- Trang Chủ
- Tự động hoá
- Mô hình hóa vùng làm việc của tay máy song song có các dẫn động phụ phân bố bên ngoài không gian làm việc
Xem mẫu
- MÔ HÌNH HÓA VÙNG LÀM VIỆC CỦA TAY MÁY SONG SONG
CÓ CÁC DẪN ĐỘNG PHỤ PHÂN BỐ BÊN NGOÀI VÙNG LÀM VIỆC
BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU TRA KHÔNG GIAN THAM SỐ
Trần Công Tuấn
Công ty Đào tạo Dạy nghề NAM TRƢỜNG SƠN
congtuan@inbox.com
Nguyễn Minh Thạnh
Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh
minhthanhnguyen@vnn.vn
Tóm tắt: Bài viết này trình bày tổng quan về tay máy song song, các lĩnh vực đã và đang nghiên
cứu về tay máy song song, phƣơng pháp giải bài toán động học và xác định vùng làm việc có góc
hƣớng hằng và góc hƣớng thay đổi của tay máy song song có các dẫn động phụ phân bố bên ngoài
vùng làm việc dựa trên phƣơng pháp điều tra không gian tham số. Đây là bài toán cơ bản làm nền
tảng cho các tính toán và nghiên cứu mở rộng sau này về loại tay máy song song này.
Từ khóa: Động học ngƣợc, vùng làm việc, tay máy song song, mô hình hóa, dẫn động phụ, phƣơng
pháp điều tra không gian tham số, tổng quan
1. Giới thiệu
Ngày nay, các kỹ thuật robot với sự hỗ trợ của máy tính đã đáp ứng đƣợc độ chính xác cao, thời
gian thu nhận và xử lý các tín hiệu nhanh chóng, tin cậy, đã làm tăng năng suất lao động, hạn chế
các tai nạn và độc hại cho con ngƣời… Tuy nhiên, loại robot nối tiếp hiện đang đƣợc sử dụng trong
nhiều lĩnh vực đã bộc lộ nhiều nhƣợc điểm nhƣ tính linh hoạt thấp, tốc độ xử lý và khả năng đáp
ứng không cao, độ cứng vững cũng nhƣ độ chính xác chƣa đảm bảo. Để khắc phục phần nào các
nhƣợc điểm trên, một loại robot mới đã ra đời, đó là robot (hay còn gọi là tay máy) song song.
Khác hẳn với robot nối tiếp là loại robot liên tiếp có kết cấu hở đƣợc liên kết với các khâu động học
và đƣợc điều khiển tuần tự hoặc song song thì robot song song là cơ cấu vòng kín trong đó khâu tác
động cuối đƣợc liên kết với nền bởi ít nhất là hai chuỗi động học độc lập [2]. Robot song song có
đƣợc những ƣu điểm sau: độ cứng vững cơ khí cao, khả năng chịu tải cao, gia tốc lớn, khối lƣợng
động thấp và kết cấu đơn giản. Với những ƣu điểm trên, robot song song đã đƣợc ứng dụng trong
rất nhiều lĩnh vực nhƣ y học, thiên văn học, trắc địa, máy mô phỏng, các máy công cụ…
Việc xác định vùng làm việc của tay máy song song là một công việc quan trọng trong quá trình
nghiên cứu về loại robot này. Qua việc xác định đƣợc vùng làm việc, ta mới có thể xây dựng các
quỹ đạo làm việc của tay máy song song. Trong phạm vi bài báo này, chúng ta sẽ sử dụng phƣơng
pháp điều tra không gian tham số để xác định vùng làm việc của loại tay máy song song có các dẫn
động phụ phân bố bên ngoài vùng làm việc.
2. Tổng quan về tay máy song song
Trong hoạt động sản xuất, những robot công nghiệp thƣờng có hình dạng của “cánh tay cơ khí”, mô
phỏng theo những đặc điểm cấu tạo cơ bản của cánh tay ngƣời. Vì tinh thần phát triển các hệ thống
cơ khí là thực hiện các thao tác giống con ngƣời nên nó không tự nhiên, gò ép nhằm sử dụng các
chuỗi động học nối tiếp vòng hở, cấu trúc này đƣợc gọi là tay máy nối tiếp. Cấu trúc này có ƣu
điểm là vùng làm việc trải rộng, có tính linh hoạt, khéo léo nhƣ tay ngƣời nhƣng khả năng nâng tải
của nó thấp, độ bền thấp và độ chính xác chƣa cao do các khớp nối trên tay máy cồng kềnh, khối
lƣợng lớn, khi chuyển động với tốc độ cao thì nó bị rung và lắc.
Vì thế, đối với các ứng dụng mà mục tiêu quan trọng nhất là khả năng nâng tải lớn, thực hiện động
lực học tốt và định vị chính xác thì rất cần một sự thay thế tay máy nối tiếp truyền thống. Để tìm ra
các giải pháp khả thi, các nhà khoa học đã quan sát thế giới sinh vật và nhận thấy rằng (1) thân hình
của các loài thú có khả năng nâng chở vật nặng có đƣợc độ ổn định, vững chắc hơn trên nhiều chân
- song song với nhau so với loài ngƣời đứng trên hai chân, (2) loài ngƣời cũng sử dụng các cánh tay,
ngón tay kết hợp với nhau để nâng vật nặng và thực hiện các công việc đòi hỏi độ chính xác nhƣ khi
viết, loài ngƣời dùng ba ngón tay tác động song song cùng một lúc. Tóm lại, chúng ta có thể đƣa ra
kết luận rằng các tay máy có khâu tác động cuối đƣợc gắn với đất bằng nhiều chuỗi động học có các
bộ tác động đƣợc gắn song song với nhau sẽ có đƣợc độ cứng vững lớn hơn và khả năng định vị tốt
hơn. Và dựa vào nhận xét trên, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu một loại cấu trúc cơ khí
mới, đó là cơ cấu song song. Cơ cấu song song là cơ cấu gồm có bệ cố định và tấm dịch chuyển
đƣợc gắn kết với bệ cố định thông qua các chuỗi truyền động nối tiếp [9].
2.1. Lịch sử nghiên cứu về tay máy song song
Việc nghiên cứu về tay máy song song đã đƣợc tiến hành từ rất sớm của đầu thế kỷ 20. Vào năm
1928, J. E. Gwinnett [1] đã đăng ký bản quyền về cơ cấu cầu đƣợc dùng để làm nền cho rạp chiếu
phim (hình 1). Vào năm 1947, Gough [2] đã công bố những nguyên tắc cơ bản về cơ cấu với cấu
trúc động học vòng kín, cho phép định vị và định hƣớng bệ dịch chuyển dùng để thử lốp xe vạn
năng (hình 2). Ông cũng đã làm nguyên mẫu của máy này vào năm 1955 [3]. Thiết bị này có bộ
phận dịch chuyển là một tấm hình lục giác với mỗi góc đƣợc gắn với một khâu bằng khớp cầu, đầu
còn lại của khâu đƣợc bắt chặt với nền thông qua khớp cardan. Các khâu có chiều dài thay đổi do cơ
cấu dẫn động tịnh tiến. Thiết bị này còn đƣợc sử dụng đến năm 2000. Từ những nghiên cứu bƣớc
đầu trên, việc nghiên cứu về tay máy song song đã dần đƣợc phổ biến trong giới khoa học.
Hình 1: Cơ cấu cầu dùng làm rạp chiếu phim của Gwinnett Hình 2: Gough Platform dùng thử lốp xe
2.2. Các lĩnh vực đã nghiên cứu
Tay máy song song đƣợc các nhà khoa học nghiên cứu theo nhiều hƣớng cụ thể nhƣ sau:
- Các nhà nghiên cứu đã tiến hành tổng hợp cấu trúc, chủ yếu về các loại robot phẳng và robot 6 bậc
tự do. Robot phẳng là robot có 3 bậc tự do, 3 chân. Mỗi chân có 3 bậc tự do, thƣờng thì mỗi chân có
2 khâu và 3 khớp nên mỗi khớp chỉ có thể có 1 bậc tự do. Nếu dùng các khớp quay và khớp trƣợt
thì có 7 khả năng bố trí các khớp trên mỗi chân: RRR, RRP, RPR, PRR, RPP, PRP và PPR. Đối với
robot 6-DOF, Cơ cấu Stewart Platform (hình 2) đƣợc Stewart thiết kế [12]. Đây đƣợc coi là cơ cấu
tiêu biểu, đại diện cho loại robot song song. Nó bao gồm 1 tấm cố định và 1 tấm dịch chuyển. 2 tấm
này đƣợc nối với nhau bằng 6 chân có chiều dài thay đổi. Vị trí và hƣớng của tâm tấm dịch chuyển
đƣợc xác định bằng cách thay đổi chiều dài của các chân này. Và Korobeynikov, Turlapov [18] đã
mô hình hóa và tiến hành đánh giá về cơ cấu Stewart Platform. Bonev [16], Gosselin [17] đã phân
tích cấu hình đặc biệt của loại robot 3-RRR, Collins [15] đã tiến hành phân tích động học và cấu
hình đặc biệt của robot phẳng loại 3-RPR.
- Việc phân tích động lực học cơ cấu chấp hành song song gặp rất nhiều khó khăn do có nhiều chuỗi
vòng kín. Đã có nhiều phƣơng pháp đã đƣợc đề xuất nhƣ hệ phƣơng trình Newton-Euler, hệ phƣơng
trình Lagrange, nguyên lý công ảo và vài phƣơng pháp khác. Phƣơng pháp Newton-Euler đòi hỏi
các phƣơng trình chuyển động phải đƣợc viết cho từng vật thể trong cơ cấu, do đó có quá nhiều
phƣơng trình và hiệu suất tính toán thấp. Phƣơng pháp Lagrange loại bỏ mọi phản lực và moment,
hiệu quả hơn phƣơng pháp Newton-Euler, nhƣng do nhiều ràng buộc từ các vòng kín của cơ cấu
song song, việc thiết lập các phƣơng trình chuyển động theo tập hợp các tọa độ độc lập tổng quát
hóa trở nên khó khăn. Hiện nay, nguyên lý công ảo là phƣơng pháp phân tích hiệu quả nhất, phƣơng
pháp này cũng rất hữu dụng trong việc tính toán tĩnh học cơ cấu chấp hành song song [19].
- 2.3. Các ứng dụng của tay máy song song
Do có ƣu điểm về độ cứng vững cao, quán tính thấp, độ chính xác cao và khả năng tải trọng lớn nên
robot song song đã đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Sau đây chúng ta sẽ cùng điểm qua một vài
ứng dụng của robot song song.
- Dùng để mô phỏng: Vào năm 1965, Stewart đã để xuất sử dụng robot song song để làm bộ mô
phỏng bay [12]; KAIST (Hàn Quốc) đã dùng robot song song để chế tạo bộ mô phỏng xe đạp [6,7];
mô phỏng động đất [8].
- Ứng dụng trong y học: Brandt đã đề xuất hệ thống robot song song Crigos [13] dùng để phẫu thuật
chỉnh hình; INRIA đã chế tạo một cổ tay máy dùng để giải phẫu mắt cho loài vật [13].
- Dùng trong máy công cụ: Một trong những ứng dụng thành công nhất của robot song song là trong
lĩnh vực đóng gói của robot Delta [14] trong công nghiệp thực phẩm.
- Dùng trong công nghệ không gian: Cấu trúc song song cũng đƣợc sử dụng trong các dụng cụ đo
đạc vệ tinh nhƣ trong dự án SAGE III của hãng ADS International; thiết bị định vị kính hiển vi tại
trạm quan sát Cerro Armazone (Chi Lê) [4].
Ngoài ra, tay máy song song còn có nhiều ứng dụng khác nhƣ làm robot leo cây [5]; làm rạp chiếu
phim mà cụ thể là rạp chiếu phim Cinaxe ở La Villette với khán phòng gồm 60 ghế chuyển động
với màn hình có hình bán cầu; làm máy thử giày [10], dùng làm tay máy khai thác quặng mỏ và khí
đốt dƣới lòng biển [11].
c. Robot song song dùng để mô
a. Bộ mô phỏng động đất b. Robot Delta dùng để đóng gói phỏng bay
Hình 3: Các ứng dụng của robot song song
2.4. Các lĩnh vực chƣa nghiên cứu
Ta đã điểm qua các lĩnh vực nghiên cứu về tay máy song song ở phần trên, ta có thể nhận thấy một
điều là có một số lƣợng lớn các nghiên cứu về động học và tĩnh học tay máy song song và các vấn
đề đã đƣợc 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 chƣa hề có đƣợc 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 lƣợc điều
khiển đặc biệt đem lại ƣu 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 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 đƣờng đi không có cấu hình đặc biệt với một thế cho trƣớc.
- Về thiết kế: tổng hợp động học tối ƣu của tay máy để thu đƣợc 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, ƣu điểm của từng loại.
3. Động học của tay máy song song có các dẫn động phụ phân bố bên ngoài không gian làm
việc
- Vùng làm việc có góc hƣớng hằng là vùng mà vị trí tâm tấm dịch chuyển của robot có thể đạt đƣợc
với góc hƣớng cố định [9].
Ta tiến hành mô hình hóa vùng làm việc có góc hƣớng hằng của tay máy song song có các dẫn động
phụ phân bố bên ngoài vùng làm việc đƣợc mô tả ở phần 3.2. với các thông số khảo sát sau: giới
hạn của các chuyển động chính là [2 4]; giới hạn của các chuyển động phụ là [0,5 2,5]; giới hạn
vùng quét trên Ox, Oy và Oz là [-5 5]; = /6, = /6 và = /6; số bƣớc quét trên Ox, Oy và Oz
là 30.
Chƣơng trình thực hiện kiểm tra tất cả 29.791 cấu hình, thời gian thực hiện là 2,09 (s), số cấu hình
thu đƣợc là 1.139.
a. b.
Hình 6: Mô hình của vùng làm việc có góc hƣớng hằng của tay máy với = /6, = /6 và = /6 đƣợc vẽ bằng các
điểm (a) và bằng các mặt bao (b)
4.3. Vùng làm việc góc hƣớng thay đổi
Vùng làm việc có góc hƣớng thay đổi là vùng mà vị trí tâm tấm dịch chuyển của robot có thể đạt
đƣợc với góc hƣớng trong một khoảng định trƣớc [9].
Cũng với cấu hình tay máy đƣợc mô tả ở trên, ta tiến hành mô hình hóa vùng làm việc có góc
hƣớng thay đổi với các thông số sau:
Chƣơng trình thực hiện kiểm tra tất cả là 287.496 cấu hình, thời gian thực hiện là 18,90 (s), số cấu
hình thu đƣợc là 7.235 với 139 vị trí của tâm tấm dịch chuyển.
a. b.
Hình 7: Mô hình của vùng làm việc có góc hƣớng thay đổi đƣợc vẽ bằng các điểm (a) và bằng các mặt bao (b)
5. Kết luận
Qua quá trình thực hiện, ta nhận thấy việc xác định vùng làm việc bằng phƣơng pháp điều tra không
gian tham số có những đặc điểm sau:
- Cho phép xác định vùng làm việc với tất cả các điều kiện ràng buộc, mà cụ thể trong bài này là
ràng buộc về chiều dài của các chuỗi động học. Nếu ta xét thêm các ràng buộc nhƣ giới hạn góc
quay của các khớp cầu, sự va chạm giữa các chuỗi động học thì ta chỉ cần bổ sung vào điều kiện
kiểm tra trong giải thuật là đƣợc.
- Độ chính xác phụ thuộc vào số bƣớc lấy mẫu dùng để tạo lƣới không gian.
- Thời gian tính toán cũng tăng theo số bƣớc lấy mẫu làm ảnh hƣởng đến độ chính xác và độ nhanh
tính toán của giải thuật.
- - Vùng làm việc đƣợc thể hiện bằng số lƣợng lớn các điểm nên dung lƣợng lƣu trữ rất lớn và đòi hỏi
nhiều thời gian xử lý của máy tính.
Từ giải thuật trên, ta có thể tiếp tục nghiên cứu để xây dựng các quỹ đạo làm việc của tay máy.
6. Tài liệu tham khảo
[1] Gwinnett J. E. (1931), Amusement device, United States Patent no 1.1789.680.
[2] Gough V. E. (1956-1957), Contribution to discussion of papers on research in automobile
stability, control and tyre performance, Proc. Auto Div. Inst. Mech. Eng.
[3] Gough V. E., Whitehall S. G. (1962), Universal tire test machine, in Proceedings 9th Int.
Technical Congress F.I.S.I.T.A., pages 117-135.
[4] P. Spanoudakis, L. Zago, O. Chételat, R. Gentsch, F. Mato Mira (2007), Extremely high-
resolution tip-tilt-piston mirror mechanism for the VLT-NAOS field selector, Centre Suisse
d’Electronique et de Microtechnique.
[5] Almonacid M. and others (2003), Motion planning of climbing parallel robots, IEEE Trans. On
Robotics and Automation, 19(3):485-489.
[6] Dong-Soo Kwon, Gi-Hun Yang, Youngjin Park, Sunmin Kim, Chong-Won Lee, Jae-Cheol
Shin, Soonhung Han, Jonghwan Lee, Kwangyun Wohn, Sehoon Kim, Doo Yong Lee, Kyungno
Lee, Jae-Heon Yang, Yun-Mook Choi, KAIST Interactive Bicycle Racing Simulator: The 2nd
Version with Advanced Features, Korea Advanced Institute of Science and Technology,
Daejon, KOREA.
[7] Dong-Soo Kwon, Gi-Hun Yang, Chong-Won Lee, Jae-Cheol Shin, Youngjin Park, Byungbo
Jung, Doo Yong Lee, Kyungno Lee, Soon-Hung Han, Byoung-Hyun Yoo, Kwang-Yun Wohn,
Jung-Hyun Ahn, KAIST Interactive Bicycle Simulator, Department of Mechanical Engineering,
Department of Computer Science, Korea Advanced Institute of Science and Technology.
[8] French C. W. and others (2004); Multi-axial subassemblage testing (MAST) system:
Description and Capabilities, in 13th World Conf. on Earthquake Engineering, page No. 2146,
Vancouver.
[9] Jean-Piere Merlet (2000), Parallel Robots, Kluwer Academic Publishers.
[10] Monckton S. P. and Chrystall K. (2002), Design and development of an automated footwear
testing system, in IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pages 3684–3689, Washington.
[11] L.E. Bruzzone, E. M. Cavallo, R. C. Michelini, R. M. Molfino, R. P. Razzoli, The Design of a
Robotic Equipment for Deep-Sea Maintenance Operations, Industrial Robot Design Research
Group - University of Genova, Italia
[12] Stewart D. (1965), A platform with 6 degrees of freedom, Proc. of the Institution of mechanical
engineers, 180 (Part 1, 15):371–386.
[13] Grace K. W. and others (1993), A six degree of freedom micromanipulator for opthalmic
surgery, in IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pages 630–635, Atlanta.
[14] Ilian Bonev, Delta Parallel Robot - the Story of Success, The Parallel Mechanisms Information
Center.
[15] Collins C. L. (2002), Forward kinematics of planar parallel manipulators in the Clifford
algebra of P2, Mechanism and Machine Theory, 37(8):799–813.
[16] Bonev I. A., Zlatanov D., and Gosselin C. (2003), Singularity analysis of 3 dof planar
mechanisms via screw theory, ASME J. of Mechanical Design, 125(3):573–581.
[17] Gosselin C. and Wang J. (1997), Singularity loci of planar parallel manipulators with revolute
actuators, Robotics and Autonomous Systems, 21(4):377–398.
[18] Alexander V. Korobeynikov, Vadim E. Turlapov (2005), Modeling and Evaluating of the
Stewart Platform, Department of Computational Mathematics and Cybernetics, Nizhny
Novgorod State University, Rusia.
[19] Wisama Khalil, Ouarda Ibrahim (2007), General Solution for the Dynamic Modeling of
Parallel Robots, Journal of Intelligent and Robotic Systems, Volume 49 , Issue 1, Pages: 19 -
37, 2007
nguon tai.lieu . vn
