mô hình hóa và mô phỏng robot song song loại hexapod

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP *** CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc l ập - 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 T RƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ T HUẬT 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 T R Ầ N T H Ị T H A N H H Ả I T Ự Đ Ộ N G H O Á 2 0 0 5 – 2 0 0 8 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 THÁI NGUYÊN 2008 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt p ://ww w .l r c - t nu . e d u . v n 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt p ://ww w .l r c - t nu . e d u . v n 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt p ://ww w .l r c - t nu . e d u . v n 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 h tt p ://ww w .l r c - t nu . e d u . v n 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! Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên h tt p ://ww w .l r c - t nu . e d u . v n Hexapo d Parallel Kinematic SimMechanics Spherical Prismatic. KEYWORDS - 1 – DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT TÊN ĐẦY ĐỦ BP CG CS F LL LS M Pos TP UL US Vel Base Platform - Mặt nền cố định. Center of Gravity - Điểm trọng tâm Coordinate system - Hệ toạ độ Force - Lực (N) Lo wer leg - Chân dưới Lo wer Spherical - Khớp cầu dưới Motion - Chuyển động Position - Vị trí To p Platform ( mobile pl atform) - Mặt nền di động c hứa điểm t ác động cuối End Effector Upper leg - Chân trên Upper Spherical - Khớp cầu trên Velocity - Tốc độ - 2 – DANH MỤC HÌNH VẼ - ĐỒ THỊ Hình 1.1 Nguyên l ý làm việc, không gian l àm việc và sơ đồ động học của Robot toạ độ vuông góc. Hình 1.2 Nguyên l ý làm việc, không gian l àm việc và sơ đồ động học của Robot toạ độ trụ. Hình 1.3 Nguyên l ý làm việc, không gian l àm việc và sơ đồ động học của Robot toạ độ cầu. Hình 1.4 Nguyên l ý làm việc, không gian l àm 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 t hực hiện đường dẫn liên tục . 16 Hình 1.7 Cấu tr úc nối tiếp. 17 Hình 1.8 Cấu tr úc song song. 18 Hình 1.9 Thiết bị mô phỏ ng chuyể n động do James Swi nnett đăng ký 20 sáng chế năm 1931. Hình 1.10 Robot sơn với kết cấu động học song song do V. Willar d, 21 V.Pollard đ ăng ký sáng c hế năm 1942 . Hình 1.11 Mặt bàn công tác Gough nguyê n bản. 21 Hình 1.12 Ste wart Gough Platform. 22 Hình 1.13 Thiết bị mô phỏ ng bay đầu tiên được thương mại hoá do 23 Klan Cappel phát triển vào giữa những năm 60. Hình 1.14 Quan sát gi ao tho a nhờ He xapod. 24 Hình 1.15 Nguyên l ý Hexapo d ứng dụng trong t hiết bị mô phỏng bay. 24 Hình 1.16 Nguyên l ý Hexapo d ứng dụng trong y học. 25 Hình 1.17 Sơ đồ nguyên l ý Hexapo d mà đề t ài lựa chọ n. 25 Hình 1.18 Sơ đồ khối các khớp của Hexapod. 26 [...]... 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 hì nh hoá và mô phỏng Robot song song loại Hexapod ” c ủa 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... tới trong kỹ thuật công nghệ 1.2 TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG LOẠI HEXAPOD 1.2.1 VÀI NÉT CHUNG VỀ ROBOT SONG SONG Tro ng khi những công trình l ý thuyết về cơ cấu động học song song đã có từ hàng trăm năm nay thì những ứng dụng thực tế mới chỉ biết đến trong thế kỷ XX Cũng khô ng rõ rằng hệ động học song song mô tả ở hình 1.2 có thực sự là hệ đầu tiên và đã được chế tạo hay không Chắc chắn hồi đó người.. .Hình 1.19 Mô hì nh khớp c ầu và khớp trượt 27 Hình 1.20 Mô hì nh Ro bot Hexapod trong không gian 28 Hình 1.21 Phân tích hì nh học các c hi tiết của He xapod 29 Hình 1.22 Sơ đồ nguyên l ý chi tiết của Hexapod 31 Hình 2.1 Hệ toạ độ toàn thể và hệ toạ độ tương đối Hình 2.2 Thư việ n c ác khối chuẩn của SimMechanics 34 Hình 2.3 Thư việ n c ác khối Bo dies 35 Hình 2.4 Thư việ n c ác khối hạn c hế và. .. Constraint Hình 3.8 Bảng tham số khối Motion 72 Hình 3.9 Vị trí chuyể n 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 c huyển động của End Effector 75 Hình 3.12 Đồ thị vị trí chuyể n động c ủa các khớp 76 Hình 3.13 Đồ thị tốc độ chuyển động của c ác khớp 76 Hình 3.14 Mô hì nh Si muli nk phục vụ điều khiển 77 Hình 3.15 Mô hì nh Hexapod trong... Si mMechanics hoàn chỉ nh của Hexapod 65 Hình 3.1 Mô hì nh Si mMechanics hoàn chỉ nh của Hexapod 67 Hình 3.2 Mô hình SimMechanics của Hexapod ở chế độ động học 68 ngược Hình 3.3 Cấu tr úc chân He xapod 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 Act uator 70 Hình 3.6 Bảng tham số khối Machi ne Environme nt 71 Hình 3.7 Bảng tham số khối Machi... uyề n động 36 Hình 2.5 Thư việ n c ác phần tử lực 36 Hình 2.6 Thư việ n c ác khớp 37 Hình 2.7 Thư việ n cơ c ấu chấp hành và thiết bị đo 38 Hình 2.8 Thư việ n c ác ứng dụng khác 38 Hình 2.9 Nguyên l ý Hexapo d 39 Hình 2.10 Mô hì nh Hexapod trong Sim Mechanics 40 Hình 2.11 Nguyên l ý cấu tr úc chân Le g 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... 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 hì nh 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 c hân 47 Hình 2.21 Bảng tham số khớp c ầu trên 56 Hình 2.22 Bảng tham số khớp c ầu dưới 57 Hình 2.23 Bảng tham số khớp trượt 57 Hình 2.24... 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... một thiết bị mô phỏng bay cho máy bay lên thẳng và đăng ký sáng chế năm 1964 Trên cơ sở này, hàng chục năm tiếp t heo nhiều hãng đã phát triển và chế t ạo những t hiết bị mô phỏng bay Tro ng những năm 80 và 90 cơ cấu chuyển động song song được phát triển chủ yếu cho t hiết bị vân hành và được sử dụng ngày càng nhiề u trong công nghiệp Khởi xướng đầu tiên có sử dụng cơ cấu động học song song trong máy... Upper leg 58 Hình 2.25 Bảng tham số khối Upper leg ở modul Orientation 59 Hình 2.26 Bảng tham số khối Lo wer le g 59 Hình 2.27 Bảng tham số khối Gro und 60 Hình 2.28 Mô hì nh ho àn chỉnh của Le g 1 trong Sim Mechanics 61 Hình 2.29 Bảng tham số khối Act uator 62 Hình 2.30 Bảng tham số khối Joint Sensor 63 Hình 2.31 Bảng tham số khối Bo dy 63 Hình 2.32 Bảng tham số khối Bo dy Se nsor 64 Hình 2.33 Mô hì nh . 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. 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 THÁI NGUYÊN 2008 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái. 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 hì nh hoá và mô phỏng Robot song