Tài liệu Thiết kế và chế tạo mô hình Hexapod pdf

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
p
latform
Dụng cụ gia công
Hình 3: Sơ đồ nguyên lý nghịch
Hình 2: Sơ đồ nguyên lý thuận.
p
latform
Chân
Giá
Sơ đồ nguyên lý thuận đợc trình bày trên hình 2. Theo sơ đồ nguyên lý này chi tiết đợc
kẹp cố định trên bàn máy, còn dụng cụ đợc gắn trên tấm dịch chuyển và đợc điều khiển
bởi cơ cấu Stewart.
Ngợc lại, nếu dụng cụ cắt cố định trên đầu gia công còn phôi gá trên bàn máy 6 chân kiểu
cơ cấu Stewart là phơng án nghịch mà sơ đồ nguyên lý của nó đợc trình bày trên hình 3.
Theo phơng án này chúng ta có thể cải tạo và tận dụng những máy phay thông thờng để
gắn dụng cụ và chỉ làm thêm bàn máy 6 chân. Tuy nhiên việc tính toán, thiết kế cũng nh
điều khiển sẽ khó khăn hơn và phức tạp hơn so với phơng án thuận.
Với những cơ sở lập luận nh vậy chúng tôi chọn phơng án thuận để thiết kế máy
HEXAPOD 2001.

III. TíNh toán thiết kế Hexapod
Trong phần này chúng tôi trình bày bài toán động học ngợc, tính toán ma trận jacobian,
phân tích độ cứng vững bài toán động học và động lực học của chân.

3.1. Xác định bậc tự do cơ cấu:
Số bậc tự do của cơ cấu:
F = (n-j-1) + f
i
- f

p
(1)

Với là bậc tự do của khâu trong không gian ( = 6)
n là tổng số khâu trong cơ cấu
j là tổng số khớp trong cơ cấu
f
i
là tổng số bậc tự do của các khớp trong cơ cấu
f
p
là tổng số bậc tự do thừa của cơ cấu

F = 6(14-18-1) + (12
ì
3+6
ì
1) 6 = 6

3.2. Bài toán động học ngợc
Đối với bài toán động học ngợc vị trí điểm chuẩn dao (tâm mũi dao) C
t
( vector từ tâm tấm
di chuyển đến đầu mũi dao) trong hệ tọa độ di chuyển B, ma trận xoay
B
A
R để đa vector
trục dụng cụ về trùng với trục
Z
và vị trí điểm chuẩn dao

p
0
trong hệ tọa độ
A
cho trớc. Ta
phải xác định chiều dài chân d
i
tại vị trí phân tích.
Nh minh họa trong hình 4
[]
T
iziyixi
A
aaa=a và
[]
T
iwiviui
B
bbb=b

là các vectơ vị trí của các điểm
A
i
và
B
i

trong hệ tọa độ A và B. Theo hình 4
chúng ta có phơng trình chuỗi vector
cho chân i viết trong hệ tọa độ A nh

sau:
iiii
BAOAPBOP +=+
(2)
ii
B
B
A
ii
RBA abp += (3)
()
ii
B
B
A
B
A
ii
RRBA abctp +=
0
(4)

Lấy tích vô hớng của vector
ii
BA
với chính nó cho ta chiều dài của chân i tại vị trí đang
phân tích
(
)
[

]
(
)
[
]
ii
B
B
A
B
A
T
ii
B
B
A
B
A
iiii
2
i
RRRRBABAd abctpatp ++==
00
bc
(5)

++

==




csscs
ssccscscsscc
csscccsssccc
RRRR
zyzB
A
(6)
p
b
ct
n
ct
a
p
b
n
p

p
a
Hình 4: Phân tích vị trí cơ cấu
3.3. Ma trận jabobian
[]
[]










ì
ì
==
T
T
x
b
Sb
JJJ
66
11
ss
s
T

6
T
1
1-
q
MM
(7)
ở đây b
i
và s
i
biểu diễn vector
i
PB và vector đơn vị theo trục.


3.4. phân tích lực tĩnh
Phơng trình cân bằng lực và moment của tấm dịch chuyển tại điểm gia công nh sau:
1. Hợp lực tác dụng lên tấm dịch chuyển
ii
f sf

=
(8)
2. Tổng moment của các lực tác động tại điểm gia công
()

ì=
iii
f sbn

(9)
ở đây b
i
và s
i
biểu diễn vector
i
PB và vector đơn vị theo trục.

Cuối cùng ta có phơng trình cho ta quan hệ chuyển đổi giữa lực tạo ra ở điểm đầu cuối và
các lực tác động

6
1
6611
61
=

ìì
=






=
T
J
f
f
bb
M
K
K
ss
ss
n
f
F
(10)
Do đó nếu các lực tác dụng cho trớc ta có thể tính trực tiếp lực tạo ra ở điểm đầu cuối và
ngợc lại nếu cho trớc lực ở điểm đầu cuối ta có thể tìm đáp ứng lực trên các chân bằng
biến đổi ngợc.

3.5. phân tích độ cứng vững
Ma trận độ cứng đợc xác định nh sau:
[
]
[]










ì
ì






ìì
=
T
T
b
b
bb

kK
616
111
6611
61
ss
ss
ss
ss
T
T
MM
K
K
(11)

3.6. động học
Vận tốc
: Vận tốc góc của chân thứ i đợc xác định


(12)



Một khi tìm đợc vận tốc góc của chân thứ i, vector vận tốc khối tâm của piston và xylanh
thứ i là
i
i
i

i
vv
21
xác định:

(13)
Gia tốc
:
Gia tốc góc của chân i đợc xác định:











=
0
v
v
d
1
bix
i
iy
i

i
i
i












=ì=
0
1
11 biy
i
bix
i
i
i
i
i
i
i
i
v

v
d
e
e sv

,
=
i
i
2
v
(
)
()












biz
i
i
biy

i
i
bix
i
i
i
vd
ved
ved
d
2
2
1

+
=










=
0
.2
.2
1
0
i
bix
i
biz
i
bix
i
i

biy
i
biz
i
biz
i
i
iy
i
ix
i
i
i
d
vv
v
d
vv
v
d
&
&
&
&
&



(14)
Một khi gia tốc góc của chân thứ i tìm đợc, gia tốc của khối tâm piston và xylanh là :

+



=
i
biy
i
bix
i

i
bix
i
biz
i
biy
i
i
bix
i
biz
i
bix
i
i
i
d
vv
d
vv
v
d
vv
v
d
e
22
1
1
1

.2
.2
&
&
v
(15) ,
()
()
()


















+
+
+

+
=
i
biy
i
bix
i
biz
i
i
biy
i
biz
i
biy
i
i
i
bix
i
biz
i
bix
i
i
i
i
i
d
vve

v
d
vve
ved
d
vve
ved
d
22
2
2
2
2
2
2
2
2
1
&
&
&
&
v
(16)

3.7. động lực học
Động lực học chân
Phơng trình động lực học chân i đợc xác định:
() ()
[ ]

iy
i
iy2iy
i
iy1ix2
i
2i2ix1
i
11ic2i2ic11
i
bix
i
IIvedmvemsgedmsgem
d
1
f

&&&&
+=
()
[]
ix
i
ix2ix
i
ix1iy2
i
2i2iy1
i
11

i
biy
i
IIvedmvem
d
1
f

&&&&
++=
(17)
ở đây
jix
I và
jiy
I là thành phần x và y của moment quán tính chính của xylanh (j=1) và
piston (
j=2
) đối với khối tâm tơng ứng trong hệ tọa độ chân
i
.
Động lực học tấm di chuyển: Phơng trình động lực học tấm di chuyển đợc xác định nh
sau:

()
pxp
6
1i
iibiz
i

ibiy
i
iibix
i
vmscfsfccf
&
=+

=

(18)

()
pyp
6
1i
iibiz
i
ibiy
i
iibix
i
vmssfcfcsf
&
=++

=

(19)

()
cppzp
6
1i
ibiz
i
ibix
i
gmvmcfsf +=+

=
&

(20)
Lực phát động và phản lực nền
Khi các phản lực ở các khớp cầu đã tìm đợc, dễ dàng xác định lực phát động
i

bằng cách
lấy tổng các lực tác động lên piston i theo trục Zi.
iz2
i
2ic2biz
i
i
vmcgmf
&
++=

(21)

Các phản lực tại khớp cầu Ai
ai
i
f
có thể tìm nhờ phơng trình Newton cho các chân.
()
i2
i
2i1
i
1
A
A
i
21bi
i
ai
i
mmRmm vvgff
&&
+=+++ (22)
iv. thuật toán điều khiển
Mỗi tọa độ của dụng cụ cắt đợc quyết định bởi vị trí 6 chân và đợc điều khiển bởi 6 động
cơ. Để điều khiển tấm dịch chuyển ( platform) mang dụng cụ có thể thực hiện bằng nhiều
phơng án khác nhau nh: vi xử lý, PLC, máy tính,
ở đây chúng tôi chọn phơng pháp điều khiển bằng máy tính qua các vi xử lý điều khiển
cơ cấu chấp hành mà giải thuật của nó đợc trình bày Hình 5:
S
Đ
Đ

EXIT
Đ
S
S
S
ĐỘNG
CƠ THỨ i
PH A ÙT
X UN G
Ti =Ti +Ti
Đ
TÍNH CHU KỲ PHÁT
XUNG
Ti =XUNGmax*tdl/XUNGi
Ti <=(0.5+i )Tmin
delay
PH A ÙT
XUNG TỪ
1->X U NGmax
TÍNH SỐ XUNG CẦN
PH ÁT CHO MỖI ĐỘNG
CƠ
TÌM SỐ XUNG LỚN
NHẤT
TÍNH CHIỀU
DÀI TỪNG
CHÂN BIẾN
THIÊN
Đ
RESET

DỪNG
KIỂM TRA
CHIỀU DÀI
CHÂN ĐÃ
DỊCH
CHUYỂN
KHỞI ĐỘN G 8255
BEGIN
NHẬP D A TA
TÍNH CHIỀU DÀI CHA ÂN
KIỂM TRA CHIỀU
DÀI CHÂN
S




Tht to¸n nµy cã −u ®iĨm lµ chun nhiƯm vơ ®iỊu khiĨn tõ m¸y tÝnh ®Õn c¸c vi m¹ch
phÇn cøng, mçi vi m¹ch ®¶m nhiƯm viƯc ®iỊu khiĨn cho mçi ch©n dƠ dµng vµ hiƯu qu¶ h¬n.
M¸y tÝnh lóc nµy chØ dïng ®Ĩ gi¶i qut c¸c vÊn ®Ị néi suy vµ tÝnh to¸n c¸c d÷ liƯu ®iỊu
khiĨn.

v. kÕt qu¶ vµ nhËn xÐt
5.1 NH÷NG KÕT QU¶ BAN ®ÇU
Trªn c¬ së gi¶i nh÷ng bµi to¸n nãi trªn chóng t«i ®· thiÕt kÕ chÕ t¹o m« h×nh HEXAPOD
2001 thĨ hiƯn trªn h×nh 6 víi c¸c th«ng sè sau ®©y:
KÝch th−íc :800x800x1600 mm

KÕt cÊu cđa kh©u t¸c ®éng : l
min

= 552 mm, l
max
= 772 mm
Khèi l−ỵng cđa m¸y :150 Kg

§· tiÕn hµnh thùc nghiƯm ch¹y kh«ng t¶i còng nh− cã t¶i ®Ĩ gia c«ng trªn vËt liƯu mỊm.
M¸y ch¹y kh¸ ªm vµ ỉn ®Þnh.


5.2. h−íng nghiªn cøu ph¸t triĨn tiÕp
H×nh 5: S¬ ®å
g
i¶i tht
H×nh 6: M¸
y
®an
g

g
ia c«n
g

Qua những thí nghiệm đã thực hiện chúng tôi thấy có nhiều hớng phát triển hoàn thiện đề
án nh:
- Xây dựng mô hình và đồ gá để kiểm tra, đánh giá sai số của máy để có biện pháp nâng
cao độ chính xác của máy.
- Nghiên cứu cải thiện các phơng pháp điều khiển để nâng cao năng suất gia công.
- Thiết kế và chế tạo máy Hexapod công nghiệp có công suất lớn để gia công nhiều chi
tiết lớn và phức tạp.

tài liệu tham khảo
[1] Ngô Diên Tập, Vi xử lý trong đo lờng và điều khiển, Nhà xuất bản Khoa học kỹ
thuật, 1999.
[2] Nguyễn Thiện Phúc, Ngời máy công nghiệp và sản xuất tự động linh hoạt, Nhà
xuất bản Khoa học kỹ thuật, 1991.
[3] Lorenzo Sciavicco, Bruno Siciliano, Modeling And Control of Robot Manipulators,
McGraw-Hill, Inc 1996.
[4] Lung-Wen Tsai , Robot Analysis, Wiley-Interscience Publication 1999.
[5] T. D. Burtonm, Introduction to Dynamic Systems Analysis, McGraw-Hill, Inc 1994.