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:
Lớp: CHK8
Chuyên ngành: Tự động hoá
Người HD khoa học:
Ngày giao đề tài: Ngày hoàn
thành:
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

20
05
–

20
08
MỤC LỤC
Trang
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 1
Danh

m

ục
hình

v ẽ , đồ
th ị 2
Lời mở đầu 6
Chương 1- Nghiên cứu tổng quan về Ro bot 8
1.1

Giới

loại

theo
dạng

hình

học

của
không
gian

ho ạt

động 10
1.1.2.2

Phân

loại

Ph

ân

loại

theo
kết

cấu
động

học 17
1.2

Tổ ng
quan

về

Ro bot


song

song

loại

Hexapod 25
1.2.2.1

Cấu trúc
hình

học 26
1.2.2.2 Mô tả to án học của đối tượng Hexapod 26
Chương 2- Mô hình hoá Robot song song loại Hexapod 32
bằng bộ công cụ SimMechanics
2.1

Giới

thiệu

chung

2.1.2

Mô

t

ả

chuy

ển
động
với

SimMechanics

34

2.1.2.1

Chuy ển động


động

c ủa

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 Bo dies 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

ho á


Xây

dựng

cấu

trúc
từng
chân

46

2.2.2.1

Cấu trúc
chân

thứ
Hexapod 65

Chương 3- Khảo sát ho ạt động của Robot song song loại Hexapod 71
3.1 Khảo sát ho ạt động của Hexapo d ở chế độ động học ngược 72
3.1.1

Xây

dựng

mô

hình 72

3.1.2

Lựa

chọ n chế
độ
và

kết


79

3.3

Các

s

ơ
đồ
Simulink

phục

vụ

mô

phỏng

toàn

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
h tt p://ww w .l r c

- t nu . e

du . v

n

đã đạt được một số kết quả sau:
- 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 thuật c ủa He xapod).
- Tìm hiểu bộ công cụ SimMechanics trong Matlab / Simmulink với các ứng

dụng của
bộ công cụ này trong việc mô hình hoá c ác cơ cấu cơ khí. Trên cơ sở đó

tiến hành
mô hình hoá Robot song song lo ại He xapod bằng SimMechanics.
- 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 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 P ID 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 c ảm ơn PGS. TSKH. Nguyễn Phùng Quang,

DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Nguyên lý làm việc, không gian làm việc và sơ đồ động học

của Robot toạ độ vuông góc.
Hình 1.2 Nguyên lý làm việc, không gian làm việc và sơ đồ động học
của Robot toạ độ trụ.
Hình 1.3 Nguyên lý làm việc, không gian làm việc và sơ đồ động học
của Robot toạ độ cầu.
Hình 1.4 Nguyên lý làm việc, không gian làm việc và sơ đồ động học
của Robot liên kết bản lề.
Trang
11
11
12
12
Hình 1.5 Một dạng Robot gắp đ ặt.
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 phỏ ng chuyển động do James Swinnett đăng ký
20
sáng chế năm 1931.
Hình 1.10 Robot sơn với kết cấu động học song song do V. Willard,
21
V.Pollard đ ăng ký sáng chế năm 1942.
Hình 1.11 Mặt bàn công tác Gough nguyên bản.

36
Hình 2.5 Thư viện 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 Hexapo d.
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 trúc 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.

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 mo dul
72
Constraint.
Hình 3.8 Bảng tham số khối Motion.
72
Hình 3.9 Vị trí chuyển động của End 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

động

(mo ving / mobile platform) và một mặt nền cố định được nối với nhau bởi các
ch ân.

Về cơ bản số chân của 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 gia công cơ khí tại
các nhà máy, xí nghiệp, trung tâm sản xuất vẫn còn sử dụng nhiều máy công cụ
truyền thố ng. Các máy này thường chỉ có 3 chuyển động phối hợp, vì vậy không thể
gia công các sản 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 sản xuất các vật dụng hàng ngày … Để giải 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 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
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 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 P GS. 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 Ro bot.

thao tác khác nhau với mục đích tự động ho á 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.
Khô ng lâu sau khi xuất hiện robot được điều khiển theo chương trình, người
ta đã thực hiện được những ro bot tự hành. Hơn nữa, với những bước phát triển
nhanh chóng của kỹ thuật điện tử và tin học, hiện nay người ta đ ã sáng tạo nhiều
robot cảm xúc và có khả năng xử lý thô ng tin. Do đó định nghĩa robot cũng có
những thay đổi bổ sung.
Những robot hay tay máy dùng các cơ cấu cam trong hệ thống điều khiển có
được thừa nhận hay khô ng là không quan trọng; điều quan trọng là chúng đã đóng
vai trò đáng kể trong việc tự động ho á 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 ho ạt”, mà đại diện của chúng là những robot được điều khiển

bằng chương trình, thay đổi được nhiệm vụ thao tác đ ặt ra một c ách nhanh chóng.
Các Ro bot 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 to àn 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

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động, không gian làm việc và

sơ đồ động học của robot toạ độ trụ.
* Rob ot toạ đ ộ cầu (spherical robot):
Ba bậc chuyển động cơ bản gồm một trục tịnh tiến và hai trục quay (hình 1.3)
Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động, không gian làm việc và

sơ đồ động học của robot toạ độ cầu.
* Rob ot khớp bản lề (articular robot):
Ba bậc chuyển động cơ bản gồ m ba trục quay, bao gồm cả kiểu robot

SCARA (hình 1.4).
Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động, không gian làm việc và
sơ đồ động học của robot liên kết bản lề.
1.1.2.2 Phân loại theo thế hệ
Theo quá trình phát triển của robot, ta có thể chia ra theo các mức độ sau đây:
* Rob ot thế hệ thứ nhất
Bao gồ m các dạng robot ho ạt động lặp lại theo một chu trình khô ng thay
đổi

(playback robots), theo chương trình định trước. Chương trình ở đây cũng có
hai

dạng; chương trình “cứng” khô ng thay đổi được như điều khiển bằng hệ thố ng
cam
và điều khiển với chương trình có thể thay đổi theo yêu cầu công nghệ của môi

trường sử dụng nhờ các panel điều khiển ho ặc máy tính.
Đặc


là robot với

điều khiển theo chương trình nhưng có thể tự điều chỉnh ho ạt động
thích ứng với

những thay đổi của môi trường thao tác. Dạng robot với trình độ điều
khiển này còn

được gọi là robot được điều khiển thích nghi cấp thấp.
Robot thế hệ này bao gồ m các ro bot sử dụng cảm biến trong điều khiển
(sensor - controlled robots) cho phép tạo được những vòng điều khiển kín kiểu
servo.
Đặc

điểm

:
Điều khiển vòng kín các chuyển động của tay máy.
Có thể tự ra quyết định lựa chọn chương trình đáp ứng dựa trên tín hiệu
phản hồi từ cảm biến nhờ các chương trình đ ã được cài đặt từ trước.
Hoạt động của robot có thể lập trình được nhờ các công cụ như bàn phím,
pa-nen điều khiển.
* Rob ot thế hệ thứ ba
Đây là dạng phát triển cao nhất của robot tự cảm nhận. Các robot ở đây được
trang bị những thuật toán xử lý các phản xạ logic thích nghi theo những thông tin và
tác động của môi trường lên chúng; nhờ đó robot tự biết phải làm gì để ho àn
thành

được công việc đã được đặt ra cho chúng. Hiện nay cũng đã có nhiều công
bố về

Có những đ ặc điểm tương tự như thế hệ thứ hai và thứ ba, có khả năng
tự

động lựa chọn chương trình ho ạt động và lập trình lại cho các hoạt động dựa
trên

các tín hiệu thu nhận được từ cảm biến.
Bộ điều khiển phải có bộ nhớ tương đối lớn để giải các bài toán tối ưu với
điều kiện biên không được xác định trước. Kết quả của bài toán sẽ là một tập hợp
các tín hiệu điều khiển các đáp ứng của robot.
* Rob ot thế hệ thứ năm
Là tập hợp những robot được trang bị trí tuệ nhân tạo (artificially intelligent
robot).
Đặc

điểm

:
Robot được trang bị các kỹ thuật của trí tuệ nhân tạo như nhận dạng tiếng
nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tượng qua tiếp xúc, v.v để ra
quyết định và giải quyết các vấn đề hoặc nhiệm vụ đặt ra cho nó.
Robot được trang bị mạng Neuron có khả năng tự học.
Robot được trang bị các thuật toán dạng Neuron Fuzzy/Fuzzy Logic để tự
suy nghĩ và ra quyết định cho các ứng xử tương thích với những tín hiệu nhận được
từ môi trường theo những thuật to án tối ưu một hay nhiều mục tiêu đồng thời.
Hiện nay trong lĩnh vựcgiải trí, nhiều dạng robot thế hệ này đang được phát
triển như robot Aibo - chú chó robot của hãng So ny hay robot đi trên hai chân
và

khiêu vũ được của hãng Honda.

thực hiện điều khiển vòng hở. Robot hoạt
động căn cứ vào các tín hiệu phản hồi từ các
tiếp điểm giới hạn hành trình cơ khí đặt trên
các trục của tay máy.
Hình 1.5 Một dạng robot gắp đặt
Hình 1.6 Một loại robot
sơn

thực hiện đường dẫn
liên tục
* Rob ot đường dẫn liên
tục
Robot loại này sử dụng bộ điều khiển servo thực
hiện điều khiển vò ng kín. Hệ thố ng điều
khiển

liên tục là hệ thống trong đó robot được
lập trình

theo một đường chính xác. Tro ng hệ
thống điều

khiển này, đường dẫn được biểu điễn
bằng một

loạt các điểm rời rạc gần nhau và
được lưu vào

bộ nhớ robot, sau đó robot sẽ thực
hiện lại chính