Hcmute thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực 2d pantograph

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHẢN
HỒI LỰC 2D - PANTOGRAPH
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T2013 - 86

S KC 0 0 5 4 5 1

Tp. Hồ Chí Minh, 2013

Luan van


Mẫu 1T. Trang bìa của báo cáo tổng kết đề tài KH&CN cấp Trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHẢN
HỒI LỰC 2D - PANTOGRAPH
Mã số: T2013 - 86

Chủ nhiệm đề tài: TS. Cái Việt Anh Dũng

TP. HCM, 02/2014

Luan van


Mẫu 2T. Trang bìa phụ của báo cáo tổng kết đề tài KH&CN cấp Trường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐƠN VỊ CKM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHẢN
HỒI LỰC 2D - PANTOGRAPH
Mã số: T2013 - 86

Chủ nhiệm đề tài: Cái Việt Anh Dũng
Thành viên đề tài: Nguyễn Việt Thắng

TP. HCM, 02/2014

Luan van


DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU
1. CÁI VIỆT ANH DŨNG
2. NGUYỄN VIỆT THẮNG

(Chủ trì)
(Tham gia)

Mục lục
DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ......................................................... 0
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................................ 4
Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước .............................................................................. 4

0

Luan van


Haptics là gì?......................................................................................................................................... 5
Thiết bị haptic là gì? ............................................................................................................................. 5
Khái niệm phản hồi lực ......................................................................................................................... 7
Thiết bị phản hồi lực Pantograph .......................................................................................................... 8
Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................................................ 9
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ............................................................................................................... 10
Cách tiếp cận ........................................................................................................................................... 10
Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................................................ 10
Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................................................. 11
Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................................................ 11
Nội dung nghiên cứu ............................................................................................................................... 11

PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC .................................................................................................... 12

I.

1.1.

Cơ cấu sử dụng............................................................................................................................ 12

1.2.

Mơ hình động học vận tốc........................................................................................................... 13

1.3.

Tính tốn vùng suy biến và giới hạn không gian làm việc của cơ cấu........................................ 19

1.3.1. Xác định các vị trí suy biến ....................................................................................................... 19
1.3.2. Giới hạn vùng làm việc của cơ cấu ........................................................................................... 22
1.4.

Điều khiển phản hồi lực với động cơ DC ................................................................................... 23

1.4.1.

Động cơ ............................................................................................................................... 23

1.4.2.

Cảm biến dòng .................................................................................................................... 24

1.4.3.

Nguyên tắc phản hồi lực ..................................................................................................... 24

MỘT SỐ MƠ HÌNH VẬT THỂ ẢO ................................................................................. 25

II.
2.1.

Mơ hình phản hồi lực theo hệ lị xo ............................................................................................ 25

2.2.

Mơ hình phản hồi lực theo hệ lị xo – xy lanh giảm chấn ........................................................... 26

2.3.

Mơ hình tính tốn lực phản hồi ................................................................................................... 26

2.3.1.

Mơ hình bức tường ảo ......................................................................................................... 26

2.3.2.

Mơ hình bức tường cong ảo ................................................................................................ 27

III.

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ............................................................................... 28

3.1.

Thiết kế cơ khí ............................................................................................................................ 28

3.2.

Mơ hình thực tế ........................................................................................................................... 30

IV.

THỰC NGHIỆM ............................................................................................................... 32

V.

KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 33

1

Luan van


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐƠN VỊ CKM
Tp. HCM, Ngày

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực 2D – Pantograph.
- Mã số: T2013-86
2

Luan van

tháng

năm 2014

- Chủ nhiệm: Cái Việt Anh Dũng
- Cơ quan chủ trì: Đại Học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
- Thời gian thực hiện: 3/2013 – 2/2014
2. Mục tiêu:
Thiế t kế ch ế tạo mơ ̣t mơ hiǹ h thí nghi ệm thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph ứng
dụng vào công tác giảng dạy và nghiên cứu khoa học tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật
về lĩnh vực phản hồi lực.
3.Tính mới và sáng tạo:
Hướng nghiên cứu vế thiết bị phản hồi lực là một hướng đi mới trong lĩnh vực cơ điện
tử tại Việt Nam. Nhóm nghiên cứu hướng tới việc sử dụng thiết bị trong các bài tập phục hồi
chức năng khớp cho chi trên của người.
4.Kết quả nghiên cứu:
Đã hoàn thành phiên bản đầu tiên của thiết bị phản hồi lực Pantograph 2 bậc tự do.
Thiết bị đã có thể hoạt động ổn định. Đã cài đặt mơ hình động học (vị trí, vận tốc) cho thiết
bị. Đã lập trình và thử nghiệm thành cơng một số bài tập phản hồi lực đơn giản trên thiết bị.
5.Sản phẩm:
Thiết bị phản hồi lực 2D – Pantograph.
Phần mềm giao diện vật thể ảo trên máy tính.
6. Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
Sản phẩm được sử dụng trong công tác nghiên cứu khoa học và giảng dạy tại bộ môn
Cơ Điện Tử, khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM.
Trưởng Đơn vị
(ký, họ và tên)

Chủ nhiệm đề tài
(ký, họ và tên)

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
-

Project title: Design of the 2D Force feedback device - Pantograph
Code number: T2013-86
Coordinator: Cai Viet Anh Dung
Implementing institution: University of Technical education HCM city.
Duration: from 3/2013 to 2/2014

2. Objective(s):

3

Luan van


Design and prototyping a first version of 2D force feedback device. This device will
be used in research and teaching activities at the Mechatronics Department, Mechanical
Engineering School, Ho Chi Minh city University of Technical Education.
3. Creativeness and innovativeness:
This is a new research branch in the field of Mechatronics in Vietnam. In near future,
we aim to use the device for applications such as upper-limb functional rehabilitation.

4. Research results:
The first version of the force feedback device was prototyped and tested. Experiments
with simple virtual object were realized with success.

5. Products:
2D force feedback device -Pantograph.
A computer program realizing the virtual world.

6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

The device is used for research and teaching acitivites at the Mechatronics
Department, Mechanical Engineering School, Ho Chi Minh city University of Technical
Education.

MỞ ĐẦU
Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
Các thiết bị haptic có thể giúp chúng ta giao tiếp với thế giới ảo, tương tác thực
tại ảo, giúp ta cảm nhận được cảm giác về lực thông qua một môi trường ảo … ngày
càng có nhiều ứng dụng hơn trong thực tế cuộc sống, trong đó các thiết bị phản hồi
lực chiếm một vị trí quan trong với tiềm năng khơng nhỏ. Trên thế giới, nhờ sự phát
triển vượt bậc của công nghệ thông tin cũng như công nghệ robotic trong vài thập kỷ
gần đây mà ngày càng xuất hiện nhiều ứng dụng sử dụng thiết bị phản hồi lực, ví dụ
như: Thiết kế cơ khí với sự hỗ trợ của thiết bị phản hồi lực (Công nghiệp ô tô), phục
4

Luan van


hồi chức năng khớp, phẫu thuật điều khiển từ xa, giao diện điện tử thông minh với
người dùng…
Các thiết bị Haptic chính là một cơng nghệ mới trong lĩnh vực robotics trên thế
giới. Nó kế thừa những thành tựu đã có trong lĩnh vực này để phát triển, và ngược lại
những nghiên cứu về thiết bị haptic cũng góp phần làm phong phú thêm kho kiến thức
về robotics trong và ngồi nước.
Haptics là gì?
Haptics là một từ gốc Hy Lạp dùng để chỉ cảm giác xúc giác (sense of touch).
Cảm giác haptic được định nghĩa là khả năng cảm nhận một mơi trường cơ học bên
ngồi thơng qua xúc giác và lực.Cảm giác haptic bao gồm cả cảm giác lực tác động
(cứng, mềm), cảm giác về bề mặt (thô, nhám, sắc, trơn…) và cảm giác về chuyển
động và cân nặng mà con người có thể cảm nhận thơng qua tiếp xúc, cầm, nắm,

sờ…Thông thường, con người cảm nhận một cách tổng hợp các cảm giác xúc giác và
lực khi giao tiếp và cảm nhận thế giới bên ngồi. Do đó, ta có thể định nghĩa khái
niệm “kênh thơng tin haptic”, bao hàm các thành phần thần kinh cảm xúc và cơ học
cấu thành nên cảm giác haptic [1].
Công nghệ haptic là công nghệ tái tạo lại các cảm giác haptic, với mức độ chân
thực và chi tiết khác nhau, nhằm tái tạo lại toàn bộ hay một phần cảm giác haptic của
con người khi tiếp xúc với thiết bị. Haptics có thể được xem như là cơng nghệ giao
tiếp giữa người và máy tính. Khác với các thiết bị giao tiếp với máy tính thơng thường
cung cấp thơng tin phản hồi về thị giác và âm thanh, thiết bị haptic cung cấp thơng tin
phản hồi cơ học nhằm kích thích cảm giác cơ sinh học và xúc giác của người sử dụng.
Thiết bị haptic là gì?
Giống như các dạng thiết bị giao tiếp với máy tính khác, thiết bị haptic cho
phép sự trao đổi thông tin (cơ học) giữa người sử dụng và máy. Tuy nhiên điểm khác
biệt là, trong khi các thiết bị giao tiếp khác chỉ cho phép trao đổi thơng tin một chiều
(ví dụ: con chuột, bàn phím, màn hình …) thì thiết bị haptic cho phép trao đổi thông
tin cơ học theo hai chiều qua lại. Ở đây, ta có thể phân biệt thiết bị haptic với các thiết
bị “Hiệu ứng haptic (haptic display)” xuất hiện nhiều trong các sản phẩm cơng nghệ
cao như: Màn hình cảm ứng, điện thoại rung …Các thiết bị này chỉ cho phép trao đổi
thơng tin theo một chiều. Hình 2.1 dưới đây thể hiện rõ sự khác biệt giữa 2 hệ thống
tương tác giữa người và máy với các thiết bị giao tiếp thông thường và với các thiết bị
haptic.

5

Luan van


Hình 0.1: Bên trái: Tương tác người và máy thơng thường với chuột máy tính.
Bên phải: Tương tác người và máy với thiết bị haptic. [1]

Khi sử dụng chuột máy tính, người sử dụng gần như khơng nhận được bất kì
thơng tin phản hồi nào từ thiết bị, ngoại trừ một vài thơng tin cơ học (qn tính, ma
sát) hay thông tin âm thanh (tiếng kêu của nút bấm chuột). Tuy nhiên các thông tin
này đều là những thông tin cố định, khơng thể lập trình được. Khi sử dụng một thiết bị
haptic với chức năng như chuột máy tính, ta có thể lập trình các tương tác cơ học để
kích thích xúc giác và cảm giác về lực của người sử dụng, qua đó khiến cho việc
tương tác với máy tính trở nên dễ dàng hơn.
Thiết bị haptic có thể được phân loại ra thành 2 loại: Thiết bị thụ động, và thiết
bị chủ động. Thiết bị thụ động nhận một tác động cơ học từ người sử dụng, hấp thụ
năng lượng cơ học này (ví dụ như hệ thống thắng có thể lập trình). Trong khi đó, ở
thiết bị chủ động, sự tương tác cơ học được thực hiển bởi một bộ điều khiển vịng kín,
được sử dụng để điều khiển thông tin cơ học gửi đến người sử dụng. Với các thiết bị
haptic chủ động, ta có thể phân biệt 2 cách lập trình hoạt động khác nhau: Thiết bị
được điều khiển, cung cấp lực tương tác với người sử dụng và đo vị trí, hoặc ngược
lại, thiết bị di chuyển đến vị trí được lập trình sẵn và đo lực tương tác.
Về lý thuyết, ta có thể lập trình thiết bị chủ động để nó hoạt như một thiết bị
thụ động. Do đó, trong phạm vi đề tài này, chúng ta chỉ đề cập đến các thiết bị chủ
động.
Như vậy, điểm khác biệt lớn nhất giữa một thiết bị haptic so với một thiết bị
giao tiếp máy tính thơng thường khác là nó có khả năng tương tác hai chiều đối với
người sử dụng. Một hệ thống haptic cũng có thể được xem như là một hệ thống robot
điều khiển từ xa (teleoperation robotics). Tuy nhiên, ở hệ thống haptic, cánh tay robot
tớ và môi trường làm việc xung quanh được thay bằng môi trường ảo được hiển thị
trên máy tính. Thiết bị haptic chính là robot chủ, có nhiệm vụ thu thập dữ liệu cơ học
từ người sử dụng và phản hồi thông tin cơ học tới người sử dụng. Các thiết bị haptic
chính là một cơng nghệ mới trong lĩnh vực robotics. Nó kế thừa những thành tựu đã
có trong lĩnh vực này để phát triển, và ngược lại những nghiên cứu về thiết bị haptic
cũng góp phần tăng thêm kho tàng kiến thức về robot.

6

Luan van


Khái niệm phản hồi lực
Trong một hệ thống robot điều khiển từ xa, phản hồi lực được sử dụng trên
cánh tay chủ để cung cấp cho người điều khiển hệ thống thông tin về tương tác cơ học
giữa cánh tay tớ với mơi trường bên ngồi. Một cánh tay chủ lý tưởng là cánh tay có
qn tính tối thiểu và độ cứng vững rất lớn, khi đó ta có lựcfe = fh (xem hình 2.2),
người điều khiển sẽ cảm nhận lực tương tác với mơi trường bên ngồi như thể cánh
tay chủ khơng tồn tại.

Hình 0.2: Mơ hình một cánh tay chủ lý tưởng tương tác với vật thể ảo. Kết nối được thể hiện
dưới dạng cây gậy nhỏ với trọng lượng bằng không và độ cứng vững vô cùng [2].

Trong thực tại ảo, phản hồi lực được thực hiện thơng qua một thiết bị cơ điện tử
có trang bị cảm biến và động cơ, được điều khiển bởi máy tính (thiết bị phản hồi lực).
Thiết bị sẽ đo vị trí của tay cầm, từ đó tính tốn ra vị trí của tay cầm trong thế giới ảo,
và kiểm tra xem tay cầm có chạm phải vật thể ảo hay không. Nếu va chạm xảy ra,
động cơ sẽ được điều khiển để cung cấp lực tác độngfhra tay cầm. Trên lý thuyết,
người sử dụng thiết bị sẽ cảm nhận được lực như là đang tương tác thực sự với vật thể
ảo.

Hình 0.3: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của một hệ thống phản hồi lực [2]

Trong một vài thập kỷ trở lại đây, các thiết bị phản hồi lực đã được nghiên cứu
và phát triển tại nhiều phịng thí nghiệm và các công ty trên thế giới. Các thiết bị
thương mại như Phantom hay Omega ngày nay đang được bán trên thị trường và được
sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng thực tại ảo và trong môi trường nghiên cứu khoa
học. Ngồi ra, các phịng thí nghiệm trên thế giới cũng tự nghiên cứu thiết kế các thiết

7

Luan van


bị phản hồi lực và hàng năm đều cho ra đời các mẫu thiết kế mới, độc đáo, sáng tạo
(như thiết bị phản hồi lực bằng dây, phản hồi lực bằng từ trường, ...)

Hình 0.4: Một số thiết bị phản hồi lực thương mại: (a) Thiết bị phản hồi lực 3D sử dụng cơ
cấu nối tiếp – Phantom. (b) Thiết bị phản hồi lực 6D sử dụng cơ cấu song song - Virtuous. (c)
Thiết bị phản hồi lực 3D sử dụng cơ cấu song song Delta. (d) Thiết bị phản hồi lực bằng dây
6D.

Thiết bị phản hồi lực Pantograph
Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu thiết kế và chế tạo một thiết bị phản hồi lực
trong không gian 2 chiều dựa trên cơ cấu Pantograph. Ý tưởng thiết kế cơ khí được
tiếp thu từ sản phẩm của nhóm nghiên cứu đến từ trường đại học McGill – Canada [3].
Tuy nhiên, cấu trúc cơ khí đã được hiệu chỉnh để phù hợp hơn với các ứng dụng phản
hồi lực cho cánh tay con người (thiết bị của đại học McGill được thiết kế để phản hồi
lực lên ngón tay của người sử dụng).

8

Luan van


Hình 0.5: (a) Thiết bị phản hồi lực Pantograph (Đại học McGill). (b) Sản phẩm Pencat/Pro
(Hãng Haptec)

Thiết bị phản hồi lực sử dụng cơ cấu Pantograph được nghiên cứu chế tạo bởi
nhóm nghiên cứu của Prof. Vincent Hayward (Đại học McGill - Canada). Ban đầu,
thiết bị được sử dụngđể tạo ra cảm giác xúc giác khi người sử dụng di chuyển đầu
ngón tay trên vật thể ảo. Đến nay nhiều phiên bản khác nhau của thiết bị đã được chế
tạo.Một số đã được thương mại hóa, như thiết bị Pencat/Pro (hãng Haptech).
Thiết bị Pantograph của trường đại học McGill được biết đến với những ưu
điểm sau [3]:
- Dễ sử dụng.
- Cơ cấu đơn giản, dễ chế tạo.
- Vùng làm việc rộng.
- Đáp ứng lặp lại ổn định, băng thông tần số rộng, băng thơng truyền
lực rộng.
Ngồi ứng dụng thiết bị phản hồi xúc giác cho ngón tay, nhóm nghiên cứu đại
học McGill còn sử dụng thiết bị Pantograph như con chuột máy tính có chức năng
phản hồi lực, nâng cao hiệu quả tương tác giữa máy tính với người sử dụng.
Ngoài ra, với một cấu trúc lớn hơn, thiết bị này cũng có thể được ứng dụng
trong các bài tập phục hồi chức năng của cánh tay. Ý tưởng sử dụng thiết bị phản hồi
lực trong phục hồi chức năng khớp đã được hiện thực hóa bởi nhóm nghiên cứu của
đại học MIT – Mỹ. Thiết bị MIT-Manus ngày nay đã được biết đến rộng rãi cho
những người nghiên cứu trong lĩnh vực này.

Hình 0.6: MIT – Manus.Thiết bị phục hồi chức năng cho cánh tay [4].

Tính cấp thiết của đề tài
Đề tài này là bước phát triển đầu tiên trong dự án phát triển hướng nghiên cứu về các
thiết bị phản hồi lực tại bộ môn Cơ Điện Tử, khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, trường Đại
9

Luan van

Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM. Thông qua đề tài, nhóm nghiên cứu sẽ tìm hiểu, đào
sâu, nhằm nắm bắt các kiến thức liên quan cần có để thiết kế chế tạo một thiết bị phản
hồi lực (điều khiển tự động, phân tích động học robot song song (hay nối tiếp), gia
cơng chế tạo cơ khí, hệ thống nhúng …), qua đó một mặt chuẩn bị năng lực nghiên
cứu cho các dự án lớn hơn có sử dụng cơng nghệ phản hồi lực, mặt khác có thể đưa
các kiến thức này vào chương trình giảng dạy tại bộ mơn.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Với ý tưởng là nghiên cứu, phát triển các thiết bị Haptic. Nhóm thực hiện đã chọn đề
tài “ Thiết kế chế tạo thiết bị phản hồi lực Pantograph” với các mục tiêu nghiên cứu
sau:
- Thiế t kế chế tạo mơ ̣t mơ hin
̀ h thí nghiệm thiết bị phản hồi lực 2D Pantograph
ứng dụng vào việc giảng dạy tại các trường Đại học Kỹ thuật về lĩnh vực phản hồi lực.
- Đóng góp bài báo nghiên cứu khoa học về lĩnh vực thiết bị haptic phản hồi
lực và các ứng dụng.
Cách tiếp cận
Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu và sử dụng cơ cấu song song Pantograph 5 khâu - 5
khớp với 2 bậc tự do đề thiết kế thiết bị phản hồi lực trong mặt phẳng. 2 động cơ điện
DC được sử dụng nhằm cung cấp mômen để tạo ra lực phản hồi. Bộ truyền động được
thiết kế bằng phương pháp Capstan (truyền động bằng dây cáp) nhằm đảm bảo tính
“trong suốt” của thiết bị (“trong suốt” nghĩa là khi lực phản hồi là zêrô, người sử dụng
có thể thoải mái di chuyển tay cầm của thiết bị trong không gian mà gần như không
cảm nhận phản lực nào từ bộ truyền động).
Nhóm sử dụng cảm biến dịng để thực hiện bộ điều khiển mơ-men vịng kín cho 2
động cơ DC. Giá trị các mơ-men này được tính tốn dựa trên phương trình truyền lực
của cơ cấu, với giá trị lực đầu ra chính là lực tương tác mong muốn.
Thiết bị được lập trình với 3 MCU. Một MCU Master đảm nhận nhiệm vụ giao tiếp
với máy tính, đọc giá trị cảm biến góc từ 2 động cơ DC và tính tốn động học và tính
mơ-men cần điều khiển và gửi cho 2 MCU slave. Hai MCU slave chỉ đảm nhiệm

nhiệm vụ chính là điều khiển mô-men của 2 động cơ DC. Phần mềm giao diện thế giới
ảo được lập trình trên máy tính. Phần mềm này có nhiệm vụ nhận giá trị vị trí của tay
cầm thiết bị và hiển thị lên màn hình máy tính. Người sử dụng có thể sử dụng giao
diện thế giới ảo để quan sát những gì đang xảy ra trong thế giới ảo này.
Phương pháp nghiên cứu
- Tìm tài liệu, tìm hiểu một số đề tài khoa học có liên quan đến thiết bị
- Đưa ra nhận xét, đánh giá về cách lựa chọn động cơ, lựa chọn phương án
truyền động, giải pháp về cơ cấu.
10

Luan van


-

Tính tốn động học, khơng gian hoạt động, thiết kế cơ khí các chi tiết để
hồn thiện mơ hình cho thiết bị.
Nghiên cứu giải thuật điều khiển 2 bậc tự do của thiết bị (điều khiển lực
và điều khiển vị trí).
Lập trình giao diện thế giới ảo và lập trình điều khiển thiết bị.
Tiến hành chạy thử nghiệm với một số bài tập thực nghiệm để có thể
nhận xét đánh giá những gì đã đạt được và chưa đạt được so với mục tiêu
và nhiệm vụ đã đề ra.

Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu về tính tốn động học, khơng gian hoạt động của thiết bị phản hồi lực Pantograph và các phương pháp điều khiển mô-men của động cơ sử dụng trong thiết
bị phản hồi lực.
Phạm vi nghiên cứu
Do đây là mô ̣t hướng nghiên cứu mới và thời gian cũng có ha ̣ n nên đề tài được giới
hạn ở các nội dung sau:

- Chế tạo thử nghiệm phiên bản đầu tiên của thiết bị Pantograph hoạt động
trong không gian khung hình chữ nhật có kích thước 300x400mm và phản hồi lực lại
tay cầm của người dùng khi va chạm với bức tường ảo trong không gian ảo được lập
trình sẵn trên máy tính.
- Điều khiển phản hồi mơ-men của động cơ DC servo bằng thuật toán điều
khiển PID.
- Giao tiếp truyền nhận dữ liệu giữa MCU và máy tính bằng chuẩn giao tiếp
RS232.
- Lập trình giao diện thế giới ảo trên máy tính bằng C++.
Nội dung nghiên cứu
Các nội dung sau đã lần lượt được thực hiện trong q trình triển khai chế tạo mơ hình
thiết bị phản hồi lực 2D:
-

-

Tìm hiểu, nghiên cứu và tính tốn động học cho thiết bị.
Tính tốn và thiết kế bản vẽ, chế tạo mơ hình theo kích thước thực.
Tìm hiểu và phân tích giải thuật PID để điều khiển mơ-men của động cơ.
Thiết kế mạch điều khiển trung tâm,mạch điều khiển động cơ, mạch cảm
biến dịng.
Xây dựng, phát triển thuật tốn điều khiển và hệ thống điều khiển, giao
thức truyền nhận dữ liệu giữa máy tính và vi điều khiển, giữa các vi điều
khiển với nhau.
Lập trình điều khiển hệ thống.
Lập trình giao diện cho hệ thống.
11

Luan van

I. PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC
1.1.

Cơ cấu sử dụng

Cơ cấu được lựa chọn là cơ cấu song song 5 khâu – 5 khớp, 2 bậc tự do, với sơ đồ
động học được mơ hình hóa như hình 1.1.

Hình 1.1: Sơ đồ động học của thiết bị phản hồi lực Pantograph

Số bậc tự do của cơ cấu có thể được tính theo tiêu chí Gruebler – Kutzbach như sau:
12

Luan van


Với m là số bậc tự do của cơ cấu, d là bậc tự do tối đa trong không gian làm việc của
vật thể rắn (d=3,6). b là tổng số khâu của cơ cấu. n là số khớp tổng cộng có trong cơ
cấu. ui là số ràng buộc tại mỗi khớp.
Ở đây, ta có một cơ cấu phằng 2D nên d=3. Cơ cấu có 5 khâu, 5 khớp nên b=5 và n =
5. Cơ cấu có 5 khớpxoay đơn vị, mỗi khớp có 2 ràng buộc, nên ui = 2. Từ đó ta tính
được:

Như vậy cơ cấu có tổng cộng 2 bậc tự do.
1.2.

Mơ hình động học vận tốc
Từ sơ đồ hình 1.1 ta thấy các thành phần của các vec-tơ
được tính theo q1, q2, a, b như sau:

và

có thể

:
x2  b cos(q1 )

(3)

y2  b sin(q1 )

:
x4  b cos(q2 )  a
y4  b sin(q2 )

Vec-tơ

có thể được tính theo các vec-tơ
 

OP2 OP 4
OP h 

2
2

với

xh 

x2 x4

2 2

yh 

x2 y4

2 2

và

như sau:

(4)

Khoảng cách d từ điểm P3 đến đoạn thẳng P2P4 có thể được tính theo c và l
như sau:

13

Luan van


l2
d c 
4
2

(5)

có thể được tính theo cơng thức:

Vec-tơ



Ph P3  M P2 P4

(6)

Trong đó:


 0
M
 d

 l

Từ (4) và (6) ta tính được



d 
0
l 

l2

2
0  
c

 
4

l

theo c, l, và

l2 

4 

l



0



c2 

,

(7)

như sau:

 
  

OP2 OP 4
OP 3  OP h  Ph P 3 

 M.P2 P4
2
2

(8)

hay:



  
0
   OP OP 
2
4
OP 3  OP h  Ph P 3 


2
2 
l2
2


c 

4

l


l2 

4 
 
l
 P2 P4


0



c2 

(9)
Khoảng cách l (l=||

||) có thể được tính theo a, b và q1, q2 như sau:

  b cos(q2 )  a  b cos(q1 ) 
P2 P4  

 b sin(q2 )  b sin(q1 )



14

Luan van


l  (b cos(q2 )  a  b cos(q1 )) 2  (b sin(q2 )  b sin(q1 )) 2
l  2b2  a 2  2ab(cos(q1 )  cos(q2 ))  2b 2 (cos(q1 )cos(q2 )  sin(q1 )sin(q2 ))
(10)
Để có thể thiết lập được ma trận Jacobian của cơ cấu, ta cần tính các đạo
hàm từng phần

theo các công thức sau :

và

l
2ab sin(q1 )  2b 2 ( sin(q1 ) cos(q2 )  cos(q1 )sin(q2 ))

q1 2 2b 2  a 2  2ab(cos(q1 )  cos(q2 ))  2b 2 (cos(q1 ) cos(q2 )  sin( q1 )sin( q2 ))
l
2ab sin(q2 )  2b 2 ( cos(q1 )sin( q2 )  sin( q1 ) cos( q2 ))

q2 2 2b 2  a 2  2ab(cos(q1 )  cos(q2 ))  2b 2 (cos(q1 ) cos( q2 )  sin( q1 )sin( q2 ))

(11)

l2
 c 

4)
(
l

q1
2

với:

l
q1

l
l2
2
c 
q1
4

,
2
2
l
l
4 c2 
4

ta có:
  b cos(q2 )  a  b cos(q1 ) 
P2 P4  


 b sin(q2 )  b sin(q1 )


 P2 P4  b sin(q1 ) 



q1
 b cos(q1 ) 

(12)
Từ (6),(7) và (12), ta có thể tính

theo c, l,

15

Luan van

như sau:




l2
  c 2   0 1  
4

 1 0  P2 P4 


l





 Ph P3

 
q1
q1


l2
2
 c 
4


l

 
q1





l2

c2 
  0 1 
4

 1 0  P2 P4 
l




l
l
l2
 
c2 
P P
q1
q
4
 h 3 
 1 2

q1
l
l2
 4 c 2 
4




 0 1  P2 P4
1 0 

 q1


l2
2

c 

4
  b sin(q 1 )  b sin(q2 )

  b cos(q2 )  a  b cos(q1 ) 
l



 b cos(q1 ) 


 b sin(q1 ) 

(13)
Tương tự, ta có thể tính

theo c, l,



l
l
l2
 
c2 
P P
q2
q
4
 h 3 
 2 2

q2
l
l2
 4 c 2 
4


như sau:


l2
2

c


4
  b sin(q 1 )  b sin(q2 )



  b cos(q2 )  a  b cos(q1 ) 
l



(14)
Từ (8), ta có:

16

Luan van

 b cos(q2 ) 


 b sin(q2 ) 




  
0
  x3    OP OP 
2
4
OP3     OPh  Ph P3 



2
2 
 y3 
l2
2

c 

4

l





0
 1  b cos(q1 )  b cos(q2 )  a  
 OP3  

2  b sin(q1 )  b sin(q2 )
 
l2
c2 

4

l


l2
c 
4
l
2

0




 
 P2 P4





l2 

4 
  b cos(q2 )  a  b cos(q1 ) 
l

  b sin(q )  b sin(q )
2
1





0



c2 



l2
2
c



4 (b sin(q )  b sin(q )) 
 1 (b cos(q1 )  b cos(q2 )  a) 
2
1
  x3   2

l
 OP3     
(
2
 y3  
l

c2 
1

4 (b cos(q )  a  b cos(q )) 
 (b sin(q1 )  b sin(q2 )) 
2
1 
l
2

15)
Phương trình động học của hệ thống được viết như sau:
 q1 
  x3 


 t 
dOP3
t

  J

dt
 y3 
 q2 




 t 
 t 
(16)

 x3
 
 OP3 OP3   q1
Trong đó: J  

 y3

q

q
2 
 1
 q
 1

x3 
q2 
 là ma trận Jacobian của cơ cấu.
y3 
q2 

Mặt khác, từ (3) ta có:

17

Luan van



OP2  b sin(q1 ) 


,
b
cos(
q
)
q1
1




OP4  0 
 
q1
 0


OP2  0 
 ,
q2
 0


OP4  b sin(q2 ) 


q2
 b cos(q2 ) 

(17)



 OP3
 OP3
Theo (8) và (17), ta suy ra
và
có thể được tính theo cơng thức
q1
q2
sau:

 x 
 x 
  3 

  3 



OP3  q1  1 OP2  Ph P3
OP3  q2  1 OP4  Ph P3
,







q1  y3  2 q1
q1
q2  y3  2 q2
q2
 q 
 q 
 1
 2
(18)

2

l
2

c

OP3 1  b sin(q1 ) 
4
 

q1
2  b cos(q1 ) 
l

2

l
2


c

OP3 1  b sin(q2 ) 
4
 

q2
2  b cos(q2 ) 
l

 l 2

(l  2c 2 ) 

 b cos(q1 ) 
 b sin(q1 )  b sin(q2 )

q1


 2

2
2
 b sin(q1 )   l 4c  l   b cos(q2 )  a  b cos(q1 ) 




 l 2


(l  2c 2 ) 

 b cos(q2 ) 
 b sin(q1 )  b sin(q2 )

q2


 2

2
2
 b sin(q2 )   l 4c  l   b cos(q2 )  a  b cos(q1 ) 





Ta suy ra 4 thành phần của ma trận Jacobian J có thể được tính theo các công
thức sau:

x3
1
  b sin(q1 )  b cos(q1 )
q1
2

l 2  l (l 2  2c 2 ) 



4   q1
 (b sin( q1 )  b sin( q2 ))
l
 l 2 4c 2  l 2 





c2 

(19)

18

Luan van


l 2  l (l 2  2c 2 ) 
c 
 q

y3 1
4
1
 (b cos(q2 )  a  b cos(q1 ))
 b cos(q1 )  b sin(q1 )

q1 2

l
 l 2 4c 2  l 2 




(20)
2

x3
1
  b sin(q2 )  b cos(q2 )
q2
2

l 2  l (l 2  2c 2 ) 


4   q2
 (b sin( q1 )  b sin( q2 ))
l
 l 2 4c 2  l 2 





c2 

(21)

y3 1
 b cos(q2 )  b sin(q2 )
q2 2

l 2  l (l 2  2c 2 ) 


4   q2
 (b cos(q2 )  a  b cos(q1 ))
l
 l 2 4c 2  l 2 





c2 

(22)
1.3.

Tính tốn vùng suy biến và giới hạn không gian làm việc của cơ cấu

1.3.1. Xác định các vị trí suy biến

Hình 1.2: Sơ đồ động học của cơ cấu, với các thông số q1 (t ) , q2 (t ) , q3 (t ) , q4 (t ) .
19

Luan van

Ta có:

  
OP3  OP2  P2 P 3



 
 
dOP3 dOP2 d P2 P3



 ( z  OP2 ).q1  ( z  P2 P3 ).q3
dt
dt
dt

(23)


Nhân cả 2 vế của (23) cho P2 P3 , ta có:

 dOP   
  
  
3
P2 P3 .

 P2 P3 .( z  OP2 ).q1  P2 P3 .( z  P2 P3 ).q3  z.( P2 P3  OP2 ).q1
dt

(24)
Tương tự ta có:




 
 
dOP3 dOP5 d P5 P4 d P4 P3



 ( z  P5 P4 ).q2  ( z  P4 P3 ).q4
dt
dt
dt
dt

(25)


Nhân 2 vế của (25) cho P4 P3 , ta có:

 dOP   
  
  
3

P4 P3 .
 P4 P3 .( z  P5 P4 ).q2  P4 P3 .( z  P4 P3 ).q4  q2 .z.( P5 P4  P4 P3 )
dt

(26)
Từ (24) và (26), ta có:



  

  dOP  z.(OP2  P2 P3 )
  q1 
0
3
P2 P3 P4 P3 .

    .  

dt
0
z.( P5 P4  P4 P3 )   q2 




(27)

  
 

 z.(OP2  P2 P3 )

0
Đặt J P  P2 P3 P4 P3 , J O  
    . Phương trình (27) có

0
z.( P5 P4  P4 P3 ) 

thể được viết lại dưới dạng sau:





20

Luan van



dOP3
JP.
 J O .q
dt

(28)
Hệ thống rơi vào trạng thái suy biến khi rank (J P )  1 hay rank (J O )  1 . Trường hợp



thứ nhất xảy ra khi P2 P3  k.P4 P3 (nghĩa là khi 3 điểm P2 , P3 , P4 thẳng hàng). Trường
hợp thứ 2 xảy ra khi một trong 2 thành tố của ma trận J O bằng 0, nghĩa là
  
  
z.(OP2  P2 P3 )  0 hoặc z.( P5 P4  P4 P3 )  0 (tương ứng với trạng thái của cơ cấu khi
O , P2 , P3 thẳng hàng hoặc P3 , P4 , P5 thẳng hàng). Hình 1.3, 1.4, 1.5 thể hiện 3 trạng

thái suy biến của cơ cấu.

Hình 1.3: Trường hợp suy biến thứ nhất, P2, P3, P4 thẳng hang

21

Luan van