Thiết Kế Và Chế Tạo ROBOCRANE

Giới thiệu tổng quan RoboCrane và ứng dụng của cơ cấu song song, ưu nhược của cơ cấu, khả năng làm việc, thiết kế và nêu một số giải pháp điều khiển RoboCrane bao gồm: Phân tích vị trí, phân tích Jacobian, phân tích lực tĩnh và độ cứng vững, phân tích động học, phân tích động lực học, thiết kế kết cấu chân và đầu ra một giải pháp điều khiển song song các cơ cấu chấp hành.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Thiết Kế Và Chế Tạo ROBOCRANE thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o ROBOCRANE KS. Tõ DiÖp C«ng Thµnh, PGS.TS. §Æng V¨n Ngh×n Bé m«n C¬ §iÖn Tö - Khoa C¬ KhÝ - §¹i häc B¸ch Khoa TPHCM Email: tdcthanh@dme.hcmut.edu.vn Tãm t¾t Bµi b¸o giíi thiÖu tæng quan RoboCrane vµ øng dông cña c¬ cÊu song song, −u nh−îc cña c¬ cÊu, kh¶ n¨ng lµm viÖc, thiÕt kÕ vµ nªu mét sè gi¶i ph¸p ®iÒu khiÓn RoboCrane bao gåm: Ph©n tÝch vÞ trÝ, ph©n tÝch Jacobian, ph©n tÝch lùc tÜnh vµ ®é cøng v÷ng, ph©n tÝch ®éng häc, ph©n tÝch ®éng lùc häc, thiÕt kÕ kÕt cÊu ch©n vµ ®−a ra mét gi¶i ph¸p ®iÒu khiÓn song song c¸c c¬ cÊu chÊp hµnh . Abstract The paper introduces the general of RoboCrane and the application of parallel control mechanics. Main terms are design compositions and lodge a solution to control RoboCrane. Some main subjects are studied: Position Analysis, Jacobian Analysis, Statics and Stiffness Analysis, Kinematics Analysis, Dynamics Analysis, Design climb compositions and lodge a solution to parallel control actuators. tæng quan CÇn cÈu ®−îc dïng rÊt nhiÒu trong lÜnh vùc s¶n xuÊt lín nh−ng kh¶ n¨ng sö dông kh«ng ®−îc réng r·i trong nh÷ng lÜnh vùc ®ßi hái sù chÝnh x¸c cao. §Ó kh¾c phôc ®iÒu ®ã, mét lo¹i cÇn cÈu míi ®· ra ®êi, nã ®−îc ®iÒu khiÓn khèng chÕ c¶ s¸u bËc tù do b»ng m¸y tÝnh. CÇn cÈu ®ã ®−îc gäi lµ cÇn cÈu Robot hay lµ RoboCrane. RoboCrane ®−îc thiÕt kÕ dùa trªn ý t−ëng tay m¸y liªn kÕt song song cña Stewart Platform sö dông c¸c d©y c¸p lµ phÇn nèi song song vµ trôc têi lµ bé phËn vËn hµnh. Sµn lµm viÖc ®−îc treo l¬ löng vµ gi÷ c¨ng bëi s¸u sîi d©y c¸p, t¶i träng lµ lùc c−ìng bøc. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, ViÖn Tiªu ChuÈn vµ Kü ThuËt Quèc Gia Hoa Kú (NIST) ®· nghiªn cøu rÊt nhiÒu vÒ RoboCrane v× RoboCrane lµ mét cuéc c¸ch m¹ng míi cña cÇn cÈu tù ®éng, cã thÓ ®iÒu khiÓn vÞ trÝ, tèc ®é mét c¸ch chÝnh x¸c theo c¶ s¸u bËc tù do. D−íi ®©y lµ mét sè h×nh ¶nh RoboCrane cña NIST ®−îc ¸p dông vµo thùc tÕ. (a) (b) (c) (d) H×nh 1: a) RoboCrane vËn chuyÓn hµng hãa b) RoboCrane x©y cÇu c) RoboCrane x©y dùng d©n dông vµ kinh doanh d) RoboCrane hµn trong ®ãng tµu 2. PH¢N TÝCH VÞ TRÝ - X¸c ®Þnh bËc tù do cña c¬ cÊu Mét ®Çu cña mçi s¸u sîi c¸p cña RoboCrane ®−îc nèi víi tÊm di chuyÓn, khíp nèi nµy ®−îc xem nh− lµ khíp cÇu. §Çu d©y cßn l¹i nèi víi gi¸ qua c¸c puly, còng ®−îc xem nh− lµ khíp cÇu. §é dµi cña mçi sîi d©y ®−îc thay ®æi bëi c¸c ®éng c¬. Víi ®é dµi cña mçi sîi d©y kh¸c nhau ta cã thÓ t¹o ra vÞ trÝ vµ h−íng bÊt kú cña tÊm di chuyÓn trong kh«ng gian. ë ®©y cã tæng céng 14 kh©u (6 sîi d©y, 6 puly, gi¸ vµ tÊm di chuyÓn), 18 khíp, 6 bËc tù do thõa. Sè bËc tù do cña c¬ cÊu: F = λ(n-j-1) + Σfi – fp (1) Víi: λ : lµ bËc tù do cña kh©u bÊt kú trong kh«ng gian (λ=6) n : lµ tæng sè kh©u trong c¬ cÊu j : lµ tæng sè khíp trong c¬ cÊu fi : lµ tæng sè bËc tù do cña khíp trong c¬ cÊu fp : lµ tæng sè bËc tù do thõa cña c¬ cÊu VËy F = 6(14 – 18 - 1) + (12x3 + 6x1) – 6 = 6 Nh− vËy bËc tù do cña RoboCrane lµ 6, ®iÒu ®ã cã nghÜa lµ nã cã thÓ thùc hiÖn c¸c chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn theo ph−¬ng x, y, z, xoay, gËp, l¾c (quay quanh trôc x, y,z). Tuy nhiªn trong ph¹m vi cña bµi b¸o th× RoboCrane ®−îc x©y dùng theo yªu cÇu tÊm di chuyÓn phÝa d−íi lu«n lu«n chuyÓn ®éng trong mÆt ph¼ng song song víi mÆt ph¼ng Oxy. Tõ yªu cÇu ®ã ta x¸c ®Þnh m« h×nh to¸n häc cña RoboCrane (h×nh 2). A1 A2 O a A3 A4 X A5 A6 B2 B 3 B6 B 1 b B4 B5 Z H×nh 2: S¬ ®å nguyªn lý Robocrane - Ma trËn xoay cña RoboCrane Víi m« h×nh vµ yªu cÇu lµm viÖc cña RoboCrane, ta cã ®−îc ma trËn xoay chuyÓn ®æi täa ®é gi÷a tÊm di chuyÓn vµ gi¸. Ma trËn xoay cã ®−îc tõ viÖc xoay quanh trôc Oz mét gãc υ. Khi ®ã A RB = cosθ -sinθ 0 sinθ cosθ 0 (2) 0 0 1 3. BµI TO¸N §éNG HäC NG¦îC §èi víi bµi to¸n ®éng häc ng−îc th× ®é dÞch chuyÓn ∆, ma trËn ARB vµ vÞ trÝ ban ®Çu po ®· biÕt. Ta ph¶i t×m chiÒu dµi c¸c ®o¹n d©y c¸p t¹i ®iÓm ph©n tÝch. Tõ m« h×nh cña RoboCrane ta x¸c ®Þnh täa ®é c¸c ch©n t¹i vÞ trÝ lµm viÖc nh− sau: 4. Bµi to¸n ®éng häc thuËn §èi víi bµi to¸n ®éng häc thuËn, chiÒu dµi c¸c sîi d©y c¸p di ®· biÕt, ta ph¶i x¸c ®Þnh ®−îc vÞ trÝ tÊm di chuyÓn øng víi chiÒu dµi c¸c d©y di (chÝnh lµ ®é dÞch chuyÓn ∆ vµ ma trËn xoay ARB). Chóng ta còng cã thÓ nhËn ®−îc vÞ trÝ cña mçi ch©n nhê vµo vÞ trÝ cña tÊm di chuyÓn. Tõ m« h×nh RoboCrane ta cã ph−¬ng tr×nh vßng kÝn cña ch©n i nh− sau: ai + disi = p + bI (3) ë ®©y ai = [aix, aiy, 0]T lµ vector vÞ trÝ cña Ai trong hÖ täa ®é cè ®Þnh A, Bbi = [bix, biy, 0]T lµ vector vÞ trÝ cña Bi trong hÖ täa ®é di chuyÓn B, bi biÓu thÞ vector Bbi trong hÖ täa ®é cè ®Þnh A (bi = ARBBbi) si lµ vector ®¬n vÞ h−íng tõ Ai ®Õn Bi vµ di lµ ®é dµi ch©n i. Ph−¬ng tr×nh vßng kÝn ch©n i viÕt l¹i lµ p + bi − ai si = di = p − bi − ai (4) di H−íng cña ch©n i cã thÓ ®−îc biÓu diÔn nhê vµo hai gãc Euler lµ quay quanh trôc zi mét gãc φi, tiÕp ®ã quay quanh trôc yi mét gãc υi nh− trong h×nh d−íi. Do ®ã ma trËn xoay cña ch© ...