Thiết kế và chế tạo mô hình _ Hexapod

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, Trờng Đại học Bách Khoa Tp HCM
Email:


Tóm tắT
Bài báo này trình bày xu thế cũng nh 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 đợc nhiều nhà khoa học trong và ngoài nớc 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 ngời 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 nh thế những tên gọi mới
đợc ra đời nh 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 hớng 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 trờng khắc nghiệt và độc hại trên trái đất, dới đại dơng hoặc ở trên những hành tinh

xa xôi.
Cuối những năm 80 các nhà khoa học mới thực hiện đợc những mong muốn của mình là
thay thế sức lao động của con ngời 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 ngời 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 nh 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 nh vậy cho nên nó đã thu hút sự quan tâm của
các nhà khoa học thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau nh: cơ khí, điện tử, tin học, động vật
học, thiên văn học và đơng nhiên là cơ điện tử.
Các trờng đại học nghiên cứu về Hexapod có thể đợc 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 nh: 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 lợc đầu t rất lớn
để nghiên cứu lý thuyết cũng nh ứng dụng triển khai Hexapod nh NASA, LME, NIST.
Để hiểu rõ hơn mức độ đầu t cũng nh 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 nh mở rộng khả năng của máy phay CNC 5 trục
kiểu Hexapod đợc 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 đợc 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 đợc 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.
















ROBOTOOL là một dự án đợc Cộng đồng Châu Âu tài trợ. Dự án này là hợp tác giữa 10
trờng đại học, viện nghiên cứu và các công ty bao gồm các thành viên sau đây: Đại học
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 hớng 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 PHơNG áN THIếT Kế

Hexapod là một lĩnh vực phát triển rất nhanh theo những hớng khác nhau nh: robot song
song, máy động học song song, ... nhng đều dựa theo nguyên lý do Stewart đa ra vào
năm 1965 và chúng ta thờng gọi là Nguyên lý Stewart.
Sơ đồ nguyên lý Stewart đợc trình bày trên hình 1.
Cơ cấu này gồm 6 chân có độ dài thay
đổi đợc, 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
hớng của tấm dịch chuyển trong không
gian .
Ưu điểm của cơ cấu này là có thể định vị
bất kỳ vị trí, hớng 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 vợt trội của cơ cấu 6 bậc tự
do mà có thể nói đây là một hớng
nghiên cứu có giá trị và có nhiều khả

năng ứng dụng rộng rãi.
Theo nguyên lý này có hai phơng án cơ
bản để thiết kế máy: phơng án thuận và phơng 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