Thiết kế, mô phỏng robot song song 2 bậc tự do

MỤC LỤC

I


II


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1 Đặc điểm của Robot song song.........................................3
Bảng 2.2 Thông số khối lượng các bộ phận của robot......................10

III


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Mô hình buồng tập lái máy bay của Stewart năm 1965................................2
Hình 1.2 Sơ đồ của Robot Delta ( theo bằng sáng chế Hoa Kỳ 4,976,582)................4
Hình 1.3 Mô hình robot song song công nghiệp đầu tiên năm 1942 5
Hình 1.4 Chuyến bay mô phỏng đầu tiên dựa trên hexapod bát diện
vào giữa thập niên 1960................................................................................................5
Hình 1.5 Nguyên mẫu robot phẫu thuật đầu gối Orthroscopic....................................6
Hình 1.6 Robot PR6-01 của phòng Cơ điện tử, viện Cơ học nghiên cứu...................6
Hình 1.7 Robot song song của TOSY..........................................................................7
Hình 1.8 Robot song song hai bậc tự do dạng RRRRR ..............................................8
Hình 1.9 Robot song song hai bậc tự do dạng PRRRP ...............................................8
Hình 1.10 Robot song song hai bậc tự do dạng RPRPR..............................................9
Hình 2.1 Hệ tọa độ của robot song song hai bậc tự do.................................................14
Hình 3.1 Kết quả phân tích ứng suất của một chi tiết trên phần mềm Solidworks.....20
Hình 3.2 Quá trình gia công chi tiết với modul Solidcam...........................................21

Hình 3.3 Giao diện làm việc của phần mềm Matlab....................................................22
Hình 3.4 Thư viện các khối mô hình của SimMechanics trong Simulink...................24
Hình 3.5 Thư viện Bodies.............................................................................................25
Hình 3.6 Bảng thông số của khối Body........................................................................26
Hình 3.7 Thư viện các khớp chuyển động....................................................................27
Hình 3.8 Mô hình khớp Weld.......................................................................................28
Hình 3.9 Mô hình khớp Revolute.................................................................................29
Hình 3.10 Mô tả khớp Cylindrical
IV

29


Hình 3.11 Thư viện Sensor and Actuators...................................................................30
Hình 3.12 Thư viện Sources.........................................................................................31
Hình 3.13 Thư viện Sinks.............................................................................................32
Hình 3.14 Thư viện Signal Routing..............................................................................33
Hình 3.15 Thư viện Ports & Subsystems.....................................................................33
Hình 3.16 Thư viện Continuous...................................................................................34
Hình 3.17 Thư viện Commonly Used Blocks..............................................................35
Hình 3.18 Mô hình 3D của robot trong môi trường mô phỏng của Simmechanics....36
Hình 3.19 Quỹ đạo đơn giản của robot khi thiết đặt góc quay cho hai cánh tay.........36
Hình 3.20 Giải thích các thống số................................................................................37
Hình 3.21 Đồ thị mô phỏng vị trí của robot song song................................................37

V


MỞ ĐẦU
Ở nước ta, Robot song song cũng đã được nghiên cứu vào năm 2007 nhưng nhìn

chung mới chỉ dừng lại ở việc đưa ra mô hình và đi tìm thuật toán giải bài toán động
học mà chưa thiết kế và chế tạo được Robot cụ thể. Phòng cơ điện tử Viện cơ học là
đơn vị đầu tiên ở Việt Nam cho ra đời sản phẩm như vậy.
Sau 2 năm nghiên cứu Phòng Cơ điện tử - Viện cơ học Việt nam đã thiết kế và chế tạo
hoàn chỉnh một Robot song song 6 chân (Hexapod) dùng cho ngành kỹ thuật hiện đại
trước mắt là trong gia công cơ khí chính xác. Phiên bản đầu tiên có tên gọi PR6-01,
dùng làm giá đỡ phôi cho các máy gia công cơ khí bán tự động kiểu cũ. Thực tế đến
nay, nhiều cơ sở nghiên cứu như ĐH Bách khoa Hà Nội , ĐH Bách khoa TPHCM,Viện
cơ học, Viện công nghệ thông tin ... đã chế tạo được một số Robot mẫu.
Dựa vào việc kế thừa những ứng dụng và nghiên cứu về Robot song song của các
nhà khoa học, các bạn sinh viên các trường trong và ngoài nước. Chúng em là sinh viên
bộ môn cơ điện tử trường Đại học công nghiệp Hà Nội đã lựa chọn việc “NGHIÊN
CỨU,THIẾT KẾ ROBOT SONG SONG HAI BẬC TỰ DO” với mong muốn áp
dụng nghiên cứu này vào trong việc sắp xếp, phân loại, đóng gói sản phẩm trong các
dây truyền công nghiệp.
Trong đề tài này chúng em đã thực hiện việc tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí, mô
hình hóa, mô phỏng quá trình làm việc của robot song song hai bậc tự do. Từ đó là cơ
sở để nghiên cứu sâu hơn trong việc chế tạo thực tế ra loại robot này. Mong rằng đề tài
này của chúng em sẽ giúp cho những người chế tạo ra Robot song song hai bậc tự do
giải quyết hiểu được về nguyên tắc hoạt động, ứng dụng, có thể tính toán thiết kế và
chế tạo được robot song song hai bậc tự do hoàn chỉnh. Rút ngắn được thời gian đem
nó vào ứng dụng trong thực tế công việc cuộc sống.
Chúng em muốn gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các thầy trong Bộ Môn Cơ Điện
Tử Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội và đặc biệt là thầy Nguyễn Anh Tú đã luôn
chỉ bảo và giúp đỡ chúng em để chúng em có thể hoàn thành tốt đồ án này.

6


CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ ROBOT SONG SONG

1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển của robot song song
Xuất phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hóa trong sản xuất, các cơ cấu Robot
cũng ngày càng phát triển rất đa dạng và phong phú. Trong những thập niên gần đây,
Robot cấu trúc song song được Gough và Whitehall nghiên cứu năm 1962 và sự chú ý
ứng dụng của Robot cấu trúc song song đã được khởi động bởi Stewart vào năm 1965.
Ông là người cho ra đời một phòng tập lái máy bay dựa trên cơ cấu song song 6 bậc tự
do như hình 1.1

Hình 1.1 Mô hình buồng tập lái máy bay của Stewart năm 1965
Và hiện nay cơ cấu song song với nhiều dạng khác nhau vẫn đang trong quá trình
nghiên cứu và phát triển để phục vụ nhiều lĩnh vực khác nhau.
Robot song song là một cấu trúc gồm nhiều chuỗi động kín với một
nhóm các trục và cơ cấu tác động cuối mắc song song nhau. Do hình
thành từ những chuỗi động kín (closed–loop-mechanism) gồm nhiều
chuỗi động nối tiếp (serial kinematics chains) cùng nối với bệ chấp
hành (platform) và nền (base) như vậy sẽ làm tăng độ cứng vững của
bệ chấp hành cuối của robot. Hơn thế nữa, chúng ta có thể đặt tất cả
các cơ cấu chấp hành lên giá nếu cần nhằm làm cho các phần di
7


chuyển của kết cấu trở nên gọn nhẹ, nhờ đó tận dụng được phần lớn
năng lượng trực tiếp từ trục động cơ,đồng thời giảm được sai số vị trí
của cơ cấu tác động cuối.Nhờ những đặc điểm này mà các robot song
song chiếm ưu thế trong tốc độ tác động cao với độ chính xác cao, tải
trọng lớn và có độ cứng vững cao hơn hẳn các loại tay máy nối tiếp,
được đề cập trong bảng 1.1
Bảng

1.1

Đặc

điểm

của

Robot

song

song

[1]
Ưu điểm

Nhược điểm

Chịu được tải trọng lớn

Không gian làm việc bị giới hạn

Độ cứng vững cao

Điều khiển song song/đồng thời

Tốc độ tác động nhanh

Bài toán động học thuận phức tạp

Định vị chính xác, lực quán tính nhỏ

Tồn tại các điểm kỳ dị

Bài toán động học ngược đơn giản

Do tính ưu việt của Robot song song nên ngày càng thu hút được nhiều nhà khoa học
nghiên cứu, đồng thời cũng được ứng dụng ngày càng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực:
-

Ngành Vật lý: Giá đỡ kính hiển vi, giá đỡ thiết bị đo chính xác
Ngành Cơ khí: Máy gia công cơ khí chính xác, máy công cụ.
Ngành Bưu chính viễn thông : Giá đỡ Ăngten, vệ tinh địa tĩnh.
Ngành chế tạo ôtô: Hệ thống thử tải lốp ôtô, buồng tập lái ôtô.
Ngành quân sự: Robot song song được dùng làm bệ đỡ ổn định được đặt
trên tàu thủy, các công trình thủy, trên xe, trên máy bay, trên chiến xa và
tàu ngầm. Để giữ cân bằng cho ăngten, camera theo dõi mục tiêu, cho
rada, cho các thiết bị đo laser, bệ ổn định cho pháo và tên lửa, buồng tập
lái máy bay, xe tăng, tàu chiến

8


1.2 Tình hình nghiên cứu
1.2.1 Ngoài nước
Được các nhà khoa học nghiên cứu chế tạo và phát triển bắt đầu từ
giữa thế kỷ XX. Đặc biệt có thể lưu ý tới một số nhà khoa học có
những bước đi đầu tiên trong việc nghiên cứu cơ cấu robot có cấu
hình song song là: Willard L. Polard, Eric Gough, Stewart, Klaus
Cappel, Reymond Clavel

Hình 1.2 Sơ đồ của Robot Delta ( theo bằng sáng chế Hoa Kỳ 4,976,582)
Vào đầu thập niên 80, Reymond Clavel (giáo sư của Đại học EPFL)
đã nảy ra một ý tưởng độc đáo là sử dụng cơ cấu hình bình hành để
tạo ra một robot song song có ba bậc tự do tịnh tiến và một bậc tự do
quay như trong hình 1.2 ở bằng sáng chế Hoa Kỳ số 4,976,582 . Ý
tưởng này hoàn toàn là của Reymond Clavel chứ không phải bắt
chước từ cơ cấu song song đã được đăng ký bản quyền vào năm
1942 (hình 1.3),và vào thờ điểm đó Willard L. Polard cũng không hề
biết đến giáo sư Clavel. Robot songs ong Delta đã được đánh giá là
một trong những thiết kế robot song song thành công nhất với hàng
9


trăm robot đang hoạt động trên toàn thế giới. Năm 1999, tiến sĩ
Clavel đã nhận được giải thưởng Golden Robot Award được tài trợ bởi
ABB Flexible Automation, để tôn vinh những hoạt động sáng tạo của
ông về robot song song Delta.Ý tưởng căn bản của thiết kế robot
Deltal là sử dụng các hình bình hành.Cá chình bình hành cho phép
khâu ra duy trì một hướng cố định tương ứng với khâu vào. Việc sử
dụng ba hình bình hành hoàn toàn giữ chặt hướng của bệ di động duy
trì chỉ với ba bậc tự do tịnh tiến. Các khâu vào của 3 hình bình hành
được gắn với các cánh tay quay bằng các khớp quay. Cuối cùng,cánh
tay thứ tư được dùng để truyền chuyển động quay từ đế đến khâu tác
động cuối gắn trên tấm dịch chuyển.

Hình 1.3 Mô hình robot song song công nghiệp đầu tiên năm 1942
Một số thành tựu về robot song song trên thế giới:

10

Hình 1.4 Chuyến bay mô phỏng đầu tiên dựa trên hexapod bát diện
vào giữa thập niên 1960 [2]

Hình 1.5 Nguyên mẫu robot phẫu thuật đầu
gối Orthroscopic

11


1.2.2 Trong nước
Robot song song cũng được nghiên cứu rất nhiều và cũng đã đạt được những thành
tựu đáng kể như sau :

Hình 1.6 Robot PR6-01 của phòng Cơ điện tử, viện Cơ học nghiên cứu

12


Hình 1.7 Robot song song của TOSY
Qua tổng hợp những công bố nghiên cứu và triển khai trong nước hiện nay về robot
song song, nhóm nghiên cứu thấy rằng với robot song song dạng 6 chân hexapod được
nghiên cứu khá nhiều và được công bố khá rộng rãi trong và ngoài nước, tuy nhiên có
thể nhận thấy đều là robot song song thực hiện các tác vụ như máy gia công CNC với
quá trình điều khiển phức tạp, chứ không phải là thực hiện các tác vụ như gắp nhặt, đặt
vật.
Về robot dạng song song ứng dụng cho việc gắp, đặt vật chưa có đơn vị nghiên cứu
nào quan tâm giải quyết những vấn đề rất cơ bản trong tính toán thiết kế hệ thống, xác
định các thông số cấu trúc và động học tối ưu cho hệ thống được thực hiện. Và gần đây

vào năm 2012, Công ty Tosy có đưa ra thông tin về robot song song (hình 1.8), tuy
nhiên nhóm nghiên cứu không thể nào xác định được các thông số và thông tin về
robot này do đó khó mà có thể so sánh hay đối chiếu được những gì mà nghiên cứu này
đã làm được. Ngoài ra ở các trường đại học, cũng có những nghiên cứu mang tính rời
rạc về robot dạng Delta, tuy nhiên chưa đáp ứng được yêu cầu về mức độ học thuật
cũng như ứng dụng vào cuộc số
13


1.3 Robot song song hai bậc tự do
Robot nói chung và robot song song nói riêng có sự đa dạng về hình học cũng như
thiết kế cơ khí. Với robot song song có 3 dạng hình học chính khi thiết kế robot như:
dạng hexapod, dạng delta, dạng song phằng. Trong đó robot song song mà nhóm thực
hiện nghiên cứu và thiết kế trong đề tài thuộc loại robot chuyển động song phẳng với
thiết kế đơn giản nhất trong tất cả các loại robot song song hiện nay do có số bậc tự do
thấp nhất.
Các dạng kết cấu cơ bản của robot song song hai bậc tự do:

[3]

Hình 1.8 Robot song song hai bậc tự do dạng RRRRR
Với dạng này các khâu của hai cánh tay robot sẽ được liên kết với nhau bằng các
khớp quay. Tọa độ khâu tác động cuối P sẽ được quyết định bởi góc quay của hai khớp
quay A1 và A2 cùng với ràng buộc giữa hai khớp quay B 1 và B2. Do đó đây là lý do vì
sao người ta lại gọi dạng này của robot song song hai bậc tự do là RRRRR (với R là
Revolute joint)

Hình 1.9 Robot song song hai bậc tự do dạng PRRRP

14

Ở dạng này, hai khớp di chuyển A 1 và A2 được thay thế từ khớp quay RR bằng hai
khớp trụ PP ( P là Prismatic joint) có khả năng trượt từ đó thay đổi tọa độ của điểm tác
động cuối P.

Hình 1.10 Robot song song hai bậc tự do dạng RPRPR
Ở dạng này, hai khớp trụ đảm nhiệm chức năng điều khiển vị trí cho khâu tác động
cuối P. Còn hai khớp trụ chỉ có tác dụng tạo ra ràng buộc từ đó giúp điều khiển khâu
tác động cuối P.
Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu sẽ làm về robot song song hai bậc tự do có dạng
RRRRR bởi với kết cấu này giúp cho robot có khả năng tác động nhanh, độ cứng vững
đảm bảo, phù hợp với công việc gắp nhặt, phân loại, đóng gói sản phẩm trong các dây
chuyền công nghiệp
1.4 Mục tiêu đề tài
Thiết kế hoàn chỉnh hệ thống cơ khí, mô hình hóa, mô phỏng quá trình làm việc của
robot song song hai bậc tự do
- Không gian làm việc
Từ việc tính toán theo mô hình đã thiết kế thì robot có thể làm việc trong phạm vi
bán kính 500mm và cao 340mm
- Các thông số kỹ thuật
15


Trong tất cả các quy trình của công đoạn thiết kế thì việc đòi hỏi các
chi tiết được thiết kế ra phải đảm bảo một số tính năng về độ bền
lực, độ bền biến dạng cũng như vị trí các điểm có ứng suất lớn nhất
phải được biết trước để có được các phương án điều chỉnh thiết kế
cho phù hợp để đảm bảo tính an toàn cho các chi tiết được thiết kế.
Khối lượng của các chi tiết cùng hình dạng các chi tiết ảnh hưởng

rất lớn đến việc tìm ứng suất cũng như chuyển vị lúc mô phỏng. Nhờ
vào phần mềm mô phỏng mà ta có thể biết trước được khối lượng
của các chi tiết,bộ phận của robot như bảng 2.2
Bảng 2.2 Thông số khối lượng các bộ phận của robot
STT

Tên chi tiết/ bộ phận
của Robot

Vật liệu

Số
lượng

Khối lượng(kg)/chi tiết

1

Then

Aluminium 2014 Alloy

2

~ 0.003

2

Bạc lót

Aluminium 2014 Alloy

2

~ 0.172

3

Giá treo

4

Cánh tay 1

Aluminium 2014 Alloy

2

~ 1.44

5

Đệm vênh

Aluminium 2014 Alloy

2

~ 0.002

6

Đai ốc vặn chặt

Aluminium 2014 Alloy

2

~ 0.027

7

Bạc chặn

Aluminium 2014 Alloy

2

~ 0.169

8

Thanh nối phụ 1

Aluminium 2014 Alloy

1

~ 0.247

9

Đế dưới

Aluminium 2014 Alloy

1

~ 0.92

10

Cánh tay 2

Aluminium 2014 Alloy

2

~ 1.462

11

Trục nối

Aluminium 2014 Alloy

1

~ 0.025

12

Thanh nối phụ 2

Aluminium 2014 Alloy

1

~ 0.007

Aluminium 2014 Alloy

Tổng

1

~ 2.44

~ 10.189

16


1.5

Nội dung nghiên cứu

1.5.1 Mục đích nghiên cứu
Kiểm tra đánh giá tình trạng khi thiết kế robot song song hai bậc tự do sao cho phù
hợp với điều kiện làm việc. Từ đó đưa ra được những phương án thiết kế, ứng dụng

của robot song song hai bậc tự do sao cho phù hợp với điều kiện thực tế trong làm việc
như phân loại, đóng gói sản phẩm trong các dây truyền công nghiệp.

1.5.2 Nhiệm vụ nghiên cứu
Phân tích đặc điểm, nguyên lý hoạt động của robot song song hai bậc tự do.
Nghiên cứu, tính toán thiết kế robot song song hai bậc tự do.
Kết hợp các tài liệu có liên quan để hoàn thiện đề tài.

1.5.3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Do điều kiện và thời gian hạn hẹp cũng như trình độ chuyên môn và kinh nghiệm
thực tế còn hạn chế nên nhóm nghiện cứu chỉ tập trung nghiên cứu một số nội dung
sau:
-

Tổng quan về robot song song hai bậc tự do.
Tính toán động học cho mô hình robot song song hai bậc tự do.
Mô phỏng động học vùng làm việc cho mô hình robot song song hai bậc tự

-

do trên modul mô phỏng Simmechanics của Matlab.
Thiết kế mô hình của robot song song hai bậc tự do trên phần mềm
Solidwork.

1.6 Phương pháp nghiên cứu
Để hoàn thành tốt mục tiêu đề ra của đề tài, phương pháp nghiên cứu được đưa ra là
khảo sát thực tế thông qua việc tìm hiểu các thông số lắp đặt của robot trong thực tế từ
đó đúc kết ra kinh nghiệm để chế tạo mô hình thực tế của robot song song hai bậc tự
do, cùng với đó là giả mã kỹ thuật kế thừa từ các công trình nghiên cứu khoa học của
các nhà khoa học, các bạn sinh viên các trường trong và ngoài nước. Kế tiếp là nhóm

17


sẽ nghiên cứu các tài liệu trên các trang web cũng như một số sách liên quan đến đề tài
được trình bày ở phần “Tài Liệu Tham Khảo”.
Từ đó có được các nhận xét khái quát về việc lựa chọn cấu hình cho robot, phương
án truyền động. Thiết kế lắp ráp các chi tiết và phân tích các ứng suất chuyển vị bằng
phần mềm mô phỏng trên máy tính. Từ mô hình robot đó sẽ nghiên cứu tìm hiểu
phương pháp thiết kế mạch điện và lập trình cho robot có thể chuyển động tốt nhất.Sau
khi hoàn thành đề tài, việc chạy thử nghiệm robot sẽ được thực hiện để có được những
nhận xét và đánh giá những gì đã đạt được và chưa đạt được so với mục tiêu nhiệm vụ
đã đặt ra từ lúc ban đầu của đề tài.

18


CHƯƠNG 2 - BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC TAY MÁY
2.1 Cấu trúc của robot song song
2.1.1 Cấu trúc cơ cấu
Cũng như các Robot thông thường, Robot song song là loại Robot có cấu trúc vòng
kín trong đó các khâu (dạng thanh) được nối với nhau bằng các khớp động.
Sơ đồ động cơ cấu tay máy thông thường là một chuỗi nối tiếp các khâu động, từ khâu
ra (là khâu trực tiếp thực hiện thao tác công nghệ) đến giá cố định. Còn trong Robot
song song, khâu cuối được nối với giá cố định bởi một số mạch động học, tức là nối
song song với nhau và cũng hoạt động song song với nhau. Sự khác nhau về sơ đồ
động đó cũng tạo nên nhiều đặc điểm khác biệt về động học và động lực học.

2.1.2 Các bài toán cơ bản về robot
Robot là một ngành khoa học về công nghệ truyền thống, kết hợp với lý thuyết và
ứng dụng của các hệ thống robot. Việc nghiên cứu bao gồm cả hai vấn đề là nghiên cứu

lý thuyết và ứng dụng, những vấn đề đó chia ra thành các lĩnh vực: công tác thiết kế
robot, cơ học cơ cấu, thiết kế quỹ đạo và điều khiển, công tác lập trình và tri thức cho
máy... cơ học là một nhánh khoa học nghiên cứu các vấn đề về năng lượng lực và tác
dụng của chúng đối với chuyển động của hệ thông cơ khí. Việc nghiên cứu bao gồm
hai vấn đề có quan hệ với nhau là : Động học và động lực học.
Động học:
Động học nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động mà không quan tâm đến
nguyên nhân gây ra chúng như là lực và mô men. Sự thay đổi các khâu của robot liên
quan đến hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối cùng với sụ ràng buộc của các khớp.
những quan hệ động học đó là trọng tâm của việc nghiên cứu động học robot.
Bài toán động học được chia thanh hai dạng: bài toán động học thuận và bài toán
động học ngược.
Bài toán động học thuận: từ các thông số vị trí, vận tốc gia tốc của khâu dẫn yêu cầu
lập trình tính toán vị trí hướng vận tốc và gia tốc của điểm tác động cuối cùng cũng như
khâu trung gian bất kỳ.
19


Bài toán động học ngược: từ yêu cầu về vị trí và hướng, vận tốc và gia tốc của khâu
tác động cuối, tìm ra thông số tương ứng của các khâu trước đó .
Động lực học:
Động lực học nghiên cứu về quan hệ giữa các lực tác dụng vào cơ cấu (lực, trọng tải
và ma sát...) và chuyển động của cơ cấu. Động lực học robot vẫn là vấn đề rất phức tạp
và hiện nay đang là đối tượng nghiên cứu.

2.2 Bài toán động học tay máy

Hình 2.1 Hệ tọa độ của robot song song hai bậc tự do
Giả sử:

AO = OC = AC / 2 = d / 2

la = ld = l
lb = lc = L
Thiết bị truyền động được đặt tại A và C. Gắn với mỗi liên kết một vecto, trên
OABPO tương ứng với OCDPO. Chúng ta có thể viết tiếp các mối quan hệ:
20


uuu
r uuu
r uuu
r uuu
r
OP = OA + AB + BP
uuu
r uuur uuur uuur
OP = OC + CD + DP

Dựa vào các mối quan hệ trên ta có tọa độ của điểm P:

xp =

d
d
+ l cos q1 + L cos q3 = − + l cos q2 + L cos q4
2
2

y p = l sin q1 + L sin q3 = l sin q2 + L sin q4

Tọa độ của điểm P trong trường hợp khi giá trị q1 góc độ quanh được biết đến và q2
thu được từ các mối quan hệ:
− D ± D 2 − 4 BC
xp =
2C

yp =

A=−

A - x p ( xB - xD )
yB - yD

(

1 2
2
xD + y D
− xB2 − xB2 − L2DP + L2BP
2

B = ( yB − yD )

2

)

( xD2 + yD2 − L2DP ) + A2 − 2 yD ( yB − yD ) A

C = ( y B − y D ) + ( xB − x D )

2

2

D = 2 y D ( y B − y D ) ( x B − x D ) − 2 x D ( y B − y D ) − 2 A ( x B − xD )

xD = −

d
+ l cos q2
2

y D = l sin q2

21


xB =

d
+ l cos q1
2

y B = l sin q1

Tốc độ của điểm P phụ thuộc vào các liên kết giữa các khớp. Từ đó ta có kết quả:
Vx 
ω1 
J A.   = J B .  
ω3 

Vy 

Trong đó:
 L cos q3
JA = 
 L cos q4

L sin q3 
L sin q4 

0
l.L sin(q1 − q3 )

JB = 
0
l.L sin(q2 − q4 ) 


Hoặc:
Vx 
ω1 
V  = J .  
ω3 
 y

J = J B .J A−1 =

 sin q4 sin( q1 − q3 ) − sin q3 sin( q2 − q4 ) 
L
sin( q4 − q3 )  − cos ϕ 4 sin( q1 − q3 ) − cos q4 sin( q2 − q4 ) 

Trong đó:
Với J là ma trận jacobi.
Gia tốc của điểm P thu được từ (8):
 Ax 
ε1  d ε 1 
 A  = J   + J. 
ε 3  dt ε 3 
 y
22


Giá trị của cá góc quay qi với i=(1 2 3 4 ….n) khi biết tạo độ x P, yP có thể được tính
toán như sau:
 − B 2 − (C 2 − A2 ) 
q1 = 2arctg 
÷
C−A



 (M 2 + N 2 − P2 ) 
 N2 
÷+ arctg  2 ÷
q3 = arctg 

÷
P
M 



 − B + σ B 2 − ( f 2 − e2 ) 
i
÷
q2 = 2arctg 

÷
f
−
e


 −b ± b 2 − ( F 2 + E 2 ) 
÷, σ i = 1
q4 = 2arctg 

÷
F
−
E



Trong đó:

d

A = −2l  xP − ÷
2


d

a = −2 L  xP − ÷
2

2

d

C =  xP − ÷ + yP2 + l 2 − L2
2


M = 2 Lλ
N = 2 Lµ

23

or 1


b = −2 yP L
2

d

c =  xP − ÷ + yP2 + l 2 − L2
2


d

e = −2l  xP − ÷
2

2

d

f =  xP − ÷ + yP2 + l 2 + L2
2


B = −2 yP l
2

d

F =  xP − ÷ + y P2 − l 2 + L2
2


d

E = −2 L  xP − ÷
2

P = −λ 2 − µ 2

λ = l cos q1 − l cos q 2 + d

µ = l sin q1 − l sin q2

[4]

24


CHƯƠNG 3 - MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
3.1 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ khí trên phần mềm Solidworks
3.1.1 Phần mềm Solidworks
Phần mềm Solidworks là một trong những phần mềm chuyên về thiết kế 3D do hãng
Dassault System phát hành dành cho những xí nghiệp vừa và nhỏ, đáp ứng hầu hết các
nhu cầu thiết kế cơ khí hiện nay. Solidworks được biết đến từ phiên bản Solidworks
1998 và được du nhập vào nước ta với phiên bản 2003. Cho đến nay với phiên bản
2017 và phần mềm này đã phát triển đồ sộ về thư viện cơ khí và phần mềm này không
những dành cho những xí nghiệp cơ khí nữa mà còn dành cho các ngành khác như:
đường ống, kiến trúc, trang trí nội thất, mỹ thuật …
Một số chức năng cơ bản trong Solidworks
 Chức năng CAD:

Các khối được xây dựng trên cơ sở kỹ thuật Parametric, mô hình hóa.Chức năng báo
lỗi giúp người sử dụng dễ dàng biết được lỗi khi thực hiện lệnh.
Bảng Feature Manager design tree cho phép ta xem các đối tượng vừa tạo và có thể
thay đổi thứ tự thực hiện các lệnh. Các lệnh mang tính trực quan làm cho người sử
dụng dễ nhớ. Dữ liệu được liên thông giữa các môi trường giúp cập nhật nhanh sự thay
đổi của các môi trường.
Hệ thống quản lý kích thước và ràng buộc trong môi trường vẽ phát giúp người sử
dụng tạo các biên dang một cách dễ dàng và tránh được các lỗi khi tạo biên dạng.
Trong môi trường Drawing :
Cho phép ta tạo các hình chiếu vuông góc các chi tiết hoặc các bản lắp với tỉ lệ và vị

trí do người sử dụng quy định mà không ảnh hưởng đến kích thước.

25