Phần mở đầu: giới thiệu vấn đề mà luận án quan tâm, mục đích của luận án và nội dung luận án sẽ thực hiện. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Xây dựng mô hình và mô phỏng Robot song song sử dụng ngôn ngữ MATLAB Phần tổng quan: sẽ tổng hợp, giới thiệu lại về một hệ thống Robot nói chung, các vấn đề liên quan tới một hệ thống Robot và phân loại Robot, đây là cơ sở phục vụ cho luận án. Cuối phần này sẽ đề cập tới loại Robot song song kiểu SPS hay còn được gọi là Hexapod SPS, là Robot luận án sẽ đi sâu nghiên cứu. Phần cơ sở lý thuyết: tập trung đi sâu vào các công cụ toán học, cơ học cơ bản liên quan tới Robot và phần mềm MATLAB/SIMULINK, phương thức sử dụng chúng để giải quyết các vấn đề mà luận án đưa ra.
Xây dựng mô hình đối tượng Robot trên phần mềm MATLAB, xây dựng và viết các hàm giải quyết các vấn đề động học, hình học, các hàm tiện ích khác của đối tượng Robot trên phần mềm MATLAB (các m file). Phần kết quả chính đạt được: sẽ nêu ra các kết quả đạt được của luận án. Sử dụng các kết quả này để tiến hành mô phỏng một hệ thống Robot cụ thể và đưa ra các kết quả cụ thể. Mô hình Robot thật mà tác giả chọn để mô phỏng là hệ thống Robot PR6-01, sẽ được chi tiết ở sau.
Phần kết luận: sẽ tổng kết lại nội dung đã thực hiện của luận án theo như mục đích đề ra, trình bày những dự kiến nghiên cứu trong tương lai. Phần phụ lục: đưa ra 6 Phương trình ràng buộc của 6 chân Robot và một số chương trình MATLAB giải quyết các vấn đề động học ngược, động học thuận và tìm biên không gian làm việc của một Robot cụ thể. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Xây dựng mô hình và mô phỏng Robot song song sử dụng ngôn ngữ MATLAB 2 Tổng quan 2.1 Cở sở về Robot Thuật ngữ Robot đã có từ những năm 1923, đến nay đã có rất nhiều định nghĩa giải thích cho thuật ngữ này. Tác giả xin được trích dẫn định nghĩa về Robot của Robotics Institute of America - "A Robot is a re-programmable multi-function manipulator designed to move material, parts, tools, or specialized devices, through variable programmed motions for the performance of a variety of tasks." - tạm dịch là: "Một Robot là một tay máy đa chức năng có thể lập trình lại, được thiết kế để di chuyển vật liệu, các chi tiết cơ khí, các công cụ hoặc các thiết bị đặc biệt theo các chuyển động được lập trình để thực hiện nhiều công việc khác nhau".
Ngày nay quan điểm, cách nhìn về Robot trong xã hội loài người đã thay đổi nhiều về sự thân thiện trong đời sống, sự thông minh trong các ứng dụng trợ giúp và thay thế con người của Robot,. Không có gì để bàn cãi khi khẳng định rằng Robot ngày nay và trong tương lai sẽ tiếp tục phát triển về độ thông minh và khả năng ứng dụng đa nhiệm vụ. a) Robot trong công nghiệp b) Robot trong thiết bị tập lái c) Robot dạng người Hình 2.1 Một số ứng dụng của Robot.1 minh hoạ một số loại Robot đã được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực khác nhau trong thực tế.1 a) là một loại Robot tay máy sử dụng trong công nghiệp, Hình 2.1 b) là Robot có cấu trúc song song ứng dụng trong việc mô phỏng 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Xây dựng mô hình và mô phỏng Robot song song sử dụng ngôn ngữ MATLAB các thiết bị tập lái, Hình 2.1 c) là Robot ASIMO dạng con người sử dụng trong giải trí.1 Hệ thống Robot Robot là một cấu trúc máy được sáng tạo ra để phục vụ lợi ích của con người. Máy bao gồm các khâu (thường là vật rắn không biến dạng, tuy nhiên trong những công việc đòi hỏi tải trọng lớn và tốc độ đáp ứng cao, các ảnh hưởng về biến dạng của vật liệu cần phải được đưa vào xem xét) được nối ghép với nhau bởi các khớp tạo thành một chuỗi động học hay còn gọi là cơ cấu.
Mỗi cơ cấu có nhiệm vụ biến đổi chuyển động, truyền tải lực và mômen từ khâu ban đầu (khâu đầu vào - thường là cố định) đến khâu cuối cùng (khâu đầu ra) để thực hiện theo một nhiệm vụ xác định. Robot - máy là sự tích hợp nối ghép của các cơ cấu (gọi là thiết bị biến đổi chuyển động) với các thiết bị điều khiển (máy tính, vi điều khiển, các thiết bị điều phối chuyển động chuyên dụng.), thiết bị biến đổi năng lượng, thiết bị ghép nối (cáp truyền thông tin, cáp điện), thiết bị khuyếch đại công suất, thiết bị chấp hành (xilanh, chân trượt vítme, .), thiết bị cảm biến (đầu đo lực, đầu đo vị trí, camera, .) và các thiết bị khác. để biến đổi năng lượng ngoài thành công có ích đạt mục đích sử dụng của con người. Tuỳ theo từng mục đích và ứng dụng cụ thể mà hệ thống có thể rất đơn giản hoặc vô cùng phức tạp về cả sơ đồ nối ghép lẫn các thành phần, tuy nhiên về mặt cơ bản, một hệ thống Robot thường có cấu trúc như được minh hoạ trên Hình 2.
Từ sơ đồ trên Hình 2.2, thấy rằng một hệ thống Robot điển hình gồm có 3 phần chính: 1) Máy tính với phần mềm. 2) Bộ điều khiển. 3) Mô hình cơ khí của Robot. Máy tính sẽ lưu trữ trạng thái khâu cuối của Robot theo thời gian (xe , y e , z e , ϕ e ,θ e ,ψ e ) , tính toán trạng thái các biến khớp chủ động rồi truyền kết quả xuống bộ điều khiển (θ1 ,θ 2 ,θ 3 ,.
Dựa trên dữ liệu mà máy tính gửi xuống, bộ điều 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Xây dựng mô hình và mô phỏng Robot song song sử dụng ngôn ngữ MATLAB khiển sẽ điều khiển các cơ cấu chấp hành sao cho Robot thực hiện công việc đúng như mong muốn. Robot Máy tính Bộ điều khiển Thiết bị theo dõi (bằng Lazer hoặc hình ảnh) Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc một hệ thống Robot điển hình. Nhận xét từ sơ đồ trên, đọc giả có thể nhận thấy một điều, khoa học về Robot là một khoa học liên ngành, bao gồm sự kết hợp của nhiều ngành khoa học và công nghệ khác nhau như: Cơ học, Điều khiển, Thông tin, Điện tử,. Chính vì vậy sẽ xuất hiện nhiều vấn đề liên quan tới hệ thống Robot cần được giải quyết.2 Các vấn đề liên quan với một hệ thống Robot Để đọc giả có một cái nhìn khái quát về các vấn đề cần giải quyết với một hệ thống Robot, tác giả muốn nhắc lại ngắn gọn các vấn đề quan trọng sau: a) Cấu trúc Cấu trúc là vấn đề liên quan tới việc xây dựng sơ đồ ghép nối giữa các khâu của Robot.
Mô hình cơ khí của Robot là một bộ phận trong hệ thống Robot bao gồm: Các khâu (thường là vật rắn) liên kết với nhau bởi các khớp (còn gọi là các cặp động học) được thiết kế để khâu tác dụng cuối có thể thực hiện các công việc như mong đợi. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Xây dựng mô hình và mô phỏng Robot song song sử dụng ngôn ngữ MATLAB Để làm Robot di chuyển, cần phải làm một số khớp của Robot chuyển động nhờ các cơ cấu chấp hành (động cơ) - các khớp này gọi là các khớp chủ động trong một giới hạn hành trình cho phép của chúng. Các khớp không phải là khớp chủ động gọi là khớp thụ động. Một số loại khớp hay được sử dụng trong Robot như là: khớp trượt (P - Prismatic), khớp quay (R - Revolution), khớp cầu (S - Spherical), khớp các đăng (U - Universal), … a) Khớp trượt (P) b) Khớp bản lề (R) c) Khớp cầu (S) d) Khớp các đăng (U) Hình 2.3 Các loại khớp hay dùng trong Robot.3 mô tả một số loại khớp hay được sử dụng trong Robot.3 a) là một loại khớp trượt có một bậc tự do chuyển động tương đối, Hình 2.3 b) cũng là một loại khớp có một bậc tự do, nhưng chuyển động tương đối ở đây là chuyển động quay quanh trục khớp.
Hai loại khớp này thường được sử dụng trong các Robot dạng chuỗi.3 c) là một loại khớp cầu có ba bậc tự do ứng với ba 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Xây dựng mô hình và mô phỏng Robot song song sử dụng ngôn ngữ MATLAB chuyển động quay tương đối, khớp trên Hình 2.3 d) là khớp các đăng có hai bậc tự do ứng với hai chuyển động quay tương đối. Robot có cấu trúc song song hay sử dụng hai loại khớp này. b) Hình học Hình học là vấn đề liên quan tới nhiệm vụ xác định các kích thước hình học của các chi tiết cấu thành Robot, giới hạn hành trình về chiều dài và góc của các khớp nối, sự va chạm của các chi tiết Robot, các điểm kỳ dị và không gian làm việc của Robot (Chú ý phân biệt hai loại không gian làm việc: không gian làm việc reachable và dexterous). Các khái niệm này sẽ được giải thích chi tiết ở phần 3.
c) Động học Động học liên quan tới việc giải quyết các vấn đề về chuyển động của Robot (chuyển động các khâu của Robot) mà không quan tâm tới nguyên nhân gây ra các chuyển động đó (lực, mômen). Trong phân tích động học có hai quá trình quan trọng, đó là phân tích động học thuận và phân tích động học ngược. Ở quá trình phân tích động học thuận, từ các thông số động học của các khớp kích động đã biết trước, ta cần phải xác định trạng thái của Robot - tức là xác định thông số động học của khâu cuối cùng. Quá trình phân tích động học ngược thì thực hiện ngược lại, tức là: từ các thông số động học của khâu cuối cùng đã biết trước, ta cần phải xác định trạng thái của Robot - tức là xác định thông số động học của bộ các khớp kích động.
Các kết quả tính toán động học sẽ phục vụ cho quá trình điều khiển vị trí, vận tốc, …; tính toán động lực học và nhiều vấn đề khác liên quan tới Robot. Đây là một phần chính của luận án, nên sẽ được nhắc lại và chi tiết ở phần tiếp theo. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Xây dựng mô hình và mô phỏng Robot song song sử dụng ngôn ngữ MATLAB d) Tĩnh học Tĩnh học là vấn đề liên quan tới mối quan hệ giữa lực và các yếu tố hình học, chi tiết hơn là mối quan hệ giữa các lực tạo ra sự cân bằng tĩnh giữa các chi tiết trong Robot.