ASME, J. Mech. Transm. Automn Des. 106 (1984) 191±198. [43] A. J. Wavering, Parallel kinematic machine research at NIST: past, present and future, in Parallel Kinematic Machines, Advanced Manufacturing Series, Springer, pp. 17–31, 1999. [44] A. Rauf, S.-G. Kim, and J. Ryu, A new measurement device for complete parameter identification of parallel manipulators with partial pose measurements, The 4th Chemnitz Parallel Kinematics Seminar, Chemnitz, Germany, pp. 89–106, 2004. [45] J. Song, J.-I Mou, and C. King, Error modeling and compensation for parallel kinematic machines, in Parallel Kinematic Machines, Advanced Manufacturing Series, Springer, London, pp. 171–187, 1999. Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn - 43 - [46] L. Guan, Y. Yun, J. Wang and L. Wang, Kinematics of a Tricept-like parallel robot, 2004 IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, pp. 5312–5316, October 10–13, 2004. [47] J. P. Merlet, Computing the worst case accuracy of a PKM over a workspace or a trajectory, The 5th Parallel Kinematics Seminar, Chemnitz, Germany, pp. 83–95, 2006. [48] P. Wenger, C. Gosselin, and B. Maillé, A comparative study of serial and parallel mechanism topologies for machine tools, International Workshop on Parallel Kinematic Machines, Milan, Italy, pp. 25–35, 1999. [49] C. Gosselin, The optimum design of robotic manipulators using dexterity indices, Robotics and Autonomous Systems, Vol. 9, No. 4, pp. 213– 226, 1992. [50] J.P. Merlet, Jacobian, manipulability, condition number, and accuracy of parallel robots, Journal of Mechanical Design, Vol. 128, No. 1, pp. 199– 206, 2006.

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfTổng quan về Robot song song.pdf
Tài liệu liên quan