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
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

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

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


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

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

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

Thư viện các khối hạn chế và truyền động.
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 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

Bảng tham số khối Upper leg.
58
Hình 2.25
Bảng tham số khối Upper leg ở modul Orientation.
59
- 4 –

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
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

73
Hình 3.10
Mô hình SimMechanics của Hexapod ở chế độ động học
thuận.
74
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
Sơ đồ khối Leg Trajectory.
80
- 5 –

- 6 –

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

MỞ ĐẦU

Ý tưởng về những cơ cấu với các khâu động học song song đã xuất hiện và
được thực hiện bởi Gough và Steward vào những năm 50 - 60 của thế kỷ XX.
Những cơ cấu loại này được gọi là nền tảng Steward - Gough. Nền tảng Steward -
Gough về cơ bản được sử dụng để mô phỏng. Sau đó, vào năm 1983 Hunt đã đưa ra
hệ thống nghiên cứu về cấu trúc động học song song. Kể từ đó cấu trúc động học
song song được nghiên cứu trên một phạm vi rất rộng lớn. Chúng có ưu điểm là độ
cứng vững cao hơn, khả năng chịu tải lớn hơn và quán tính thấp hơn cơ cấu động
học nối tiếp.
Thông thường một cơ cấu động học song song gồm một mặt nền di động
(moving / mobile platform) và một mặt nền cố định được nối với nhau bởi các chân.
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 đây, 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 thống. 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 khuôn mẫu có dạng trụ tròn, biên dạng cam để điều khiển, khuôn 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 chọn 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 đây, phương pháp ứng dụng Robot song song loại Hexapod được đưa ra
- 8 –

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

CHƢƠNG I

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
VỀ ROBOT

- 9 –

- 10 –

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
với “tự động hoá linh hoạt”, mà đại diện của chúng là những robot được điều khiển
bằng chương trình, thay đổi được nhiệm vụ thao tác đặt ra một cách nhanh chóng.
Các Robot 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 toàn 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 cho con người,
khám phá vũ trụ, và khai thác các nguồn lợi đại dương, Robot đã thực sự làm cho
cuộc sống của chúng ta tốt đẹp hơn.
1.1.2. PHÂN LOẠI ROBOT
Trong công nghiệp người ta sử dụng những đặc điểm khác nhau cơ bản nhất
của robot để giúp cho việc nhận xét được dễ dàng. Robot thường được phân loại
theo các yếu tố như: theo dạng hình học của không gian hoạt động, theo thế hệ
robot, theo bộ điều khiển, theo nguồn dẫn động hoặc theo kết cấu.
1.1.2.1. Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động
Để dịch chuyển khâu tác động cuối cùng của robot đến vị trí của đối tượng
thao tác được cho trước trong không gian làm việc cần phải có ba bậc chuyển động
chuyển dời hay chuyển động định vị (thường dùng khớp tịnh tiến và khớp quay loại
5). Những robot công nghiệp thực tế thường không sử dụng quá bốn bậc chuyển
động chuyển dời (không kể chuyển động kẹp của tay gắp) và thông thường với ba
bậc chuyển động định vị là đủ, rất ít khi sử dụng đến bón bậc chuyển động định vị.
Robot được phân loại theo sự phối hợp giữa ba trục chuyển động cơ bản rồi
sau đó được bổ sung để mở rộng thêm bậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh
hoạt. Vùng giới hạn tầm hoạt động của robot được gọi là không gian làm việc.
* Robot toạ độ vuông góc (cartesian robot):
Robot loại này có ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba chuyển động tịnh tiến
dọc theo ba trục vuông góc


* Robot toạ độ cầu (spherical robot):
Ba bậc chuyển động cơ bản gồm một trục tịnh tiến và hai trục quay (hình 1.3)

Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động, không gian làm việc và
sơ đồ động học của robot toạ độ vuông góc.

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động, không gian làm việc và
sơ đồ động học của robot toạ độ trụ.

- 12 –

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

* Robot khớp bản lề (articular robot):
Ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba trục quay, bao gồm cả kiểu robot
SCARA (hình 1.4).


không gian của robot cũng như những thông tin về môi trường bên ngoài như trạng
thái, vị trí của đối tượng thao tác, của các máy công nghệ mà robot phối hợp, nhiệt
độ của môi trường, v.v giúp cho bộ điều khiển có thể lựa chọn những thuật toán
thích hợp để điều khiển có thể lựa chọn những thuật toán thích hợp để điều khiển
robot thực hiện những thao tác xử lý phù hợp. Nói cách khác, đây cũng là robot với
điều khiển theo chương trình nhưng có thể tự điều chỉnh hoạt 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 gồm các robot 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 đã 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.
* Robot thế hệ thứ ba
- 14 –

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
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 hoàn thành
được công việc đã được đặt ra cho chúng. Hiện nay cũng đã có nhiều công bố về
những thành tựu trong lĩnh vực điều khiển này trong các phòng thí nghiệm và được
đưa ra thị trường dưới dạng những robot giải trí có hình dạng của các động vật máy.
Robot thế hệ này bao gồm các robot được trang bị hệ thống thu nhận hình
ảnh trong điều khiển (Vision - controlled robots) cho phép nhìn thấy và nhận dạng
các đối tượng thao tác.

từ môi trường theo những thuật toán 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 Sony hay robot đi trên hai chân và
khiêu vũ được của hãng Honda.
Nhật Bản là đất nước có số lượng robot sử dụng trong công nghiệp nhiều
nhất thế giới. Người Nhật có quan niệm khá khác biệt về robot so với các nước
công nghiệp phát triển. Theo Hiệp hội robot Nhật - JIRA (Japanese Robot
Associasion), robot được chia thành sáu loại, theo mức độ thông minh như sau:
1- Robot hoạt động nhờ người điều khiển trực tiếp từng động tác, bằng
pendant hay pa-nen điều khiển.
2- Robot hoạt động theo chu trình cố định (fixed sequence robots).
3- Robot hoạt động theo chu trình thay đổi được (variable sequence robots):
người điều khiển có thể dễ dàng chỉnh sửa trình tự 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 - đặt
- 16 –

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Robot này thường nhỏ và sử dụng
nguồn dẫn động khí nén. Bộ điều khiển phổ
biến là bộ điều khiển lập trình (PLC) để
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

nén là lưu chất nén được nén robot loại này thường sử dụng trong các thao tác gắp
đặt không cần độ chính xác cao.
* Dùng nguồn thuỷ lực
Nguồn thuỷ lực sử dụng lưu chất không nén được là dầu ép. Hệ thống cần
trang bị bơm để tạo áp lực dầu. Tay máy là các xy - lanh thuỷ lực chuyển động
thẳng và quay động cơ dầu. robot loại này được sử dụng trong các ứng dụng có tải
trọng lớn.
1.1.2.5. Phân loại theo kết cấu động học
* Robot nối tiếp
Trong một cấu trúc động học nối tiếp thông thường thì tất cả các trục chuyển
động được bố trí nối tiếp với nhau. Mỗi khâu động là một vật rắn chỉ được liên kết
hay nối động với một khâu khác nhờ các khớp động. Các loại khớp thường được sử
dụng là những khớp chỉ cho phép thực hiện một chuyển động tương đối giữa hai
khối liên kết. Ví dụ, trục xoay đầu tiên đỡ trục xoay thứ hai, trục xoay thứ hai lại đỡ
trục chuyển động thẳng. Mỗi trục tiếp theo sẽ làm cho kết cấu có thêm một bậc tự
do. Vì vậy thông thường cơ cấu có bao nhiêu khâu động thì sẽ có bấy nhiêu bậc tự
do. Đây là một chuỗi động học hở với một khâu cố định gọi là đế và các khâu
động Mỗi động cơ sẽ phải tải khối lượng của các bộ phận và động cơ ở phía sau.

Hình 1.7 Cấu trúc nối tiếp