Chương 2 Phân tích động học cấu trúc song song kiểu 3-R2S2S
2.3. Mô hình hóa và mô phỏng
2.3.1. MATLAB/Simulink
MATLAB là một ngôn ngữ lập trình cấp cao gần nhất với phép toán thực tế. Bằng ngôn ngữ này, các kỹsư và các nhà khoa học có thể biểu diễn trực tiếp công thức, ma trận và mảng thiết kếđểphân tích, thiết kếvà mô phỏng các hệthống và sản phẩm theo cách bạn suy nghĩ các công việc chúng ta muốn làm.
Hộp công cụ MATLAB được phát triển chuyên nghiệp, kiểm tra nghiêm ngặt và được ghi chép đầy đủtrên nhiều lĩnh vực như thiết kế, xử lý ảnh và tín hiệu, nghệthuật, cũng như thực hiện việc mô phỏng cách hoạt động của các Robot và máy móc cần có bộ điều khiển với độ chính xác cao và cách xử lí với tốc độ nhanh. Ứng dụng này cho phép chúng ta xem các thuật toán khác nhau hoạt động như thếnào với dữ liệu mà chúng ta đưa vào. Lặp lại cho đến khi chúng ta có kết quảnhư mong muốn, sau đó tựđộng tạo chương trình MATLAB để tái tạo hoặc tự động hóa công việc của chúng ta. Từ đó,
chúng ta có thểtránh được các sai sót, thất bại ở mức tối thiểu khi đươc máy móc hoặc Robot đưa ra thực tế lắp ráp, thửnghiệm.
MATLAB được sử cho:
Hệthống điều khiển: Thiết kế, phần tích, thửnghiệm và thực hiện các hệthống điều khiển.
Xửlý tín hiệu: Phân tích tín hiệu và dữ liệu chuỗi thời gian. Mô hình, thiết kếvà mô phỏng xửlý tín hiệu.
Kiểm tra và đo lường: Thu thập, phân tích và khám phá dữ liệu và tự động hóa các bài kiểm tra.
Bên cạnh đó, công cụ Simulink của MATLAB là một môi trường lập trình đồ họa dựa trên MATLAB để mô hình hóa, mô phỏng và phân tích các hệthống động lực đa ngành. Giao diện chính của nó là một công cụ sơ đồkhối đồhọa và một thư viện khối có thểtùy chỉnh. Nó cung cấp sựtích hợp chặt chẽ với các phần còn lại của MATLAB. Simulink được sử dụng rộng rãi trong điều khiển tựđộng và xửlý tín hiệu kĩ thuật sốđể mô phỏng và thiết kế dựa trên mô hình.
2.3.2. Xây dựng mô hình
Ta có thểthấy trong Hình 2.10 gồm đầy đủcác phần của Robot Delta 3-R2S2S. Nó gồm một đế cốđịnh (Base), ba cánh tay (Arm), ba cơ cấu hình bình hành (Parallelogram structure) và một bệđộng (Plate). Đế cốđịnh được liên kết với ba cánh tay thông qua ba khối khớp quay Axis1, Axis2, Axis3. Đầu vào của ba khối khớp quay này được nối vào ba đầu vào Angle1, Angle2, Angle3 của khối mô hình Robot Delta. Đầu còn lại của cánh tay được liên kết với một đầu của cơ cấu hình bình hành và đầu còn lại của cơ cấu hình bình hành được liên kết với bệđộng. Toạđộ trọng tâm của bệđộng chính là đầu ra X, Y, Z của khối mô hình Robot Delta.
2.3.3. Mô phỏng chuyển động
Hình 2.11. Đồ thị di chuyển điểm đến điểm theo quỹđạo đường thẳng
Đầu tiên ta đi giải quyết bài toán di chuyển từđiểm đến điểm theo quỹđạo là đường thẳng. ỞHình 2.11ta sẽ di chuyển từhoành độđiểm A đến hoành độ điểm B. Ởđồthị bên trái ta thấy hoành độrobot đang ởA khi đến thời gian t = 1 giây hoành độ yêu cầu của robot đột ngột thay đổi từA sang B trong khoảng thời gian ∆t = 0. Khi robot phải đột ngột thay đổi vị trí như vậy sẽlàm robot không thểđáp ứng kịp thời. Mặc dù robot chỉthay đổi toạđộ trục hoành nhưng do cấu trúc của Robot Delta nên nó vẫn cần sự di chuyển ở cảba cánh tay vì vậy quỹđạo di chuyển không còn là đường thẳng. Như vậy khi robot phải đột ngột thay đổi toạ độ và do cấu trúc Robot Delta nó sẽ xuất hiện rất nhiều sai sốvà quỹđạo không phải là đường thẳng. Quãng đường di chuyển ∆X càng lớn thì sai sốcàng nhiều.
Để giải quyết vấn đề này ta sẽ cho robot từ từ thay đổi toạ độ đến điểm ta mong muốn như đồ thị bên trái của Hình 2.11. Quỹđạo robot sẽ từ từthay đổi từ XA đến XB
trong khoảng thời gian là ∆t. Khi ∆t càng lớn thì robot càng có nhiều thời gian để bám theo quỹđạo thẳng để đi đến điểm mong muốn và nó sẽ càng giảm được nhiều sai số nhưng đổi lại robot sẽdi chuyển chậm hơn. Khi quãng đường di chuyển ∆X tăng ta đồng thời cũng cần tăng thời gian di chuyển ∆t. Vì vậy đểsai số của robot ởtrong khoảng cho phép và tốc độdi chuyển không quá chậm ta cần lựa chọn thời gian di chuyển ∆t sao cho phù hợp với quãng đường di chuyển ∆X.
Tiếp theo ta đi đến giải quyết bài toán di chuyển theo quỹ đạo bất kì. Trong Hình 2.12 chính quỹđạo mà ta mong muốn robot đi theo. Nó gồm một đoạn thẳng từA đến B và hai đoạn cong từB đến C và từC đến D.
Để giải quyết bài toán này ta chia nhỏ quỹđạo ra thành nhiều đoạn ngắn được thể hiện qua các điểm màu đen. Quỹđạo di chuyển càng dài thì ta cần chia làm càng nhiều đoạn. Khi ta chia đủnhỏthì các đoạn này dù có nằm trên quỹđạo nào đi nữa thì nó cũng sẽcó dạng như đoạn thẳng. Lúc này ta chỉ cần áp dụng bài toán di chuyển điểm tới điểm theo quỹđạo đường thẳng.
Sau khi giải quyết xong các bài toàn về quỹđạo di chuyển ta sang đến thiết lập các quỹđạo di chuyển của robot trong phần mềm mô phỏng.
Hình 2.13. Toạđộ yêu cầu robot di chuyển theo thời gian đểquỹđạo có dạng hình
vuông trong mô phỏng
Đầu tiên là quỹđạo hình vuông. Các toạđộX, Y và Z thay đổi theo gian và phối hợp với nhau như Hình 2.13 để các toạ độ này sẽ cấu tạo nên một hình vuông cạnh 60mm và có Z không thay đổi là đểhình vuông này sẽ luôn nằm trên một mặt phẳng.
Tiếp theo ta đi xây dựng quỹđạo hình tròn.
Hình 2.14. Dữliệu cần thiết cho robot di chuyển theo thời gian để quỹđạo có dạng