ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN THIẾT KẾ MÁY  LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC TAY MÁY SONG SONG BA BẬC TỰ DO GVHD : Ts. PHẠM HUY HOÀNG Ks. TRỊNH HOÀNG KIÊN SVTH : NGUYỄN THÀNH PHÚC MSSV : 20502102 TP. HỒ CHÍ MINH, 01/2010 i LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian ngồi trên giảng đường đại học, em đã tiếp thu được rất nhiều kiến thức mà quý Thầy Cô đã tận tình truyền đạt. Ngày hôm nay, bản thân em đang đứng trước sự chuyển tiếp từ vị trí người sinh viên trở thành người Kỹ sư đảm nhận những công việc thực tế trong xã hội. Chính vì vậy, Luận văn tốt nghiệp là cơ hội để bản thân em trải nghiệm những kiến thức đã học vào công việc thực tế, là bước đầu tiên, là nền tảng để đảm nhận vai trò của một Kỹ sư. Trong quá trình thực hiện đề tài, em đã nhận được sự hướng dẫn tận tình từng bước của Thầy Phạm Huy Hoàng. Em xin gửi đến thầy lòng biết ơn chân thành nhất. Cùng với sự hướng dẫn tận tình của Thầy Phạm Huy Hoàng, em xin gửi lời cảm ơn đến Kỹ sư Trịnh Hoàng Kiên (Trung tâm Đào tạo Bảo dưỡng công nghiệp trường Đại học Bách Khoa TP.HCM), anh đã truyền đạt lại những kinh nghiệm đã trải qua cùng với sự góp ý trong suốt quá trình hoàn thành luận văn. Để hoàn thành mô hình luận văn, em cũng nhận được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy Trương Công Tiễn (Trung tâm Đào tạo Bảo dưỡng công nghiệp trường Đại học Bách Khoa TP.HCM ) trong những ngày gia công mô hình tại xưởng gia công của Thầy, xin gửi đến Thầy và các anh em trong xưởng gia công lời cảm ơn sâu sắc nhất. Cuối cùng, em xin kính tặng những kết quả đạt được cho Cha Mẹ, Thầy Cô, chia sẻ với bạn bè và những người thân của em, những người đã luôn tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho em có được ngày hôm nay. TP.HCM ngày 11, tháng 01, năm 2010 Sinh Viên Nguyễn Thành Phúc ii TÓM TẮT ĐỀ TÀI Ngày nay bên cạnh sự phát triển của các robot nối tiếp, các tay máy song song cũng được nghiên cứu và phát triển. Dựa trên các nghiên cứu về các tay máy song song đã có và các ứng dụng thực tế đã có, đề tài “ Thiết kế và phân tích động học tay máy song song ba bậc tự do” đã được đề ra với các nhiệm vụ sau: tìm hiểu tay máy song song và các ứng dụng thực tế, thiết kế động học tay máy song song ba bậc tự do ,phân tích động học tay máy thiết kế, thiết kế chế tạo mô hình và thử nghiệm. Trong luận văn, đã sử dụng phương pháp hình học để phân tích động học tay máy, giải quyết được các bài toán động học thuận và động học nghịch của tay máy. Đồng thời đưa ra được ma trận Jacobian, áp dụng vào việc phân tích động học tay máy, bao gồm: phân tích lực tay máy, phân tích vị trí kỳ dị của tay máy. Dựa trên các phân tích đó, đưa ra giải thuật lập trình điều khiển tay máy bằng công cụ lập trình toán học kỹ thuật Matlab R2008a. Dựa trên các lý thuyết phân tích trên, và điều kiện thực tế, đề tài cũng đã xây dựng được mô hình thực tế đơn giản với mục đích thử nghiệm các kết quả đã phân tích. ứng dụng động cơ bước vào mô hình để điều khiển tay máy. iii MỤC LỤC Nhiệm vụ luận văn Lời cảm ơn i Tóm tắt đề tài ii Mục lục iii Danh sách hình vẽ vi Danh sách bảng biểu ix CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1 1.1 Định nghĩa về robot 1 1.2 Thuật ngữ tay máy 2 1.3 Tay máy song song 3 1.3.1 Giới thiệu 3 1.3.2 Đặc điểm của tay máy song song 6 1.3.3 Ứng dụng của tay máy song song 6 1.4 Khái quát về tay máy song song ba bậc tự do 12 1.5 Một số nghiên cứu đã có về tay máy song song ba bậc tự do 14 1.6 Nhiệm vụ luận văn 16 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ TAY MÁY SONG SONG 3 BẬC TỰ DO 17 2.1 Giới thiệu 17 2.2 Xác định bậc tự do của tay máy 18 2.3 Phân tích động học tay máy 18 2.3.1 Lựa chọn phương pháp phân tích tay máy 19 2.3.2 Phân tích hình học tay máy 21 2.3.4 Bài toán động học nghịch 24 2.3.5 Bài toán động học thuận 26 iv 2.4 Phân tích ma trận Jacobian 29 2.4.1 Giới thiệu 29 2.4.2 Xây dựng ma trận Jacobian cho tay máy song song 3 bậc tự do 31 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH LỰC TAY MÁY 34 3.1 Giới thiệu 34 3.2 Phương pháp phân tích bằng sơ đồ phân tích lực 35 3.3 Phương pháp sử dụng nguyên lý công khả dĩ 39 3.3.1 Giới thiệu 39 3.3.2 Phân tích lực tay máy bằng phương pháp công khả dĩ 40 3.4 Kết luận 41 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH VỊ TRÍ TAY MÁY 43 4.1 Tính kỳ dị vị trí của tay máy song song 43 4.2 Phân tích tính kỳ dị của tay máy song song 3 bậc tự do 44 4.2.1 Kỳ dị động học nghịch 44 4.2.2 Kỳ dị động học thuận 45 4.2.3 Kỳ dị động học kết hợp 46 4.3 Phân tích không gian làm việc của tay máy 47 4.3.1 Không gian làm việc 47 4.3.2 Không gian làm việc cảu tay máy song song 3 bậc tự do 47 CHƯƠNG 5: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY DỰA TRÊN CÁC PHÉP BIẾN HÌNH 49 5.1 Các phép biến hình hai chiều 49 5.1.1 Phép tịnh tiến 49 5.1.2 Phép quay hình hai chiều 50 5.2 Xây dựng giải thuật điều khiển tay máy 52 v 5.2.1 Hệ phương trình ràng buộc 52 5.2.2 Xây dựng các phép biến đổi 53 5.3 Sử dụng công cụ MATLAB R2008a lập trinh điều khiển tay máy 58 5.3.1 Lập trình trên MATLAB 58 5.3.2 Tổng quan về chương trình điều khiển 58 5.4 Kết luận 59 CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ MÔ HÌNH TAY MÁY 61 6.1 Mục đích và yêu cầu thiết kế 61 6.2 Lựa chọn kích thước hình học ban đầu 61 6.3 Sơ đồ nguyên lý của tay máy 62 6.4 Thiết kế các chi tiết 63 CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 75 7.1 Giới thiệu về giao tiếp với máy tính 75 7.2 Giao tiếp qua cổng nối tiếp 75 7.3 Giới thiệu về động cơ bước 78 7.3.1 Nguyên lý đặc điểm của động cơ bước 79 7.3.2 Cấu tạo chung của động cơ bước 79 7.3.3 Phân loại động cơ bước 80 7.3.4 Các vần đề về điều khiển trong động cơ bước 81 7.4 Giới thiệu về vi điều khiển 87 7.5 Thiết kế các mạch điều khiển 89 7.6 Kết luận và hướng phát triển của đề tài 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Phụ lục code chương trình điều khiển A1 vi DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Robot KUKA 6-Dof 3 Hình 1.2 Kết cấu tay máy nối tiếp Elbow 4 Hình 1.3 Cấu trúc tay máy song song 3RRR wrist 4 Hình 1.4 Mô hình tay máy song song Gough-Stewart Platform 6-Dof 5 Hình 1.5 Ứng dụng của mô hình Gough-Stewart Platform 5 Hình 1.6 Ứng dụng dò theo vết mặt phẳng của Robot song song 6 Hình 1.7 Tricept một tay máy song song phun sơn có độ linh hoạt cao 7 Hình 1.8 Robot Hexa áp dụng trong công nghệ lắp ráp 7 Hình 1.9 Robot Tornado được cấu hình làm máy phay 5 trục dùng trong gia công tự động 8 Hình 1.10 Hexabot kết hợp với máy phay ngang tạo thành máy CNC 5 trục 8 Hình 1.11 Rotbot song song Dragonfly cắt phôi bằng tia nước 9 Hình 1.12 Tay máy song song trong hệ thống giám sát 10 Hình 1.13 Tay máy song song phẫu thuật từ xa 10 Hình 1.14 MTS máy vận chuyển phôi 3 trục 11 Hình 1.15 Tay máy vận chuyển sản phẩm ParaDex 11 Hình 1.16 Cấu trúc mô phỏng của mắt người 12 Hình 1.17 Tay máy 3RRR Spherical Parallel Robot áp dụng trong kính thiên văn 12 Hình 1.18 Các kiểu kết cấu tay máy song phẳng 13 Hình 1.18 Kết cấu nguyên lý tay máy song song 3 bậc tự do 13 Hình 1.19 Mô hình nghiên cứu tại trường Nanyang[2002] 14 Hình 1.20 Mô hình nghiên cứu tại Viện Công nghệ Georgia, Mỹ [2002] 15 Hình 1.21 Mô hình nghiên cứu tại IEEE [2003] 15 Hình 1.22 Mô hình nghiên cứu tại Viện khoa học kỹ thuật Kwangju [2002] 16 Hình 2.1 Mô hình mô tả tay máy song phẳng 3 bậc tự do 3-RRR 17 vii Hình 2.2 Định nghĩa hệ toạ độ và các thông số Denavit Hartenberg 20 Hình 2.3 Xác định các thông số D-H của kết cấu động học vòng kín 20 Hình 2.4 Xác định thông số hình học tay máy 21 Hình 2.5 Thông số hình học của cánh tay thứ nhất 22 Hình 2.6 Thông số hình học của cánh tay thứ hai 23 Hình 2.7 Thông số hình học của cánh tay thứ ba 24 Hình 2.8 Hai vị trí của cánh tay 28 Hình 2.9 Các vị trí chứng minh số nghiệm của phương trình động học 29 Hình 2.8 Mô hình phân tích ma trận Jacobian 31 Hình 3.1 Sơ đồ phân tích lực tay máy 35 Hình 3.2 Mômen tác động trên các khâu nối giá 38 Hình 4.1 Vị trí kỳ dị động học nghịch 44 Hình 4.2 Vị trí kỳ dị động học thuận 46 Hình 4.3 Mô hình có vị trí kỳ dị kết hợp 46 Hình 4.4 Không gian làm việc của tay máy 48 Hình 5.1 Phép tịnh tiến 1 đối tượng 49 Hình 5.2 Phép quay 1 điểm trong mặt phẳng 51 Hình 5.3 Các thông số ràng buộc của tay máy 52 Hình 5.4 Tọa độ các điểm nối giá trong hệ tọa độ cố định 54 Hình 5.5 Tọa độ các điểm nối mâm trong hệ tọa độ cố định 54 Hình 5.6 Lập ma trận mối quan hệ động học cho cánh tay thứ I 55 Hình 5.7 Sơ đồ giải thuật 58 Hình 5.8 Giao diện chương trình điều khiển tay máy 59 Hình 6.1 Các thông số hình học tay máy 62 Hình 6.2 Sơ đồ truyền động ở mỗi cánh tay 62 Hình 6.3 Cơ cấu khớp bản lề 63 Hình 6.4 kết cấu khớp bản lề 64 Hình 6.5 Đầu nối khớp 64 Hình 6.6 Kết cấu trục khớp 65 viii Hình 6.7 Bạc trượt 65 Hình 6.8 Kết cấu khớp bản lề liên kết với mâm di động 65 Hình 6.9 Kết cấu đế nối mâm di động 66 Hình 6.10 Kết cấu trục khớp nối mâm di động 66 Hình 6.11 Kết cấu khâu liên kết 67 Hình 6.12 Khâu liên kết 67 Hình 6.13 Động cơ bước STEP SYN 68 Hình 6.14 Khớp nối trục đàn hồi 69 Hình 6.15 Kích thước nối trục 69 Hình 6.16 Kết cấu ổ trục bạc đạn nhào 70 Hình 6.17 Gối trục ổ bi nhào UCF 204 71 Hình 6.18 Kết cấu trục tác động 72 Hình 6.19 Mô hình thiết kế mô phỏng 72 Hình 6.20 Mô hình chế tạo thực tế 73 Hình 6.21 Cụm cơ cấu tác động 73 Hình 6.22 Cụm động cơ dẫn động 74 Hình 7.1 Các kiểu giao tiếp với máy tính 75 Hình 7.2 Sơ đồ các chân cổng COM DB25 và DB9 77 Hình 7.3 Cấu tạo động cơ bước 80 Hình 7.4 Cấu tạo của động cơ bước có từ trở thay đổi có 3 cuộn dây pha 81 Hình 7.5 Mặt cắt của động cơ đơn cực có  s = 300 82 Hình 7.6 Mặt cắt của động cơ lưỡng cực 84 Hình 7.7 Nguyên lý điều khiển bước đủ 85 Hình 7.8 Nguyên lý điều khiển Microstepping 86 Hình 7.9 Sơ đồ chân PIC 18F4331 88 Hình 7.10 Mạch điều khiển 18F43318 89 Hình 7.11 Mạch điều khiển PIC 18F4331 với RS232 90 Hình 7.12 Mạch điều khiển step Motor 90 Hình 7.13 Mạch công suất chính 90 ix DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 7.1: Bảng các đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS232 77 Bảng 7.2: Bảng mô tả các chân cổng COM 78 . song ba bậc tự do đã được đề ra với các nhiệm vụ sau: tìm hiểu tay máy song song và các ứng dụng thực tế, thiết kế động học tay máy song song ba bậc tự do ,phân tích động học tay máy thiết. ngữ tay máy 2 1.3 Tay máy song song 3 1.3.1 Giới thiệu 3 1.3.2 Đặc điểm của tay máy song song 6 1.3.3 Ứng dụng của tay máy song song 6 1.4 Khái quát về tay máy song song ba bậc tự do. của tay máy. Đồng thời đưa ra được ma trận Jacobian, áp dụng vào việc phân tích động học tay máy, bao gồm: phân tích lực tay máy, phân tích vị trí kỳ dị của tay máy. Dựa trên các phân tích