ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP *** CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc o0o THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH HOÁ VÀ MÔ PHỎNG ROBOT SONG SONG LOẠI HEXAPOD Học viên: Trần Thị Thanh Hải Lớp: CHK8 Chuyên ngành: Tự động hoá Người HD khoa học: PGS. TSKH Nguyễn Phùng Quang Ngày giao đề tài: 01 / 12 / 2007 Ngày hoàn thành: KHOA SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN PGS.TSKH Nguyễn Phùng Quang Trần T.T Hải ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ MÔ HÌNH HOÁ VÀ MÔ PHỎNG ROBOT SONG SONG LOẠI HEXAPOD Học viên: Trần Thị Thanh Hải Người HD khoa học: PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang THÁI NGUYÊN 2008 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ MÔ HÌNH HOÁ VÀ MÔ PHỎNG ROBOT SONG SONG LOẠI HEXAPOD TRẦN THỊ THANH HẢI THÁI NGUYÊN 2008 TRẦN THỊ THANH HẢI TỰ ĐỘNG HOÁ 2005 – 2008 THÁI NGUYÊN 2008 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Trang Mục lục Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 1 Danh mục hình vẽ, đồ thị 2 Lời mở đầu 6 Chương 1- Nghiên cứu tổng quan về Robot 8 1.1 Giới thiệu chung về Robot 9 1.1.1 Khái niệm về Robot 9 1.1.2 Phân loại Robot 10 1.1.2.1 Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động 10 1.1.2.2 Phân loại theo thế hệ 12 1.1.2.3 Phân loại theo bộ điều khiển 15 1.1.2.4 Phân loại theo nguồn dẫn động 16 1.1.2.5 Phân loại theo kết cấu động học 17 1.2 Tổng quan về Robot song song loại Hexapod 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 trúc hình học 26 1.2.2.2 Mô tả toán học của đối tượng Hexapod 26 Chương 2- Mô hình hoá Robot song song loại Hexapod bằng bộ công cụ SimMechanics 32 2.1 Giới thiệu chung về bộ công cụ SimMechanics 33 2.1.1 Simmechanics và ứng dụng của SimMechanics 33 2.1.2 Mô tả chuyển động với SimMechanics 34 2.1.2.1 Chuyển động và trạng thái chuyển động 34 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.1.2.2 Chuyển động của thân trong SimMechanics 34 2.1.2.3 SimMechanics thay thế sự định hướng của thân 36 2.1.2 Thư viện các khối chuẩn của SimMechanics 38 2.1.2.1 Thư viện các khối Bodies 39 2.1.2.2 Thư viện các khối hạn chế và truyền động 40 2.1.2.3 Thư viện các phần tử lực 41 2.1.2.4 Thư viện các khớp 41 2.1.2.5 Thư viện cơ cấu chấp hành và thiết bị đo 42 2.1.2.6 Các ứng dụng khác 43 2.2 Mô hình hoá Robot song song loại Hexapod 44 2.2.1 Xây dựng mô hình khối SimMechanics 44 2.2.2 Xây dựng cấu trúc từng chân 46 2.2.2.1 Cấu trúc chân thứ nhất 46 2.2.2.2 Cấu trúc chân hai, ba, bốn, năm, sáu 47 2.2.3 Định dạng các khối 50 2.2.3.1 Tính toán các thông số đặc trưng cần thiết của từng khối 50 2.2.3.2 Định dạng các khối trong sơ đồ SimMechanics 61 2.2.4 Hoàn chỉnh mô hình của Hexapod 65 Chương 3- Khảo sát hoạt động của Robot song song loại Hexapod 71 3.1 Khảo sát hoạt động của Hexapod ở chế độ động học ngược 72 3.1.1 Xây dựng mô hình 72 3.1.2 Lựa chọn chế độ và kết quả 76 3.2 Khảo sát hoạt động của Hexapod ở chế độ động học thuận 79 3.3 Các sơ đồ Simulink phục vụ mô phỏng toàn bộ hệ thống Hexapod 82 3.3.1 Cơ sở toán học 82 3.3.2 Xây dựng các hệ thống 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.3.2.4 Khối điểm đặt trước 89 Kết luận 91 Tài liệu tham khảo 92 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn đã hoàn thành trong thời gian, mặc dù trong quá trình làm luận văn gặp rất nhiều khó khăn trong việc tìm kiếm thông tin và tài liệu nghiên cứu nhưng được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang đề tài đã đạt được một số kết quả sau: - Nghiên cứu tổng quan về Robot nói chung và Robot 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 thuật của Hexapod). - Tìm hiểu bộ công cụ SimMechanics trong Matlab / Simmulink với các ứng dụng của bộ công cụ này trong việc mô hình hoá các cơ cấu cơ khí. Trên cơ sở đó tiến hành mô hình hoá Robot song song loại Hexapod bằng SimMechanics. - Khảo sát hoạt động của Robot song song loại Hexapod 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 thống Hexapod khi muốn hệ thống được điều khiển theo một quỹ đạo định trước. Bên cạnh những kết quả đạt được, đề tài còn tồn tại một số hạn chế, tác giả mới chỉ đưa ra thuật toán điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển. Hướng phát triển của đề tài là sẽ nâng cấp thuật toán điều khiển để đạt độ chính xác cao hơn trong quá trình điều khiển. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang, người thầy đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu làm luận văn. Vì lý do thời gian, trình độ cũng như những hạn chế đã kể trên, luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến nhận xét, đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn. Xin chân thành cảm ơn! Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn KEYWORDS Hexapod Parallel Kinematic SimMechanics Spherical Prismatic. - 1 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TÊN ĐẦY ĐỦ BP Base Platform - Mặt nền cố định. CG Center of Gravity - Điểm trọng tâm CS Coordinate system - Hệ toạ độ F Force - Lực (N) LL Lower leg - Chân dưới LS Lower Spherical - Khớp cầu dưới M Motion - Chuyển động Pos Position - Vị trí TP Top Platform (mobile platform) - Mặt nền di động chứa điểm tác động cuối End Effector UL Upper leg - Chân trên US Upper Spherical - Khớp cầu trên Vel Velocity - Tốc độ - 2 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Nguyên lý làm việc, không gian làm việc và sơ đồ động học của Robot toạ độ vuông góc. 11 Hình 1.2 Nguyên lý làm việc, không gian làm việc và sơ đồ động học của Robot toạ độ trụ. 11 Hình 1.3 Nguyên lý làm việc, không gian làm việc và sơ đồ động học của Robot toạ độ cầu. 12 Hình 1.4 Nguyên lý làm việc, không gian làm việc và sơ đồ động học của Robot liên kết bản lề. 12 Hình 1.5 Một dạng Robot gắp đặt. 16 Hình 1.6 Một loại Robot sơn thực hiện đường dẫn liên tục. 16 Hình 1.7 Cấu trúc nối tiếp. 17 Hình 1.8 Cấu trúc song song. 18 Hình 1.9 Thiết bị mô phỏng chuyển động do James Swinnett đăng ký sáng chế năm 1931. 20 Hình 1.10 Robot sơn với kết cấu động học song song do V. Willard, V.Pollard đăng ký sáng chế năm 1942. 21 Hình 1.11 Mặt bàn công tác Gough nguyên bản. 21 Hình 1.12 Stewart Gough Platform. 22 Hình 1.13 Thiết bị mô phỏng bay đầu tiên được thương mại hoá do Klan Cappel phát triển vào giữa những năm 60. 23 Hình 1.14 Quan sát giao thoa nhờ Hexapod. 24 Hình 1.15 Nguyên lý Hexapod ứng dụng trong thiết bị mô phỏng bay. 24 Hình 1.16 Nguyên lý Hexapod ứng dụng trong y học. 25 Hình 1.17 Sơ đồ nguyên lý Hexapod mà đề tài lựa chọn. 25 Hình 1.18 Sơ đồ khối các khớp của Hexapod. 26 [...]... Robot song song loại Hexapod được đưa ra để nghiên cứu, chế tạo 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 là đi sâu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn -7– 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. ..-3– Hình 1.19 Mô hình khớp cầu và khớp trượt 27 Hình 1.20 Mô hình Robot Hexapod trong không gian 28 Hình 1.21 Phân tích hình học các chi tiết của Hexapod 29 Hình 1.22 Sơ đồ nguyên lý chi tiết của Hexapod 31 Hình 2.1 Hệ toạ độ toàn thể và hệ toạ độ tương đối Hình 2.2 Thư viện các khối chuẩn của SimMechanics 34 Hình 2.3 Thư viện các khối Bodies 35 Hình 2.4 Thư viện các khối hạn chế và truyền động 36 Hình. .. Effector 73 Hình 3.10 Mô hình SimMechanics của Hexapod ở chế độ động học 74 thuận Hình 3.11 Đồ thị chuyển động của End Effector 75 Hình 3.12 Đồ thị vị trí chuyển động của các khớp 76 Hình 3.13 Đồ thị tốc độ chuyển động của các khớp 76 Hình 3.14 Mô hình Simulink phục vụ điều khiển 77 Hình 3.15 Mô hình Hexapod trong không gian 78 Hình 3.16 Khối Plant 79 Hình 3.17 Đầu vào và đầu ra khối Plant 80 Hình 3.18... http://www.lrc-tnu.edu.vn -4– Hình 2.26 Bảng tham số khối Lower leg 59 Hình 2.27 Bảng tham số khối Ground 60 Hình 2.28 Mô hình hoàn chỉnh của Leg 1 trong SimMechanics 61 Hình 2.29 Bảng tham số khối Actuator 62 Hình 2.30 Bảng tham số khối Joint Sensor 63 Hình 2.31 Bảng tham số khối Body 63 Hình 2.32 Bảng tham số khối Body Sensor 64 Hình 2.33 Mô hình SimMechanics hoàn chỉnh của Hexapod 65 Hình 3.1 Mô hình SimMechanics... các phần tử lực 36 Hình 2.6 Thư viện các khớp 37 Hình 2.7 Thư viện cơ cấu chấp hành và thiết bị đo 38 Hình 2.8 Thư viện các ứng dụng khác 38 Hình 2.9 Nguyên lý Hexapod 39 Hình 2.10 Mô hình Hexapod trong SimMechanics 40 Hình 2.11 Nguyên lý cấu trúc chân Leg 1 41 Hình 2.12 Sơ đồ cấu trúc chân thứ nhất 42 Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc chân thứ hai 43 Hình 2.14 Sơ đồ cấu trúc chân thứ ba 43 Hình 2.15 Sơ đồ cấu... xây dựng mô hình Simmechanics và khảo sát hoạt động của Robot Bước đầu đi vào xây dựng sơ đồ Simulink phục vụ điều khiển hoạt động của Robot theo một quỹ đạo cho trước Được sự hướng dẫn của PGS TSKH Nguyễn Phùng Quang, em đã tiến hành nghiên cứu và viết bản thuyết minh luận văn với 3 chương: Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về Robot Chương 2: Mô hình hoá Robot song song lo ại Hexapod bằng bộ công cụ SimMechanics... chỉnh của Hexapod 67 Hình 3.2 Mô hình SimMechanics của Hexapod ở chế độ động học 68 ngược Hình 3.3 Cấu trúc chân Hexapod ở chế độ động học ngược 69 Hình 3.4 Bảng tham số khối Joint Sensor 70 Hình 3.5 Bảng tham số khối Joint Actuator 70 Hình 3.6 Bảng tham số khối Machine Environment 71 Hình 3.7 Bảng tham số khối Machine Environment đối với modul 72 Constraint Hình 3.8 Bảng tham số khối Motion 72 Hình 3.9... chân thứ tư 43 Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc chân thứ năm 44 Hình 2.17 Sơ đồ cấu trúc chân thứ sáu 44 Hình 2.18 Mô hình Hexapod trong không gian 45 Hình 2.19 Sơ đồ vị trí tâm các khớp cầu 46 Hình 2.20 Sơ đồ cấu trúc chi tiết của một chân 47 Hình 2.21 Bảng tham số khớp cầu trên 56 Hình 2.22 Bảng tham số khớp cầu dưới 57 Hình 2.23 Bảng tham số khớp trượt 57 Hình 2.24 Bảng tham số khối Upper leg 58 Hình 2.25 Bảng... xuất cơ điện tử Tuỳ thuộc vào kết quả khắc phục những nhược điểm còn tồn tại mà cơ cấu động học song song sẽ có cơ hội trở thành phương tiện sản xuất hiệu quả và không thể không nghĩ tới trong kỹ thuật công nghệ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 20 – 1.2 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG LOẠI HEXAPOD 1.2.1 VÀI NÉT CHUNG VỀ ROBOT SONG SONG Trong khi những công... hoạt động 4- Robot hoạt động theo chương trình vả lặp lại chương trình (playback robots): người điều khiển có thể lập trình cho robot trong chế độ huấn luyện (teaching mode) 5- Robot điều khiển theo chương trình số (numerically controlled robots) 6- Robot thông minh intelligent robots): robot có thể hiểu, nhận biết và tương tác với môi trường xung quanh 1.1.2.3 Phân loại theo bộ điều khiển * Robot gắp . Robot song song loại Hexapod 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 trúc hình học 26 1.2.2.2 Mô tả toán học của đối tượng Hexapod. này trong việc mô hình hoá các cơ cấu cơ khí. Trên cơ sở đó tiến hành mô hình hoá Robot song song loại Hexapod bằng SimMechanics. - Khảo sát hoạt động của Robot song song loại Hexapod ở 2 chế. dụng Robot song song loại Hexapod được đưa ra để nghiên cứu, chế tạo. 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