Thiết kế và chế tạo mô hình _ Hexapod

Hiện nay Hexapod là một lĩnh vực đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu vì những hiệu quả to lớn mà nó đem lại. Tuy nhiên đây là một thuật ngữ có nhiều nghĩa kỹ thuật

THIếT Kế Và CHế TạO MÔ HìNH HEXAPOD

PGS.TS Đặng Văn Nghìn,

KS Nguyễn Minh Tuấn, KS.Từ Diệp Công Thành

Bộ môn Cơ Điện Tử, Khoa cơ Khí, Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM

Email:mechatronics@dme.hcmut.edu.vn

Tóm tắT

Bài báo này trình bày xu thế cũng như tình hình nghiên cứu của các bộ môn Cơ Điện Tử, phòng thí nghiệm cơ điện tử về Hexapod trên thế giới Các tác giả nêu một số kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo và điều khiển Hexapod 2001

ABSTRACT

This paper introduces the trend and also the researching of the Mechatronics Department and Mechatronics laboratory about Hexapod all over the world The authors bring out some research and design results, manufacture and control Hexapod 2001

I GIớI THIệU CHUNG

Hiện nay Hexapod là một lĩnh vực đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu vì những hiệu quả to lớn mà nó đem lại Tuy nhiên đây là một thuật ngữ có nhiều nghĩa kỹ thuật khác nhau Hexapod là từ ghép “ HEX ” a “ POD ”, theo tiếng hy lạp

có nghĩa là 6 chân Ban đầu người ta hiểu đó là những con vật 6 chân Các nhà khoa học lại mong muốn thiết kế và chế tạo những robot đi bằng 6 chân và như thế những tên gọi mới

được ra đời như Hexapod Walking Robot, hoặc Hexapod Walker

Trong quá trình nghiên cứu và phát triển loại robot có chân, các nhà khoa học đã tạo ra những robot có 8 ,6 , 4 , 2 và thậm chí 1 chân Theo hướng nghiên cứu này các nhà nghiên cứu lại mong muốn nó di chuyển nhanh hơn bằng cách chạy vì thế những sản phẩm mới ra

đời với tên gọi Hexapod Running Robot Các robot có chân đã và đang là mối quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học dùng để thám hiểm, thăm dò trên những điạ hình phức tạp, môi trường khắc nghiệt và độc hại trên trái đất, dưới đại dương hoặc ở trên những hành tinh

xa xôi

Cuối những năm 80 các nhà khoa học mới thực hiện được những mong muốn của mình là thay thế sức lao động của con người trong việc vận chuyển, bốc xếp, lắp ráp sản phẩm và

họ đã tạo ra một loại robot mới là robot song song (parallel robot)

Con người không dừng lại ở đây và tiếp tục phát triển thành các máy 6 chân, trung tâm gia công dùng để cắt gọt các loại vật liệu khác nhau, với những tên gọi Hexapod Machine, Hexapod grinding robot, Hexapod Machine Center, Hexapod Parallel Kinematic Machine, hoặc dùng để đo toạ độ các bề mặt phức tạp như Hexapod Coordinate Measuring Machine Ngoài ra các máy 6 chân này có thể dùng để điều khiển các thiết bị, dụng cụ phẫu thuật trong y khoa, thiên văn học, giao thông và kinh vĩ trong xây dựng

Sau đây là một số hình ảnh ứng dụng của Hexapod:

1 M¸y gia c«ng

2 Y häc

3 HÖ thèng m« pháng

4 Điều khiển thiết bị thiên văn

5 Trắc địa

Vì phạm vi ứng dụng của Hexapod rộng lớn như vậy cho nên nó đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau như: cơ khí, điện tử, tin học, động vật học, thiên văn học và đương nhiên là cơ điện tử

Các trường đại học nghiên cứu về Hexapod có thể được kể đến là: Đại học Florida, Columbia, Texas, Northwestern, Maryland, Washington (Mỹ); Đại học Queens, Laval (Canada); Đại học Nottingham (Anh); Đại học Chemnitz, Aachen, Hamburg, Stuttgart, Hanover (Đức); Đại học Tokyo, Osaka (Nhật); Đại học Seoul, K-jist (Hàn Quốc); Đại học Công nghệ Nanyang (Singapore); Đại học Kỹ thuật (Israel); Đại học Lausans (Thụy Sĩ);

Đại học Leuven (Bỉ); Đại học Bách Khoa Milan (Italia)

Những tập đoàn công nghiệp ứng dụng Hexapod như: Toyoda (HexaM Machine), Fanuc (F-100 Robot), Hexel (Tornado 2000), Geodetic (G500 Machine)

Và đặc biệt, những tổ chức và viện nghiên cứu sau đây có những chiến lược đầu tư rất lớn

để nghiên cứu lý thuyết cũng như ứng dụng triển khai Hexapod như NASA, LME, NIST

Để hiểu rõ hơn mức độ đầu tư cũng như qui mô nghiên cứu chúng tôi xin minh họa một số

dự án sau đây:

Dự án NIST (National Institute of Standards and Technology) với các mục tiêu là kiểm tra

đánh giá và nâng cao độ chính xác cũng như mở rộng khả năng của máy phay CNC 5 trục kiểu Hexapod được triển khai từ năm 1998 đến năm 2002

Dự án Cubic Hexapod hợp tác giữa Đại học Washington và Tập đoàn công nghệ Hood kéo dài 6 năm từ 1998 đến 2004 Dự án này đ−ợc phát triển từ Stewart tấm dịch chuyển( platform) để loại trừ nhiễu trong các hệ thống chính xác (điều khiển vị trí với độ chính xác

1 nanomet)

Dự án Hexaglide đ−ợc triển khai ơ Viện Robot Thụy Sỹ bắt đầu từ năm 1996 Máy là hệ cấu trúc song song 6 bậc tự do, sử dụng máy phay tốc độ cao với không gian làm việc

700 ì 600 ì 500 mm, sử dụng hệ điều khiển VME-Bus và hệ thống thời gian thực Ưu

điểm là có thể thực hiện các chuyển động nhanh, độ cứng vững và độ chính xác cao

Hanover (Đức), Leuven (Bỉ), Montpelier (Pháp), các viện nghiên cứu Irf (Thụy điển) Ikerlan Itia (Italia), các công ty BELCAM.PLC, TTS, Linvot Theo danh mục Hexapod của

dự án này cho thấy có tới 48 máy và trung tâm gia công, 19 robot, 31 cơ cấu định vị trí và

định hướng và 2 máy đo tọa độ

Trong những năm gần đây, Bộ môn Cơ Điện Tử, Khoa Cơ Khí, Đại học Bách Khoa TPHCM đã quan tâm nghiên cứu về HEXAPOD và trong bài báo này chúng tôi xin giới thiệu mô hình HEXAPOD 2001 là loại máy 6 chân hay còn gọi là máy động học song song

II CHọN PHươNG áN THIếT Kế

Hexapod là một lĩnh vực phát triển rất nhanh theo những hướng khác nhau như: robot song song, máy động học song song, nhưng đều dựa theo nguyên lý do Stewart đưa ra vào năm 1965 và chúng ta thường gọi là Nguyên lý Stewart

Sơ đồ nguyên lý Stewart được trình bày trên hình 1

Cơ cấu này gồm 6 chân có độ dài thay

đổi được, các chân này liên kết với giá và

tấm dịch chuyển ( platform) bằng các

khớp cầu Bằng cách thay đổi chiều dài

các chân, ta có thể thay đổi vị trí và

hướng của tấm dịch chuyển trong không

gian

Ưu điểm của cơ cấu này là có thể định vị

bất kỳ vị trí, hướng nào trong không gian,

kết cấu đơn giản, độ cứng vững cao, độ

chính xác, ổn định cao, có thể tạo ra các

quỹ đạo phức tạp, và có thể gia công

trong một lần gá trên máy HEXAPOD

Vì khả năng vượt trội của cơ cấu 6 bậc tự

do mà có thể nói đây là một hướng

nghiên cứu có giá trị và có nhiều khả

năng ứng dụng rộng rãi

Theo nguyên lý này có hai phương án cơ

bản để thiết kế máy: phương án thuận và phương án nghịch

Tấm dịch chuyển

Giá

Chân

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý

Chân

Giá

platform Dụng cụ gia công

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý nghịch Hình 2: Sơ đồ nguyên lý thuận

platform Chân Giá

Sơ đồ nguyên lý thuận được trình bày trên hình 2 Theo sơ đồ nguyên lý này chi tiết được kẹp cố định trên bàn máy, còn dụng cụ được gắn trên tấm dịch chuyển và được điều khiển bởi cơ cấu Stewart

Ngược lại, nếu dụng cụ cắt cố định trên đầu gia công còn phôi gá trên bàn máy 6 chân kiểu cơ cấu Stewart là phương án nghịch mà sơ đồ nguyên lý của nó được trình bày trên hình 3 Theo phương án này chúng ta có thể cải tạo và tận dụng những máy phay thông thường để gắn dụng cụ và chỉ làm thêm bàn máy 6 chân Tuy nhiên việc tính toán, thiết kế cũng như

điều khiển sẽ khó khăn hơn và phức tạp hơn so với phương án thuận

Với những cơ sở lập luận như vậy chúng tôi chọn phương án thuận để thiết kế máy HEXAPOD 2001

III TíNh toán thiết kế Hexapod

Trong phần này chúng tôi trình bày bài toán động học ngược, tính toán ma trận jacobian, phân tích độ cứng vững bài toán động học và động lực học của chân

3.1 Xác định bậc tự do cơ cấu:

Số bậc tự do của cơ cấu: F = λ(n-j-1) + ∑f i - f p (1)

n là tổng số khâu trong cơ cấu

j là tổng số khớp trong cơ cấu

⇒ F = 6(14-18-1) + (12ì3+6ì1) – 6 = 6

3.2 Bài toán động học ngược

Như minh họa trong hình 4

iz iy

ix

i

iw iv

iu

i

trong hệ tọa độ A và B Theo hình 4

chúng ta có phương trình chuỗi vector

cho chân i viết trong hệ tọa độ A như

sau:

i i i

PB

i i

B B

A

i

B B

A B

A

i

B B

A B A T i i

B B

A B

A i

i i i

2

















ư

+

ư +

ư

ư

ư

=

=

θ θ

φ φ

θ

ψ θ ψ φ ψ θ φ ψ φ ψ θ φ

ψ θ ψ φ ψ θ φ ψ φ ψ θ φ φ θ

c s s c c c s s s c c c R R

R

p

b ct

n ct

a

p

b n

p p

a

Hình 4: Phân tích vị trí cơ cấu

3.3 Ma trận jabobian

















ì

ì

=

=

T

T

x

b

S b J

J

J

6 6

1 1

s s

s

T 6

T 1 1

3.4 phân tích lực tĩnh

Phương trình cân bằng lực và moment của tấm dịch chuyển tại điểm gia công như sau:

1 Hợp lực tác dụng lên tấm dịch chuyển

i i

f s

2 Tổng moment của các lực tác động tại điểm gia công

( )

ở đây bi và si biểu diễn vector PB và vector đơn vị theo trục i

Cuối cùng ta có phương trình cho ta quan hệ chuyển đổi giữa lực tạo ra ở điểm đầu cuối và các lực tác động

τ

6

1

6 6 1

1

6

































ì

ì

=













f

f b

K

K

s s

s s

n

f

Do đó nếu các lực tác dụng cho trước ta có thể tính trực tiếp lực tạo ra ở điểm đầu cuối và ngược lại nếu cho trước lực ở điểm đầu cuối ta có thể tìm đáp ứng lực trên các chân bằng biến đổi ngược

3.5 phân tích độ cứng vững

Ma trận độ cứng được xác định như sau:

















ì

ì













ì

ì

=

T T

b

b b

b

k

K

6 1 6

1 1 1

6 6 1

1

6 1

s s

s s

s s

s s

T

T

M M

K

K

3.6 động học

Vận tốc : Vận tốc góc của chân thứ i được xác định

Một khi tìm được vận tốc góc của chân thứ i, vector vận tốc khối tâm của piston và xylanh

Gia tốc :

Gia tốc góc của chân i được xác định:



















ư

=

0

v

v

d

1

bix

i

iy i

i

i

iω





















=

ì

=

0

1 1

i bix i

i i i i i i

v d

e

2

v

( ) ( )





















ư

ư

biz

i i biy

i i

bix

i i

v e d

v e d

2

1



































⋅

ư

+

ư

=





















=

0

2

2 1

bix

i biz i bix i

i biy

i biz i biz i

i iy

i

ix

i

i

i

d

v v v

d

v v v

&

&

&

ω

Một khi gia tốc góc của chân thứ i tìm được, gia tốc của khối tâm piston và xylanh là :









































+

ư

ư

ư

=

i biy

i bix

bix

i biz i biy i

i bix

i biz i bix i

i

i

d

v v

d

v v v

d

v v v

d

e

2 2

1

1

1

2

2

&

( ) ( )





































+ +

+

ư

+

ư

=

i biy

i bix i biz i

i biy

i biz i biy

i i

i bix

i biz i bix

i i

i i i

d

v v

e v

d

v v e v

e d

d

v v e v

e d

d

2 2

2

2 2

2 2

2

2

2 1

&

&

&

3.7 động lực học

Động lực học chân

Phương trình động lực học chân i được xác định:

i iy 2 iy

i iy 1 ix 2

i 2 i 2 ix 1

i 1 1 i c 2 i 2 i c 1

1

i

bix

d

1

( )

i ix 2 ix

i ix 1 iy 2

i 2 i 2 iy 1

i 1 1

i

biy

d

1

piston (j=2) đối với khối tâm tương ứng trong hệ tọa độ chân i

Động lực học tấm di chuyển: Phương trình động lực học tấm di chuyển được xác định như

sau:

6

1

i

i i biz

i i biy

i i i bix

∑

=

φ φ φ

θ

6

1

i

i i biz

i i biy

i i i bix

∑

=

θ φ φ

θ

6

1

i

i biz

i i bix

ư

∑

=

&

θ

Lực phát động và phản lực nền

lấy tổng các lực tác động lên piston i theo trục Zi

iz 2

i 2 i c 2

biz

i

2 i 1

i 1

A A

i 2 1 bi

i

ai

iv thuật toán điều khiển

Mỗi tọa độ của dụng cụ cắt được quyết định bởi vị trí 6 chân và được điều khiển bởi 6 động cơ Để điều khiển tấm dịch chuyển ( platform) mang dụng cụ có thể thực hiện bằng nhiều phương án khác nhau như: vi xử lý, PLC, máy tính,

ẹ

ẹ

E X I T

ẹ S

S

S

ẹ O Ä N G

C ễ T H ệ Ù i

PH A Ù T

X U N G

T i = T i + T i

ẹ

T Í N H C H U K Y ỉ P H A Ù T

X U N G

T i = X U N G m ax* tdl/X U N G i

T i < = (0.5+ i )T m i n del ay

PH A Ù T

X U N G T ệ ỉ 1-> X U N G m ax

T Í N H SO Á X U N G C A À N

P H A Ù T C H O M O Ã I ẹ O Ä N G

C ễ

T è M SO Á X U N G L ễ Ù N

N H A Á T

T Í N H C H I E À U

D A ỉ I T ệ ỉ N G

C H A Â N B I E Á N

T H I E Â N

ẹ

R E SE T D ệ ỉ N G

K I E Å M T R A

C H I E À U D A ỉ I

C H A Â N ẹ A ế

D ềC H

C H U Y E Å N

K H ễ Û I ẹ O Ä N G 8255

N H A Ä P D A T A

T Í N H C H I E À U D A ỉ I C H A Â N

K I E Å M T R A C H I E À U

D A ỉ I C H A Â N

S

Thuật toán này có ưu điểm là chuyển nhiệm vụ điều khiển từ máy tính đến các vi mạch phần cứng, mỗi vi mạch đảm nhiệm việc điều khiển cho mỗi chân dễ dàng và hiệu quả hơn Máy tính lúc này chỉ dùng để giải quyết các vấn đề nội suy và tính toán các dữ liệu điều khiển

v kết quả và nhận xét

5.1 NHữNG KếT QUả BAN đầU

Trên cơ sở giải những bài toán nói trên chúng tôi đã thiết kế chế tạo mô hình HEXAPOD

2001 thể hiện trên hình 6 với các thông số sau đây:

Kích thước :800x800x1600 mm

Khối lượng của máy :150 Kg

Đã tiến hành thực nghiệm chạy không tải cũng như có tải để gia công trên vật liệu mềm Máy chạy khá êm và ổn định

5.2 hướng nghiên cứu phát triển tiếp

Hình 5: Sơ đồ giải thuật

Hình 6: Máy đang gia công

Qua những thí nghiệm đã thực hiện chúng tôi thấy có nhiều hướng phát triển hoàn thiện đề

án như:

- Xây dựng mô hình và đồ gá để kiểm tra, đánh giá sai số của máy để có biện pháp nâng cao độ chính xác của máy

- Nghiên cứu cải thiện các phương pháp điều khiển để nâng cao năng suất gia công

- Thiết kế và chế tạo máy Hexapod công nghiệp có công suất lớn để gia công nhiều chi tiết lớn và phức tạp

tài liệu tham khảo

thuật, 1999

xuất bản Khoa học kỹ thuật, 1991

McGraw-Hill, Inc 1996