Chương 1 TỔNG QUAN 1. TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH 1. Yêu cầu xây dựng mô hình Hình 1. Mô phỏng chuyển động trên tàu thủy bằng phương pháp thủ công Với mục đích thay thế việc mô phỏng các chuyển động, dao động trên tàu thủy khi chịu tác động của sóng bằng phương pháp thủ công như Hình 1.1 bằng một phương pháp nhanh chóng, đơn giản, thuận tiện, đáp ứng được các thông số đặt ra và tiết kiêm chi phí hơn.
Do đó yêu cầu thiết kế của đề tài đó là xây dựng được một mô hình robot có khả năng mô phỏng lại được các chuyển động trên tàu thủy. Cụ thể hơn, kết quả của đề tài sẽ mô phỏng lại sự thay đổi về các góc phương hướng của hệ thống antena thu phát sóng đặt trên thuyền. Vị trí và phương hướng trong không gian của một vật thể, trong trường hợp này là hệ thống antena thu phát sóng, được xác định như một vị trí và phương hướng của một khung tham chiếu chính đặt trong một khung tham chiếu khác cố định với vật thể. Để xác định được phương hướng của vật thể, ta cần ít nhất 03 giá trị độc lập mặc dù một vật thể có thể di chuyển tự do trong không gian (vật thể có 06 bậc tự do) sẽ có 06 giá trị để xác định vị trí và phương hướng.
Do hệ thống antena thu phát sóng được đặt trên tàu thủy, nên tâm quay của hệ tọa độ tham chiếu (là antena) sẽ trùng với hệ tọa độ gốc (là tàu thủy). Nếu như hệ tọa độ gốc 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đặt cố định tại đất liền (gắn với trái đất) thì ta cần thêm 03 giá trị thể hiện sự tịnh tiến của hệ tọa độ tham chiếu theo hệ tọa độ gốc theo 03 phương vuông góc với nhau. Kết luận: mô hình robot của đề tài sẽ mô phỏng 03 giá trị góc phương hướng. Biểu diễn phương hướng của vật thể Để biểu diễn phương hướng có rất nhiều phương pháp, trong đó Leonhard Euler là người tiên phong trong việc này, ông đã tưởng tượng ra 03 khung tham chiếu có thể quay lần lượt vòng quanh nhau và nhận ra rằng bằng cách sử dụng một khung tham chiếu cố định và biểu diễn ba vòng quay, ông có thể dùng biểu diễn bất kỳ khung tham chiếu nào khác trong không gian.
Giá trị thu được của biểu diễn ba vòng quay được gọi là các góc Euler [5]. Phép biểu diễn Euler [6] Việc biểu diễn các góc Euler này cũng có rất nhiều lựa chọn (12 lựa chọn) trong đó có 06 kiểu gọi là vòng quay nội tại (hay còn được gọi là góc Euler cổ điển) và 06 kiểu còn lại được gọi là vòng quay bên ngoài (hay còn được gọi là góc Tait-Bryan). Khác nhau cơ bản của vòng quay bên ngoài và vòng quay nội tại là các phép quay nguyên tố sẽ xảy ra ở các trục của hệ tọa độ cố định (gắn liền với trái đất); còn vòng quay nội tại thì các phép quay nguyên tố sẽ thay đổi theo trục của hệ tọa độ mới sinh ra sau mỗi phép quay [7]. Chính vì việc phép quay nguyên tố xảy ra ở trục tọa độ cố định (bên ngoài) nên vòng quay bên ngoài hay các góc Tait-Bryan được ứng dụng trong việc xác định phương hướng của các vật thể, phương tiện đi lại và hàng không vũ trụ như: tàu thuyền, máy bay, tên lửa… Các góc Tait-Bryan còn được biết đến dưới dạng các định nghĩa thông dụng hơn như: góc nghiêng (roll angle), góc ngẩng (pitch angle) và góc cuộn (yaw angle).
4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Biểu diễn góc nghiêng, góc ngẩng và góc cuộn 1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT 1. Giới thiệu và phân loại robot Khái niệm robot đã được các nhà khoa học đưa ra nhiều cách định nghĩa khác nhau nhưng tổng kết lại thì điểm thống nhất của các khái niệm này là đặc điểm “điều khiển theo chương trình”.
Các robot xuất hiện ban đầu dưới dạng đơn giản như các tay máy công nghiệp, và sau đó phát triển bùng nổ ra nhiều dạng khác nhau để phục vụ nhiều mục đích của người sử dụng. Robot được phát triển không chỉ về mặt đa dạng về cấu trúc mà còn được phát triển cả về mặt điều khiển, hiện nay các nhà khoa học sáng tạo ra được cả những loại robot có khả năng “suy nghĩ” và có cảm xúc như con người [3]. Để phân loại robot ta có thể chia theo các yếu tố như: theo dạng hình học của không gian hoạt động, theo thế hệ robot, theo bộ điều khiển, theo nguồn dẫn động hoặc theo kết cấu. Phân loại theo dạng hình học của không gian hoạt động Người ta phân loại robot theo sự phối hợp giữa ba trục chuyển động cơ bản rồi có thể bổ sung thêm các bậc chuyển động nhằm tăng thêm độ linh hoạt.
Vùng giới hạn tầm hoạt động của robot được gọi là không gian làm việc. Robot tọa độ vuông góc: robot loại này có ba bậc chuyển động cơ bản gồm ba chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục vuông góc. Robot tọa độ trụ: ba bậc chuyển động cơ bản gồm hai trục chuyển động tịnh tiến và một trục quay. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Robot tọa độ cầu: ba bậc chuyển động cơ bản gồm một trục tịnh tiến và hai trục quay.
Robot khớp bản lề: ba bậc chuyển động cơ bản bao gồm ba trục quay. Phân loại theo thế hệ Theo quá trình phát triển của robot, ta có thể chia ra theo các mức độ sau đây: Robot thế hệ thứ nhất: bao gồm các dạng robot hoạt động lặp lại theo một chu trình không thay đổi, theo chương trình định trước. Robot thế hệ thứ hai: bao gồm các robot được trang bị các cảm biến cho phép cung cấp tín hiệu phản hồi trở lại hệ thống điều khiển về trạng thái, vị trí không gian của robot cũng như thông tin về môi trường bên ngoài. giúp cho robot có thể lựa chọn những thuật toán thích hợp để điều khiển robot thực hiện những thao tác xử lý phù hợp.
Robot loại này còn được gọi là robot điều khiển thích nghi cấp thấp. Robot thế hệ thứ ba: bao gồm các robot được trang bị những thuật toán xử lý các phản xạ logic thích nghi theo những thông tin và tác động của môi trường lên chúng, nhờ đó robot tự biết phải làm gì để hoàn thành công việc đã được đặt ra. Đây là dạng phát triển cao nhất của robot tự cảm nhận. Robot loại này bao gồm các robot được trang bị hê thống thu nhận hình ảnh trong điều khiển.
Robot thế hệ thứ tư: bao gồm các robot sử dụng các thuật toán và cơ chế điều khiển thích nghi được trang bị bước đầu khả năng lựa chọn các đáp ứng tuân theo một mô hình tính toán xác định trước nhằm tạo ra những ứng xử phù hợp với điều kiện của môi trường thao tác. Robot thế hệ thứ năm: bao gồm những robot được trang bị các kỹ thuật của trí tuệ nhân tạo như nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tượng qua tiếp xúc. để đưa ra quyết định và giải quyết các vấn đề hoặc nhiệm vụ đặt ra cho nó. Phân loại theo nguồn dẫn động Phụ thuộc vào nguồn dẫn động có thể phân loại robot theo một số dạng như sau: Robot dùng nguồn cấp điện: nguồn cấp điện cho robot có thể là DC, hệ thống có thể dùng nguồn AC sau đó chuyển đổi sang DC để điều khiển động cơ DC.
Các động cơ thường dùng là động cơ bước, động cơ DC servo, động cơ AC servo. Robot dùng nguồn khí nén: hệ thống robot này được trang bị máy nén, bình chứa khí và động cơ máy nén. Robot loại này sử dụng các xy-lanh khí nén để thực hiện chuyển động thẳng và chuyển động quay. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Robot dùng nguồn thủy lực: hệ thống robot này sử dụng các bơm để tạo áp lực dầu, các cơ cấu chấp hành là các xy-lanh thủy lực và thường sử dụng cho các ứng dụng có trọng tải lớn.
Hiện nay các hệ thống robot sử dụng hỗn hợp giữa các nguồn dẫn động để tạo ra cơ cấu hoạt động linh hoạt và đa dạng. Phân loại theo kết cấu động học Theo kết cấu động học của robot, ta có thể phân loại theo 02 loại: robot nối tiếp và robot song song. Robot nối tiếp: trong kết cấu động học nối tiếp thông thường thì tất cả các trục chuyển động được bố trí nối tiếp với nhau. Mỗi khâu động được liên kết hoặc nối động với các khâu khác nhờ các khớp động.
Mỗi khớp thường chỉ cho phép thực hiện một chuyển động tương đối, mỗi trục tiếp theo sẽ làm cho kết cấu có thêm một bậc tự do. Do tính nối tiếp nên khâu trước phải chịu tải trọng của khâu sau dẫn đến công suất sử dụng ngày càng tăng nếu số lượng khâu tăng lên. Robot song song: robot loại này có thể xem như một chuỗi động học kín, ở đó mỗi khâu luôn luôn được liên kết với ít nhất hai khâu khác. Cấu trúc động học song song không hẳn đã tồn tại các cấu kiện song song theo ý nghĩa hình học.
Mà trong cấu trúc này tất cả các trục khi chuyển động sẽ tác động trực tiếp hoặc gián tiếp lên bàn công tác (cơ cấu chuyển động cần thiết cuối cùng). Để thực hiện một chuyển động thì tất cả các cơ cấu đề phải hoạt động, như vậy sẽ xuất hiện chuỗi động học gọi là động học kín. Số lượng của chuỗi khớp nối sẽ bằng đúng số bậc tự do của cấu trúc. Robot song song và ứng dụng Những công trình lý thuyết về cơ cấu động học song song đã có từ hàng trăm năm trước đây nhưng được ứng dụng thực tế thì chỉ được biết đến trong thế kỷ XX.
Kết cấu động học song song không gian đầu tiên cho ứng dụng công nghiệp là robot sơn 5 bậc tự do, được thiết kế bởi L.Willard nhưng đáng tiếc là thiết kế này không được áp dụng vào thực tế. Sau đó, một cơ cấu động học song song ngày càng được phát triển, trở nên nổi tiếng và được chế tạo hàng nghìn phiên bản: đó là thiết bị kiểm tra lốp dựa trên nguyên lý hexapod của Eric Gough. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Robot song song hexapod của Eric Gough Ngày nay, các ứng dụng của robot song song đã được phát triển rất đa dạng như trong lĩnh vực mô phỏng chuyển động, các thiết bị vận hành, áp dụng cho máy công cụ với đủ các loại kết cấu, nguồn dẫn động.
Các ứng dụng của robot song song 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ 2. TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN MÔ HÌNH 2.