tổng quan về robot song song

Tổng quan về robot song song Trần Công Tuấn

- 1 -

Tổng quan về Robot song song

1. Giới thiệu

Ngày nay, các kỹ thuật robot với sự hỗ trợ của máy tính đã đáp ứng được

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

người… Tuy nhiên, loại robot nối tiếp hiện đang được sử dụng trong nhiều

lĩnh vực đã bộc lộ nhiều nhược điểm như tính linh hoạt thấp, tốc độ xử lý và

khả năng đáp ứng không cao, độ cứng vững cũng như độ chính xác chưa đảm

bảo. Để khắc phục phần nào các nhược 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 được liên

kết với các khâu động học và được điều khiển tuần tự hoặc song song thì

robot song song là cơ cấu vòng kín trong đó khâu tác động cuối được liên kết

với nền bởi ít nhất là hai chuỗi động học độc lập [4]. Robot song song có được

những ưu điểm sau: độ cứng vững cơ khí cao, khả năng chịu tải cao, gia tốc

lớn, khối lượng động thấp và kết cấu đơn giản. Với những ưu điểm trên, robot

song song đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như y học, thiên văn

học, trắc địa, máy mô phỏng, các máy công cụ…

Trong hoạt động sản xuất, những robot công nghiệp thường có hình dạng

của “cánh tay cơ khí”, mô phỏng theo những đặc điểm cấu tạo cơ bản của

cánh tay người. Vì tinh thần phát triển các hệ thống cơ khí là thực hiện các

thao tác giống con người nên nó không tự nhiên, gò ép nhằm sử dụng các

chuỗi động học nối tiếp vòng hở, cấu trúc này được gọi là tay máy nối tiếp.

Cấu trúc này có ưu điểm là vùng làm việc trải rộng, có tính linh hoạt, khéo léo

như tay người nhưng khả năng nâng tải của nó thấp, độ bền thấp và độ chính

xác chưa cao do các khớp nối trên tay máy cồng kềnh, khối lượng 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


- 2 -

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 được độ ổn định, vững chắc

hơn trên nhiều chân song song với nhau so với loài người đứng trên hai chân,

(2) loài người 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 như khi viết, loài

người dùng ba ngón tay tác động song song cùng một lúc. Tóm lại, chúng ta

có thể đưa ra kết luận rằng các tay máy có khâu tác động cuối được gắn với

đất bằng nhiều chuỗi động học có các bộ tác động được gắn song song với

nhau sẽ có được 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 được gắn kết với bệ cố định thông qua các chuỗi

truyền động nối tiếp [4].

2. Tổng quan về robot

2.1. Sơ lược quá trình phát triển

Thuật ngữ robot được sinh ra từ trên sân khấu, không phải trong phân

xưởng sản xuất. Những robot xuất hiện lần đầu tiên trên ở trên NewYork vào

ngày 09/10/1922 trong vở “Rossum‟s Universal Robot” của nhà soạn kịch

người Tiệp Karen Kapek viết năm 1921, còn từ robot là cách gọi tắt của từ

robota - theo tiếng Tiệp có nghĩa là công việc lao dịch.

Những robot thực sự có ích được nghiên cứu để đưa vào những ứng dụng

trong công nghiệp thực sự lại là những tay máy. Vào năm 1948, nhà nghiên

cứu Goertz đã nghiên cứu chế tạo loại tay máy đôi điều khiển từ xa đầu tiên,

và cùng năm đó hãng General Mills chế tạo tay máy gần tương tự sử dụng cơ

cấu tác động là những động cơ điện kết hợp với các cử hành trình. Đến năm

1954, Goertz tiếp tục chế tạo một dạng tay máy đôi sử dụng động cơ servo và

có thể nhận biết lực tác động lên khâu cuối. Sử dụng những thành quả đó, vào


- 3 -

năm 1956 hãng General Mills cho ra đời tay máy hoạt động trong công việc

khảo sát đáy biển.

Năm 1968 R.S. Mosher, thuộc hãng General Electric, đã chế tạo một thiết

bị biết đi có bốn chân, có chiều dài hơn 3m, nặng 1.400kg, sử dụng động cơ

đốt trong có công suất gắn 100 mã lực (hình 1).

Hình 1: Robot 4 chân của hãng R.S Mosher và hãng General Electric

Cũng trong lĩnh vực này, một thành tựu khoa học công nghệ đáng kể đã

đạt được vào năm 1970 là xe tự hành thám hiểm bề mặt của mặt trăng

Lunokohod 1 được điều khiển từ trái đất (hình 2).

Hình 2: Xe tự hành thám hiểm mặt trăng Lunokohod 1


- 4 -

Viện nghiên cứu thuộc Trường Đại học Stanford vào năm 1969 đã thiết kế

robot Shakey di động tinh vi hơn để thực hiện những thí nghiệm về điều khiển

sử dụng hệ thống thu nhận hình ảnh để nhận dạng đối tượng (hình 3). Robot

này được lập trình trước để nhận dạng đối tượng bằng camera, xác định đường

đi đến đối tượng và thực hiện một số tác động trên đối tượng.

Hình 3: Robot Shakey-robot đầu tiên nhận dạng đối tượng bằng camera

Năm 1952 máy điều khiển chương trình số đầu tiên ra đời tại Học Viện

Công nghệ Massachusetts (Hoa Kỳ). Trên cơ sở đó năm 1954, George Devol

đã thiết kế robot lập trình với điều khiển chương trình số đầu tiên nhờ một

thiết bị do ông phát minh được gọi là thiết bị chuyển khớp được lập trình.

Joseph Engelberger, người mà ngày nay thường được gọi là cha đẻ của robot

công nghiệp, đã thành lập hãng Unimation sau khi mua bản quyền thiết bị của

Devol và sau đó đã phát triển những thế hệ robot điều khiển theo chương

trình. Năm 1962, robot Unmation đầu tiên được đưa vào sử dụng tại hãng

General Motors; và năm 1976 cánh tay robot đầu tiên trong không gian đã

được sử dụng trên tàu thám hiểm Viking của cơ quan Không Gian NASA của

Hoa Kỳ để lấy mẫu đất trên sao Hỏa (hình 4).


- 5 -

Hình 4: Tay robot trên tàu thám hiểm Viking 1

Trong hoạt động sản xuất, đa số những robot công nghiệp có hình dạng

của “cánh tay cơ khí”, cũng chính vì vậy mà đôi khi ta gặp thuật ngữ người

máy - tay máy trong những tài liệu tham khảo và giáo trình về robot.

2.2. Những ứng dụng điển hình của robot

Robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Những ứng

dụng ban đầu bao gồm gắp đặt vật liệu, hàn điểm và phun sơn. Một trong

những công việc kém năng suất nhất của con người là rèn kim loại ở nhiệt độ

cao. Các công việc này đòi hỏi công nhân di chuyển phôi có khối lượng lớn

với nhiệt độ cao khắp nơi trong xưởng. Việc tuyển dụng công nhân làm việc

trong môi trường nhiệt độ cao như vậy là một vấn đề khó khăn đối với ngành

công nghiệp này, và robot ban đầu đã được sử dụng để thay thế công nhân làm

việc trong điều kiện môi trường ngặt nghèo như trong lò đúc, xưởng rèn, và

xưởng hàn. Đối với robot thì nhiệt độ cao lại không đáng sợ.

Trong các nhà máy sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc sử dụng

robot nhiều nhất: khung xe được cố định vào một xe được điều khiển từ xa di

chuyển khắp nhà máy. Khi xe đến trạm hàn, kẹp sẽ cố định các chi tiết đúng

vào vị trí cần hàn, trong khi đó robot di chuyển dọc theo các điểm hàn được

lập trình trước (hình 6).


- 6 -

Hình 5: Robot hàm điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi .

Sơn là một công việc nặng nhọc và độc hại đối với sức khoẻ của con

người, nhưng lại hoàn toàn không nguy hiểm đối với robot. Ngoài ra, con

người phải mất hơn hai năm để nắm được kỹ thuật và kỹ năng trở thành một

thợ sơn lành nghề trong khi robot có thể học được tất cả kiến thức đó chỉ trong

vài giờ và có khả năng lặp lại một cách chính xác các động tác sơn phức tạp.

Điều đó thể hiện một bước tiến đáng kể trong việc kết hợp giữa năng suất và

chất lượng cũng như cải thiện chế độ làm việc cho con người trong môi

trường độc hại. Tất cả robot phun sơn đều được „dạy‟ bởi một thợ sơn chuyên

nghiệp giữ đầu phun và dịch chuyển nó đi đúng đường; đường đi đó được ghi

lại; và khi robot thực hiện công việc phun sơn thì nó chỉ việc đi theo đường đi

đã được định sẵn đó. Như thế, robot phun sơn phải có các khớp sao cho người

thợ sơn có thể dễ dàng dẫn hướng cho chúng. Ứng dụng này đưa đến sự phát

triển một loại tay robot dạng „vòi voi‟ có độ linh hoạt cao.

Robot còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nữa như phục vụ cho

máy công cụ, làm khuôn trong công nghiệp đồ nhựa, gắn kính xe hơi, gắp

hàng ra khỏi băng tải và đặt chúng vào các trạm chuyển trung gian. Ở mục


- 7 -

sau, ba ứng dụng của robot trong công nghiệp được khảo sát ở các giai đoạn

nghiên cứu khác nhau.

Hàn đường thường được thực hiện bằng tay. Tuy nhiên năng suất thấp do

yêu cầu chất lượng bề mặt mối hàng liên quan đến các thao tác của đầu mỏ

hàn với môi trường khắc nghiệt do khói và nhiệt độ phát ra trong quá trình

hàn.

Không giống kỹ thuật hàn điểm, ở đó mối hàn có vị trí cố 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.


- 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.


- 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


- 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


- 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


- 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;


- 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.


- 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


- 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


- 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


- 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...


- 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.


- 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.


- 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


- 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


- 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.


- 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


- 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


- 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


- 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.


- 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.


- 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:


- 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:


- 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…


- 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.


- 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.


- 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


- 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


- 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.


- 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].


- 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


- 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,

http://www.parallemic.org/Reviews/Review002.html.

[2] Trần Thế San, Cơ sở nghiên cứu & sáng tạo robot, Nhà xuất bản Thống

kê, 2003.


- 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, http://www.parallemic.org/Reviews/Review003.html.

[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.


- 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.


- 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.


- 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.


- 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.

tổng quan về robot song song

Documents