Thạc Sĩ Mô hình hoá và mô phỏng Robot song song loại Hexapod

MỞ ĐẦU


Ý tưởng về những cơ cấu với các khâu động học song song đ ã xuất hiện và được thực hiện bởi Gough và Ste ward vào những năm 50 - 60 của thế kỷ XX. Những cơ cấu loại này được gọi là nề n t ảng Ste ward - Go ugh. Nề n tảng Ste ward - Gough về cơ bản được sử dụng để mô phỏng. Sau đó, vào năm 1983 Hunt đã đưa ra hệ thống nghiê n cứu về cấu trúc động học song song. Kể từ đó cấu trúc động học song song đ ược nghiê n cứu trên một phạm vi r ất rộng lớn. Chúng có ưu điểm là độ cứng vững cao hơn, khả năng chị u tải lớn hơn và quán tính thấp hơn cơ cấu động học nối tiếp.
Thô ng thường một cơ cấu động học song song gồ m một mặt nề n di động (mo ving / mobile platform) và một mặt nề n cố định được nối với nhau bởi các ch ân. Về cơ bản số chân c ủa Robot bằng số bậc tự do của cơ cấu. Mỗi khâu làm việc với một bộ điều khiển.
Còn ở Việt Nam, trong những năm gần đ ây, ở các cơ sở gi a công cơ khí tại các nhà máy, xí nghiệp, trung tâm s ản xuất vẫn còn s ử dụng nhiều máy công cụ truyền thố ng. Các máy này t hường chỉ có 3 chuyể n động phối hợp, vì vậy không thể gia công các s ản phẩm có biên dạng phức tạp thay đổi trong không gian 3 chiều như khuô n mẫu có dạng trụ tròn, biên dạng cam để điều khiển, khuô n mẫu đột, dập, khuôn ép nhựa dùng cho s ản xuất c ác vật dụng hàng ngày Để gi ải quyết tình trạng này, các nhà máy phải lựa chọ n 1 trong 2 phương án: mua máy CNC hiện đại để thay thế, tuy hơi đắt tiền. Phương án thứ hai là cải tạo các máy công cụ truyền thống. Từ đ ây, phương pháp ứng dụng Robot song song loại Hexapod được đưa ra để nghiên cứu, chế t ạo.
Đáp ứng nhu cầu của thực tế này, nhiệm vụ đề ra trong đề tài luận văn mang tên “Mô hình hoá và mô phỏng Robot song song loại Hexapod ” của em l à đi sâu

chi tiết, nghiên cứu và phân tích cơ cấu động học song song với 6 bậc tự do. Trên cơ sở đó xây dựng mô hình Simmechanics và khảo s át hoạt động của Robot. Bước đầu đi vào xây dựng sơ đồ Simulink phục vụ điều khiển hoạt động c ủa Robot t heo một quỹ đạo cho trước.
Được sự hướng dẫn của P GS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang, em đã tiến hành nghiên cứu và viết bản t huyết mi nh luận văn với 3 c hương:

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về Ro bot.

Chương 2: Mô hình hoá Robot song song loại Hexapod bằng bộ công cụ

SimMechanics.

Chương 3: Khảo s át ho ạt động của Robot song song loại He xapod.

Hoàn thành bản l uận văn này em xi n chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, chỉ

bảo c ủa thầy giáo PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang.

Mặc dù đã rất cố gắng song bản luận văn của em chắc chắn không tránh khỏi

sai sót. Kí nh mong nhận được sự c hỉ bảo của c ác thầy cô gi áo và góp ý của các bạn.



TÓM TẮT LUẬN VĂN


Luận văn đã hoàn thành trong thời gi an, mặc dù trong quá trình l àm luận văn gặp r ất nhiều khó khăn trong việc tìm kiếm thông tin và t ài liệu nghiên cứu nhưng được sự hướng dẫn, chỉ bảo t ận tì nh của PGS. TSKH. Nguyễ n Phùng Quang đề tài đã đạt được một số kết quả s au:
- Nghiên cứu tổng quan về Robot nói chung và Ro bot song song nói riêng. Đưa ra được mô hình toán học của đối tượng Hexapod (bậc tự do cơ cấu, phương trình động học ngược và một số thông số kỹ t huật c ủa He xapod) .
- Tìm hiểu bộ công cụ SimMechanics trong Matl ab / Simmulink với các ứng dụng của bộ công cụ này trong việc mô hì nh hoá c ác cơ cấu cơ khí. Trên cơ sở đó tiến hành mô hình hoá Robot song song lo ại He xapod bằng Si mMechanics.
- Khảo sát hoạt động của Ro bot song song loại Hexapo d ở 2 chế độ động học ngược và động học thuận. Xây dựng một số sơ đồ Simulink phục vụ mô phỏng toàn bộ hệ thố ng Hexapod khi muốn hệ thống được điều khiển theo một quỹ đạo định trước.
Bên c ạnh những kết quả đạt được, đề tài còn tồn t ại một số hạn chế, t ác giả mới chỉ đưa ra thuật toán điều khiển sử dụng bộ điều khiển P ID ki nh điển. Hướng phát triển của đề tài là sẽ nâng cấp thuật toán điều khiển để đạt độ chính xác cao hơ n trong quá trình điều khiển.
Một lần nữa tôi xin chân thành c ảm ơn PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu làm l uận văn. Vì l ý do t hời gi an, trình độ cũng như những hạn chế đã kể trên, luận văn chắc chắn khô ng tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến nhận xét, đóng góp ý kiến của các t hầy cô và các bạn.
Xin c hân t hành c ảm ơn!






MỤC LỤC



Trang



Mục l ục

Danh mục các ký hiệu, các c hữ viết tắt


1
Danh mục hình vẽ, đồ thị 2
Lời mở đầu 6
Chương 1- Nghiên cứu tổng quan về Ro bot 8
1.1 Giới thiệu chung về Robot 9
1.1.1 Khái niệm về Ro bot 9

1.1.2 Phân loại Robot 10
1.1.2.1 Phân loại t heo dạng hì nh học c ủa không gian ho ạt động 10
1.1.2.2 Phân loại t heo thế hệ 12
1.1.2.3 Phân loại t heo bộ điều khiển 15
1.1.2.4 Phân loại t heo nguồn dẫn động 16
1.1.2.5 Phân loại t heo kết c ấu động học 17
1.2 Tổ ng quan về Ro bot song song loại He xapo d 20
1.2.1 Vài nét chung về Robot song song 20
1.2.2 Robot song song loại Hexapod 25
1.2.2.1 Cấu tr úc hì nh học 26
1.2.2.2 Mô t ả to án học của đối tượng He xapod 26
Chương 2- Mô hì nh hoá Robot song song loại Hexapod 32
bằng bộ công c ụ Si mMechanics
2.1 Giới thiệu chung về bộ công cụ Sim Mechanics 33
2.1.1 Simmec hanics và ứng dụng c ủa Si mMechanics 33
2.1.2 Mô t ả c huyển động với Si mMechanics 34
2.1.2.1 Chuyển động và trạng t hái c huyển động 34
2.1.2.2 Chuyển động c ủa thân trong SimMechanics 34
2.1.2.3 SimMechanics thay thế sự định hướng của t hân 36
2.1.2 Thư viện c ác khối chuẩn của SimMechanics 38
2.1.2.1 Thư viện c ác khối Bo dies 39
2.1.2.2 Thư viện c ác khối hạn c hế và tr uyề n động 40
2.1.2.3 Thư viện c ác phần tử lực 41
2.1.2.4 Thư viện c ác khớp 41
2.1.2.5 Thư viện cơ c ấu chấp hành và thiết bị đo 42
2.1.2.6 Các ứng dụng khác 43
2.2 Mô hì nh ho á Robot song song loại Hexapod 44
2.2.1 Xây dựng mô hì nh khối Si mMechanics 44
2.2.2 Xây dựng cấu tr úc từng chân 46
2.2.2.1 Cấu tr úc chân thứ nhất 46

2.2.2.2 Cấu tr úc chân hai, ba, bố n, năm, sáu 47
2.2.3 Định dạng các khối 50
2.2.3.1 Tí nh toán c ác thô ng số đặc trưng c ần thiết của t ừng khối 50
2.2.3.2 Định dạng c ác khối trong sơ đồ Si mMechanics 61
2.2.4 Hoàn chỉ nh mô hình c ủa He xapod 65
Chương 3- Khảo s át ho ạt động của Robot song song loại He xapod 71
3.1 Khảo sát ho ạt động của Hexapo d ở chế độ động học ngược 72
3.1.1 Xây dựng mô hì nh 72
3.1.2 Lựa chọ n chế độ và kết quả 76
3.2 Khảo sát ho ạt động của Hexapo d ở chế độ động học t huận 79
3.3 Các sơ đồ Simulink phục vụ mô phỏng toàn bộ hệ thống Hexapod 82
3.3.1 Cơ sở to án học 82
3.3.2 Xây dựng các hệ t hống con 84
3.3.2.1 Khối Plant 84
3.3.2.2 Khối Leg Tranjectory 85
3.3.2.3 Bộ điều khiển PID 88
3.3.2.4 Khối điểm đặt trước 89
Kết luận 91
Tài liệu tham khảo 92