Ứng dụng robot trong mô phỏng bay

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
BÁO CÁO
THỰC TẬP CÁN BỘ KĨ THUẬT
Nội dung:Ứng dụng robot trong mô phỏng bay
Cán bộ hướng dẫn: ThS. Huỳnh Xuân Quang
Sinh viên: Trịnh Văn Kiên
Hà Nội - 6/2012
Mục lục:
Chương 1: Ứng dụng robot trong mô phỏng: 3
1.1. Giới thiệu chung về Robot: 3
1.1.1. Khái niệm Robot: 3
1.1.2. Lịch sử phát triển của Robot: 3
1.1.3. Phân loại Robot: 4
1.1.4. Ứng dụng của robot: 5
1.2. Các mô hình robot sử dụng trong mô phỏng bay: 6
1.2.1. Robot tay máy: 6
1.2.2. Robot có khớp quay vạn năng: 7
1.2.3. Robot song song: 8
Chương 2: Ứng dụng hexapod trong mô phỏng bay: 9
2.1. Giới thiệu về hexapod: 9
2.1.1. Giới thiệu: 9
2.1.2. Ứng dụng: 10
2.1.3. Hệ thống truyền chuyển động cho hexapod: 12
2.2. Ưu nhược điểm của Hexapod: 12
2.2.1. Ưu điểm: 12
2.2.2. Nhược điểm: 13
Chương 3: Xây dựng mô hình hexapod: 13
3.1.Xây dựng mô hình hexapod: 13
3.1.1 Phương án xây dựng hexapod: 13
3.1.2 Thiết kế ban đầu cho Hexapod: 14

3.2. Phương án điều khiển cho hexapod: 16
3.2.1. Các thông số điều khiển: 16
3.2.1. Điều khiển Hexapod: 17
Tài liệu tham khảo: 18
Chương 1: Ứng dụng robot trong mô phỏng:
1.1. Giới thiệu chung về Robot:
1.1.1. Khái niệm Robot:
Robot hay người máy là một loại máy, có thể thực hiện những công việc một
cách tự động bằng sự điều khiển của máy tính hoặc các vi mạch điện tử được lập trình.
Robot có khả năng phản ứng lại với môi trường quanh nó và thực hiện các thao tác
phù hợp với môi trường đó.
Robot thường là một hệ thống cơ điện tử. Robot thường được hiểu với hai
nghĩa: robot cơ khí và phần mềm tự hoạt động. Về lĩnh vực robot thì Nhật Bản là nước
đi đầu thế giới về lĩnh vực này.
1.1.2. Lịch sử phát triển của Robot:
Từ thập niên 50, cùng với sự phát triển của kỹ thuật điều khiển theo chương
trình số NC (Numerical Control) với sự hỗ trợ của các cơ cấu Servo và các hệ điện
toán (Computation), ý tưởng kết hợp điều khiển NC với các cơ cấu điều khiển từ xa
được hình thành và triển khai nghiên cứu. Vào giữa những năm 50, bên cạnh các tay
máy chép hình cơ khí, đã xuất hiện các loại tay máy chép hình thủy lực và điện từ như
tay máy Minotaur I hoặc tay máy Handyman của General Electric. Năm 1954 George
C.Devo đã thiết kế một thiết bị có tên là “Cơ cấu bản lề dùng để chuyển hàng theo
chương trình”. Đến năm 1956 Devol cùng với Joseph F.Engelber, một kỹ sư công
nghiệp hàng không, đã tạo ra loại Robot công nghiệp đầu tiên năm 1969 ở công ty
Unimation mới bắt đầu có lợi nhuận từ sản phẩm Robot đầu tiên này.
Từ năm 1972 bắt đầu thời kỳ của các Robot thế hệ thứ hai: Robot được điểu
khiển bằng máy tính có các cơ quan cảm xúc là các cảm biến liên hệ ngược. Đại diện
cho thế hệ này là Robot Shakey của viện nghiên cứu Stanford. Nó là sự thể hiện tổng
hợp của các thành tựu Khoa học - Kỹ thuật Công nghệ Cơ khí - Điện - Điện tử - Điều
khiển tự động - Tin học. Robot bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh

vực: từ sản xuất đến nghiên cứu khoa học,cả y tế và đời sống hàng ngày.
Năm 1976 chiếc máy công cụ CNC sử dụng Microcomputer ra đời.
Trong giai đoạn những năm 80 và 90 với sự phát triển vũ bão của Khoa học -
Kỹ thuật - Công nghệ, quy mô sản xuất và nghiên cứu khoa học, thế giới được thừa
hưởng nhiều thành quả của nó, đặc biệt về máy tính và tin học làm thay đổi về chất các
trang thiết bị, tổ chức điều hành sản xuất và đời sống như:
+ Thiết kế với sự trợ giúp của máy tính - CAD.
+ Sản xuất với sự trợ giúp của máy tính - CAM.
+ Hệ thống sản xuất mềm, linh hoạt - FMS.
+ Sản xuất tích hợp máy tính - CIM.
+ Sản xuất đúng lúc - JIT.
+ Điều hành quản lý chất lượng toàn diện – TQM.
+ Sản xuất với chiến lược toàn cầu – WCM.
Những năm đầu tiên của thế kỷ 21, Robot đang bước sang thế hệ mới. Từ các
Robot điều khiển theo kiểu thao tác (Manual Input) rồi đến kiểu Dẫn Dạy, các kiểu
điều khiển này đựợc gọi chung là điều khiển có chương trình dẫn đường và các Robot
kiểu này thường được gọi là Robot khéo léo (Robot Habilis). Tiếp đến là các Robot có
trình điều khiển thích nghi - thông minh, Robot có trí khôn (Robot Spiens).
Sự tiến bộ của Khoa học - Kỹ thuật - Công nghệ gần như thuộc mọi lĩnh vực Cơ
học - Cơ khí - Điện - Điện tử - Điều khiển tự động - Máy tính - Tin học - Sinh vật học
đều được thể hiện trên sự phát triển của Robot. Những ứng dụng mới nhất của Robot
vào y học có thể kể như Robot phẫu thuật và thay thế các cơ quan hoạt động của con
người, để mô phỏng các loại sinh vật.
Những kết qủa tiến bộ của Khoa học - Kỹ thuật - Sản xuất cho đến những năm
1970 đã hình thành khoa học Roboties và Cơ - Điện tử (Mechatronics), từ đó cũng bắt
đầu đào tạo các chuyên gia kỹ thuật thuộc lĩnh vực Robot và Cơ - Điện tử.
Trong những năm gần đây, robot công nghiệp chủ yếu được dùng cho các thao
tác lặp lại nhiều lần và trong các môi trường nguy hiểm. Xu hướng của con người là
chế tạo ra các robot thông minh, giúp việc nhà, giúp người tàn tật, Mặc dù có nhiều
lỗ lực để phát triển robot thông minh, nhưng các loại robot có thể mô phỏng nhiều

chức năng của con người vẫn còn những hạn chế nhất định, đòi hỏi sự phát triển của
công nghệ và trí tuệ nhân tạo.
1.1.3. Phân loại Robot:
 Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động:
− Robot tọa độ vuông góc
− Robot tọa độ trụ
− Robot tọa độ cầu
− Robot tọa độ góc
 Phân loại theo tính năng:
− Robot di động
− Robot tay máy
− Robot song song
 Phân loại theo số bâc tự do: có 2,3 hoặc nhiều.
 Phân loại theo tải trọng: Loại nhẹ, loại trung, loại nặng…
 Phân loại theo nguồn dẫn động của cơ cấu chấp hành như: khí nén, thủy lực,
cơ điện hoặc hỗn hợp.
 Phân loại theo nguyên lý điều khiển:
− Với điều khiển chương trình thì phân loại theo chu kỳ, theo vị trí, theo
chu vi hoặc hỗn hợp.
− Với điều khiển theo cảm nhận thì phân loại theo điều khiển thích nghi
hay không thích nghi.
− Với trí tuệ nhân tạo hay độ thông minh của robot.
1.1.4. Ứng dụng của robot:
Robot được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Những ứng
dụng cơ bản như di chuyển, lắp đặt vật liệu, thiết bị, hàn điểm, phun sơn…
Robot cũng được sử dụng cho những công việc kém năng suất của con người
như rèn kim loại ở nhiệt độ cao, lò đúc, xưởng hàn…
Trong công nghệ sản xuất xe hơi thì hàn điểm là công việc mà con người làm
việc kém hiệu quả và thiếu chính xác vì thế mà robot được ứng dụng cho nhiệm vụ này
là nhiều nhất.

Sơn là một công việc khó khăn, nặng nhọc và độc hại với sức khỏe con người.
Phun sơn đòi hỏi công nhân phải có kĩ thuật cao do yêu cầu của sản phẩm. Do vậy
robot được thay thế trong công việc này do độ chính xác cao và không chịu ảnh hưởng
từ sơn.
Trong công nghệ mô phỏng để tạo ra các hệ thống mô phỏng bay đầy đủ thì
khâu mô phỏng chuyển động là không thể thiếu vì thế robot đã được sử dụng rất rộng
rãi.
1.2. Các mô hình robot sử dụng trong mô phỏng bay:
Robot được ứng dụng rất nhiều trong các mô hình mô phỏng bay. Robot giúp
tạo ra các chuyển động mô phỏng với độ chính xác cao. Rất nhiều loại robot khác nhau
được sử dụng trong mô phỏng bay phụ thuộc vào yêu cầu của loại mô phỏng. Một số
loại robot được sử dụng trong mô phỏng như: robot tay máy, robot có khớp vạn năng,
robot song song…
1.2.1. Robot tay máy:
Máy mô phỏng tạo chuyển động mô phỏng nhờ robot dạng tay máy có độ linh
hoạt cao trong không gian chuyển động, không gian hoạt động lớn. Nhưng để điều
khiển các hoạt động trong mô phỏng bay với loại máy này thì các thuật toán điều khiển
sẽ phức tạp do cấu trúc không phù hợp với các chuyển động của máy bay thật. Loại
Robot này ứng dụng cho mô phỏng các loại máy bay có độ linh hoạt cao như các máy
bay chiến đấu.
Hình 1: Robot tay máy của TOSY
Điển hình cho loại máy mô phỏng này là LAMARS (Large Amplitude
Multimode Aerospace Research Simulator) được lắp đặt tại căn cứ không quân Wright
Patterson, Ohio, USA.
Hình 2: Máy mô phỏng bay LAMARS dưới dạng tay máy
1.2.2. Robot có khớp quay vạn năng:
Robot có cấu trúc khớp quay vạn năng là robot có 3 vòng tròn lồng nhau và có
3 trục quay theo 3 trục của tọa độ đề các.
Hình 3: Cấu trúc khớp quay vạn năng
Robot có khớp quay vạn năng thực hiện các chuyển động rất phù hợp với

chuyển động của máy bay mô phỏng. Do nó có cấu trúc chuyển động có thể quay được
các góc roll, pitch và yaw hiệu quả và đơn giản. Robot này ứng dụng cho mô phỏng
được hầu hết các chuyển động của các loại máy bay từ máy bay dân sự, máy bay
thương mại hay các chiến đấu cơ linh hoạt nhất. Điển hình cho loại máy mô phỏng có
cấu trúc này là Desdemona.
Hình 4: Máy mô phỏng Desdemona sử dụng các khớp vạn năng.
1.2.3. Robot song song:
Trong mô phỏng bay thì loại robot sử dụng phổ biến nhất chính là robot song song.
Với tính linh hoạt cao, tốc độ xử lý và khả năng đáp ứng cao, độ cứng và tính chính
xác đảm bảo mà robot song song đã được ứng dụng vào các thiết bị mô phỏng bay.
Hiện nay loại robot song song thường được sử dụng là hexapod.
Hình 5: Mô hình Hexapod
Do hexapod có không gian làm việc nhỏ nên nó thường được ứng dụng cho mô phỏng
các máy bay cỡ lớn trong vận tải hàng không và quân sự.
Hình 6: Máy mô phỏng CAE tropos sử dụng mô hình Hexpod
Chương 2: Ứng dụng hexapod trong mô phỏng bay:
2.1. Giới thiệu về hexapod:
2.1.1. Giới thiệu:
Cấu trúc song song được Gough và Whitehall nghiên cứu lần đầu tiên vào năm
1962. Lần đầu tiên robot song song được ứng dụng là trong một thiết bị mô phỏng bay.
Thiết bị này do Stewart chế tạo năm 1965. Hiện nay cơ cấu song song được sử dụng
rông rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Robot song song thường có một bàn máy động, được dẫn động bằng nhiều
nhánh chân song song. Thường số chân là số bậc tự do của robot. Nguồn phát động
thường nằm trên chân hoặc một giá cố định.
Hexapod là một loại robot song song có 6 chân với 6 bậc tự do được bố trí như hình 7.
Hình 7: Một mẫu thiết kế của Hexapod
2.1.2. Ứng dụng:
Robot song song hay hexapod có ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành khoa học.
− Trong mô phỏng:

Hình 8.1: Hexapod trong mô phỏng xe hơi và mô phỏng bay
− Trong y học:
Hình 8.2: Hexapod ứng dụng cho phẫu thuật trong y học
− Trong gia công chế tạo:
Hình 8.3: Hexapod ứng dụng trong gia công chế tạo
− Trong thiết bị thiên văn:
Hình 8.4: Hexapod ứng dụng quan trắc thiên văn
2.1.3. Hệ thống truyền chuyển động cho hexapod:
Hệ thống truyền động cho Hexapod có 2 loại:
− Hệ thống động cơ điện: Nguồn cấp điện thường là nguồn DC. Các động cơ sử
dụng thường là động cơ bước, động cơ DC servo. Với hệ thống động cơ điện thì hệ
chuyển động êm ái, định vị rất chính xác, và có thiết kế nhỏ gọn.
− Hệ thống thủy lực: Nguồn thủy lực sử dụng lưu chất không nén được là dầu ép.
Hệ thống cần trang bị bơm để tạo áp lực. Các chân của Hexapod sẽ là các xylanh thủy
lực chuyển động thẳng. Hệ thống này thường sử dụng cho các hệ có ứng dụng tải trong
lớn.
2.2. Ưu nhược điểm của Hexapod:
2.2.1. Ưu điểm:
Robot song song có rất nhiều ưu điểm vượt trội giúp nó đáp ứng yêu cầu cho nhiều
công việc khác nhau:
− Khả năng chịu tải cao.
− Độ cứng vững cao do kết cấu hình học.
− Có thể thực hiện các thao tác phức tạp với độ chính xác cao.
− Có kích thước đa dạng.
− Có khả năng di chuyển linh hoạt với tốc độ cao.
− Kết hợp được với nhiều cơ cấu chấp hành khác.
− Giá thành của các robot song song ứng dụng trong gia công cơ khí thấp hơn rất
nhiều so với máy CNC có tính năng tương đương.
2.2.2. Nhược điểm:
Ngoài những ưu điểm trên, robot song song còn có một số nhược điểm:

− Khoảng không gian hoạt động nhỏ và khó trong thiết kế.
− Việc giải các bài toán động học, động lực học phức tạp.
− Nguyên lý điều khiển phức tạp.
− Có nhiều điểm kì dị trong không gian làm việc.
Chương 3: Xây dựng mô hình hexapod:
3.1.Xây dựng mô hình hexapod:
3.1.1 Phương án xây dựng hexapod:
Hexapod được phát triển theo nhiều hướng khác nhau nhưng đều dựa trên
nguyên lý do Stewart đưa ra năm 1965. Nguyên lý này gọi là nguyên lý Stewart. Theo
nguyên lý này thì hexapod có 6 chân với độ dài thay đổi được, các chân liên kết với
tấm dịch chuyển và giá bằng các khớp cầu. Khi thay đổi độ dài của các chân ta có thể
thay đổi vị trí và hướng của tấm dịch chuyển. Với yêu cầu đặt ra trong mô phỏng bay
ta đặt giá cố định với mặt đất và buồng lái ảo sẽ đặt trên tấm dịch chuyển.
Hình 9: Sơ đồ nguyên lý Stewart
3.1.2 Thiết kế ban đầu cho Hexapod:
Lựa chọn hệ thống truyền động: Do ưu điểm và tính phù hợp của hệ thống động
cơ điện vì vậy em lựa chon động cơ điện làm hệ thống truyền động cho hexapod.
Thiết kế cơ khí mô hình hexapod trên phần mềm mô phỏng solidworks:
(a)
(b) (c)
Hình 10: Các chi tiết của mô hình hexapod
(a) Chân của hexapod dạng xylanh sử dụng khớp cầu là khớp liên kết
(b) Tấm dịch chuyển của hexapod
(c) Phần đế của hexapod
Hình 11: Mô hình hexapod trên phần mềm solidworks
3.2. Phương án điều khiển cho hexapod:
3.2.1. Các thông số điều khiển:
Để có thể mô phỏng được chuyển động của máy bay ta cần đưa ra các điều kiện ban
đầu đầy đủ cho bài toán điều khiển hexapod.
Các dữ liệu đầu vào cần có:

− Góc quay các góc roll,
pitch, yaw.
− Tọa độ theo 3 trục xyz.
Cách thông số này được lấy từ
phần mềm mô phỏng.
Hình 12: Thiết đặt các góc quay của máy bay
3.2.1. Điều khiển Hexapod:
Mỗi tọa độ của buồng lái ảo được quyết định bởi độ dài 6 chân và được điều
khiển bằng các động cơ. Để điều khiển được tấm dịch chuyển mang buồng lái ảo có
thể được thực hiện bằng nhiều phương án khác như: vi xử lý, máy tính, PLC,…
Tài liệu tham khảo:
Kỹ thuật robot - Đào Văn Hiệp – NXB KH&CN
Robot công nghiệp - Phạm Đăng Phước - Đại học Đà Nẵng, 2007
Solidworks 2010 Bible - Matt Lombard