Luận văn Mô hình hoá và mô phỏng robot song song loại Hexapod

t triển là có thể kiểm tra được tính chất của lốp máy bay trong những điều kiện tải hết sức khác nhau. Hình 1.10 Robot sơn với kết cấu động học song song do V. Willard; V. Pollard đăng ký sáng chế 1942 ( US Patent 2.2286571) Hình 1.11 Mặt bàn công tác Gough nguyên bản: a) 1954 b) 2000 - 22 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Năm 1965 D.Stewart mô tả trong tạp chí “Institution of mechmical Engineers - IMECHE” một bàn chuyển động cho thiết bị mô phỏng bay dựa trên cơ sở của cơ cấu song song. Tuy nhiên thiết bị này không liên quan gì đến một nguyên lý mà ngày nay vẫn gọi là bàn công tác Steward (Steward Plattform). Cùng thời gian đó, người Mỹ Klaus Cappel, một nhân viên của Franklan Institue Research Labratories ở Philadelphia với sự khích lệ của công ty United Technology đã phát triển một thiết bị mô phỏng bay cho máy bay lên thẳng và đăng ký sáng chế năm 1964. Trên cơ sở này, hàng chục năm tiếp theo nhiều hãng đã phát triển và chế tạo những thiết bị mô phỏng bay. Trong những năm 80 và 90 cơ cấu chuyển động song song được phát triển chủ yếu cho thiết bị vân hành và được sử dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp. Khởi xướng đầu tiên có sử dụng cơ cấu động học song song trong máy công cụ bắt nguồn từ Liên Xô cũ vào cuối những năm 70 (64, 65) ở viện kỹ thuật điện Novosibirsk. Đầu những năm 90 đã xuất hiện nhiều phiên bản mẫu. Vào cuối những Hình 1.12 Steward Gough platform - 23 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên năm 80 việc phát triển máy công cụ có kết cấu động học song song cũng được đẩy mạnh ở Mỹ (81). Trong những năm tiếp theo do có sự hỗ trợ khá mạnh của chương trình nghiên cứu quốc gia và quốc tế nên luôn luôn có những phiên bản mẫu mới được phát triển, chế tạo và giới thiệu trên các hội chợ, hội thảo quốc gia và quốc tế. Cho tới nay trên thế giới có một số máy gia công và thiết bị vận hành đã được xác nhận là tốt, góp phần tạo ra đột phá trong thực tế công nghiệp. Một số ứng dụng của Hexapod: Hình 1.13 Thiết bị mô phỏng bay đầu tiên được thương mại hoá do Klan Cappel phát triển vào giữa những năm 60 - 24 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 1.14 Quan sát giao thoa nhờ Hexapod Hình 1.15 Nguyên lý Hexapod ứng dụng trong thiết bị mô phỏng bay - 25 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1.2.2 ROBOT SONG SONG LOẠI HEXAPOD Hexapod theo ngôn ngữ Hy Lạp được hiểu là: “hexa” = 6, “podus” = foot hay còn được gọi là Steward-Gough-Platform. Nhìn chung cấu trúc Hexapod bao gồm: mặt nền trên upper platform (mặt bàn gá phôi); các khớp (joints); 6 thanh dẫn động song song có thể thay đổi chiều dài và mặt nền dưới (lower platform). Hình 1.17. Sơ đồ nguyên lý Hexapod đề tài lựa chọn Hình 1.16 Nguyên lý Hexapod ứng dụng trong y học - 26 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1.2.2.1 CẤU TRÚC HÌNH HỌC Robot này có sáu chân (hình minh họa). Mỗi chân gồm chân trên (upper leg) và chân dưới (lower leg). Chân trên được gắn với mặt bàn gá phôi bởi một khớp xoay dạng bi. Chân trên và chân dưới nối với nhau nhờ khớp trượt. Thông qua sáu khớp trượt này, sáu động cơ truyền động cho robot. Chân dưới có dạng hình trụ tròn rỗng trong không gian với mỗi đầu là một khớp xoay dạng bi gắn ở mặt nền cố định. Từ cấu trúc hình học của Hexapod, ta có sơ đồ khối các khớp của Hexapod là: Hình 1.18 Sơ đồ khối các khớp của Hexapod Trong đó các khớp có màu đậm là khớp chủ động (khớp được truyền động trực tiếp bởi động cơ), S (Spherical) đại diện cho khớp cầu, P (Prismatic) đại diện cho khớp trượt. 1.2.2.2 MÔ TẢ TOÁN HỌC CỦA ĐỐI TƢỢNG HEXAPOD a, Bậc tự do Xuất phát từ ý tưởng thiết kế đối xứng, với sơ đồ nguyên lý (hình 1.17) và sơ đồ khối các khớp (hình 1.18) của Hexapod, 6 thanh S-P-S cung cấp cho chúng ta tổng số bậc tự do là: S P S S P S S P S S P S S P S S P S M ặ t đ ế E n d E fe c to r in i C P C i=1 f =6*f + 6*f + 6*f = 6*3+ 6+ 6*3 = 42 (1.1) - 27 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trong đó: ni là số khớp. Khớp cầu Spherical Khớp trượt Prismatic fC = 3 dof fP = 1 dof Sử dụng công thức tính bậc tự do của Chebychev - Grubler - Kutzbach trong “Development of Reconfigurable Parallel Kinematic Machines using Modular Design Approach” cho một cơ cấu cơ khí: Mà: d = 6 nếu cơ cấu hoạt động trong không gian và bằng 3 trong trường hợp còn lại. n - số thân (bodies) của cơ cấu. Với ý tưởng thiết kế đối xứng, từ sơ đồ khối các khớp hình 1.18 thấy ngay được giữa các khớp tương ứng sẽ là các chân Robot được đại diện bằng khối thân và mặt nền di động chứa điểm End Effector cũng được biểu diễn bằng một thân. Như vậy: n = 2*6 + 1 = 13 (bodies). g - tổng số khớp (joints) của cơ cấu. Từ hình 1.18 ta thấy: g = 3*6 = 18 (joints) Vậy số bậc tự do của End Effector là: in i i=1 Dof = f + d(n - g -1) in i i=1 Dof = f + d(n - g -1) = 42 + 6(13-18 -1) = 6 (1.2) (1.3) Hình 1.19 Mô hình khớp cầu và khớp trượt - 28 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên b, Phƣơng trình động học ngƣợc Từ sơ đồ nguyên lý (hình 1.17), ta xây dựng được mô hình Hexapod có dạng như sau: Gắn hệ toạ độ A(x, y, z) lên đế và hệ toạ độ B(u, v, w) lên mặt bàn gá phôi. Chuyển vị của mặt bàn gá phôi so với đế được thay thế bằng chuyển vị giữa hệ toạ độ B(u, v, w) so với hệ toạ độ A(x, y, z) và được biểu diễn bằng vector chuyển vị p cùng với ma trận quay R. Trong đó u, v, w là các vector đơn vị trong hệ toạ độ B(u, v, w) và: x x x y y y z z z u v w u v w u v w R (1.4) Hình 1.20 Mô hình Robot Hexapod trong không gian A4 A5 A6 A1 A2 A3 B3 B4 B5 B6 B1 B2 x y z w v u O P b4 a4 li p - 29 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên với các phần tử của ma trận R phải thoả mãn đồng thời các điều kiện: Ký hiệu ai = [aix, aiy, aiz] và iu iv iwb ,b ,bib là các vector biểu diễn vị trí của tâm khớp xoay dạng bi Ai, Bi (với i = 1, 2, 3, 4, 5, 6) trong hệ toạ độ A(x, y, z) có thể viết phương trình vector vòng kín tương ứng với chân thứ i như sau: Từ đây ta có: 2 2 2 2 2 2 2 2 2 + + = 1 + + = 1 + + = 1 + + = 0 + + = 0 + + = 0 u u u v v v w w w u v u v u v u w u w u w v w v w v w x y z x y z x y z x x y y z z x x y y z z x x y y z z (1.5) (1.6) (1.7) 2 il i i i i i i T T = l .l = p + R*b - a . p + R*b - a 2 il i i i i i i i i T TT T T T = p p + b b + a a + 2p R*b - 2p a - 2 R*b a i i il = p + R*b -a 3A 4A 4B 3B x z y i l 1A 2A 2B 1B y z x i l i l 5A 6A 6B 5B -x z -y Hình 1.21 Phân tích hình học các chi tiết của Hexapod - 30 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Thay i = 1 6 ta thu được hệ 6 phương trình biểu diễn thế của mặt bàn gá phôi so với đế trong đó ib và ai là các vector hằng phụ thuộc vào kết cấu của tay máy. Vậy chiều dài của các chân được xác định bởi: Đây chính là phương trình động học ngược của Hexapod. Lấy đạo hàm của li theo thời gian ta được tốc độ. Nhưng vì chiều dài này lấy từ khớp cầu dưới Ai đến khớp cầu trên Bi nên tốc độ chuyển động của li cũng chính là tốc độ của khớp cầu trên Bi. Mặt khác, theo “ Model based control of a flight simulator motion system ” ta lại có tốc độ chuyển động: Với ω là tốc độ góc của mặt nền di động. Thay vào biểu thức 1.9 ta được vận tốc của cơ cấu chấp hành thu được chính là biểu thức tốc độ của mặt nền di động (mobil platform). (1.8) il i i i i i i i i T TT T T T = p p + b b +a a + 2p R*b - 2p a - 2 R*b a i i d d l = dt dt l i i i n,i T bT T b l .v l .l = = l .v (1.9) ibv = p +ω Rb i n,i n,i i T T bl = l .v l (p +ω×Rb )   (1.10) (1.11) - 31 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên c, Thông số kỹ thuật của Hexapod Trên cơ sở sơ đồ nguyên lý cấu trúc Hexapod gồm mặt nền cố định nối với mặt nền di động thông qua 6 chân Hexapod, mỗi chân gồm chân trên và chân dưới, hai đầu có 2 khớp xoay dạng bi (hình 1.22) với thông số cụ thể như sau: Chân trên của robot có chiều dài 1.0m, là ống rỗng tiết diện tròn đường kính 7mm, được làm bởi nhôm có bề dày lớp nhôm là 2 mm, khiến chúng khá nhẹ, khối lượng là 51.812g. Mô men quán tính các chân trên quanh các trục là 24.169 kgm2. Chân dưới gồm 6 thanh đều là ống nhôm rỗng tiết diện tròn có đường kính 8mm, bề dày lớp nhôm là 3mm. Chiều dài các thanh là 1m. Phần thân ống có khối lượng 92.111g, mômen quán tính là 43.024 kgm2 ; mỗi khớp cầu có khối lượng 10g, khớp trượt là 20g do đó toàn bộ khối lượng của chân là 183.923g. Mặt bàn gá phôi làm bằng nhôm, hình tròn bán kính 0.25m nặng 1216.9g. Chân dưới Chân trên Khớp cầu dưới Khớp cầu trên Hình 1.22 Sơ đồ nguyên lý chi tiết của Hexapod - 32 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên CHƢƠNG 2 MÔ HÌNH HOÁ ROBOT SONG SONG LOẠI HEXAPOD BẰNG BỘ CÔNG CỤ SIMMECHANICS - 33 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BỘ CÔNG CỤ SIMMECHANICS 2.1.1 SIMMECHANICS VÀ ỨNG DỤNG CỦA SIMMECHANICS Ở các hệ thống cơ khí phức tạp thường tồn tại các ràng buộc cơ khí hoặc các khâu dẫn động trong hệ thống thì việc sử dụng phương pháp Newton - Euler dựa trên việc phân tích lực và mômen đặt lên các phần tử của hệ thống hoặc phương pháp Euler - Lagrrange dựa trên cân bằng năng lượng trong hệ thống để xây dựng hệ phương trình toán học mô tả hệ thống gặp nhiều khó khăn mà bộ công cụ Simmechanics lại trả lời được vấn đề này. Simmechanics là phần mềm mô hình hoá dạng sơ đồ khối cho thiết kế và mô phỏng kỹ thuật các phần chính của các máy cơ khí nói riêng hay các hệ thống máy móc nói chung và chuyển động của chúng trên cơ sở động lực học Newton chuẩn về lực và mômen. Bộ công cụ Simmechanics giúp mô hình hoá và mô phỏng các hệ thống cơ khí cùng với các công cụ để khai báo từng khâu với đặc tính khối lượng, các vị trí chuyển động của chúng, các ràng buộc động học, các hệ trục toạ độ, xác lập các khối tạo chuyển động với điều kiện ban đầu của chúng và đo chuyển động của các khâu. Thực chất, Simmechanics là một phần của mô hình hoá các vấn đề vật lý với Simulink, hoàn thiện việc mô hình hoá và thiết kế hệ thống trên cơ sở những nguyên tắc cơ bản của vật lý. Simmechanics có thư viện cung cấp các khối thay thế các thành phần có tính chất vật lý và các yếu tố liên quan trực tiếp. Simmechanics có 3 ứng dụng chính: Mô hình hoá hệ thống cơ khí sử dụng các khối chuẩn trong thư viện của Simmechanics. Khảo sát hoạt động của cơ cấu cơ khí đó bằng 4 phương pháp phân tích mà Simmechanics cung cấp, bao gồm động học thuận (Forward Dynamics), động lực học ngược (Inverse Dynamics), phân tích chuyển động học (Kinematic analysis) để tìm lực và mômen, phân tích và tìm trạng thái cân bằng của hệ thống (Trimming). Mô phỏng hệ thống cơ khí với Simmechanics. - 34 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.1.2 MÔ TẢ CHUYỂN ĐỘNG VỚI SIMMECHANICS 2.1.2.1 Chuyển động và trạng thái chuyển động Kinematics là một sự miêu tả chuyển động của máy khi không có ngoại lực hay momen tác động cũng như không có thuộc tính của đối tượng. Bậc tự do của đối tượng: Mỗi vật thể vật lý có 6 bậc tự do: 3 chuyển động tịnh tiến treo các trục, 3 chuyển động quay theo các trục. SimMechanics thay thế bậc tự do bởi khớp nối giữa hai thân đó. Trong SimMechanics, vật thể (body) không có bậc tự do. Trạng thái chuyển động: Trạng thái chuyển động của hệ thống cơ khí là tập họp các giá trị tức thời của vị trí (đối với chuyển động tịnh tiến), góc quay (đối với chuyển động quay) và vận tốc của chúng. 2.1.2.2 Chuyển động của thân trong SimMechanics Không gian hoạt động và các hệ tọa độ: SimMechanics mô phỏng chuyển động của cơ cấu sử dụng tiêu chuẩn động lực học của Newton, là một tập tất cả các trạng thái, trừ gia tốc, trong không gian quán tính. SimMechanics sử dụng một không gian quán tính chủ đạo gọi là World. Chúng ta có thể chọn bất kì một điểm nào đó như một gốc tọa độ và đặt vào đó các trục tọa độ trực giao gọi là hệ tọa độ mở rộng. Sự chuyển động giữa các hệ tọa độ: Cho một hệ tọa độ cố định, và một hệ tạo độ khác có tâm O (gọi tắt là hệ tọa độ O). C là tọa độ điểm O trong hệ tọa độ cố định. Tập các vector đơn vị trực giao {u(x), u(y), u(z)} định nghĩa nên các trục tọa độ của O. Tập này được định hướng trong hệ tọa độ cố định, với tập vector đơn vị {e(x), e(y), e(z)}, là X,Y,Z. Chúng ta có thể diễn tả {u(x), u(y), u(z)} như một sự tổ hợp của {e(x), e(y), e(z)}. u(x) = Rxx e(x) + Ryx e(y) + Rzx e(z) u(y) = Rxy e(x) + Ryy e(y) + Rzy e(z) u(z) = Rxz e(x) + Ryz e(y) + Rzz e(z) Ta thu được các hệ số - 35 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ux(x) = Rxx , uy(x) = Ryx , uz(x) = Rzx ux(y) = Rxy , uy(y) = Ryy , uz(y) = Rzy ux(z) = Rxz , uy(z) = Ryz , uz(z) = Rzz Sự phụ thuộc vào thời gian của các hệ số trong R thay cho sự định hướng của u so với e. Các phần tử của vector v được đo trong hệ tọa độ World được thay bởi vector cột, vWorld. Trong hệ tọa độ O, chúng được thay bởi vector cột vO. Mối quan hệ giữa hai tọa độ là World WO O*vv R . Với R có các cột là thành phần của u trong hệ tọa độ World. yx Ryy Ryz ; Rzx Rzy Rzz Rxx Rxy Rxz R R Do sự trực giao và chiều dài đơn vị của u đảm bảo rằng R là một ma trận quay trực giao thỏa mãn RR T =R T R=I, vậy ta có R -1 =R T . o Quan sát chuyển động của thân từ một hệ tọa độ khác: Hình 2.1 Hệ tọa độ toàn thể và hệ tọa độ tương đối Cho hai hệ tọa độ quan sát: World và O như trên, và 1 điểm p chuyển động bất kì. Tọa độ của p trong hệ tọa độ World là vector cột pWorld và trong hệ tọa độ O là pO, mối quan hệ giữa hai hệ tọa độ là: World World O=C (t) +R*pp o Mối quan hệ giữa vận tốc giữa hai hệ quan sát: - 36 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Vi phân bậc nhất theo thời gian công thức trên, chúng ta được mối quan hệ vận tốc World World O O dp dC dp dR R p dt dt dt dt o Thay thế chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay của thân: Xét chuyển động của điểm p, cố định trên thân, O là hệ tọa độ gắn với thân và có gốc O đặt tại điểm trọng tâm. Do chúng cố định trên thân do đó, ta có: / 0Odp dt , do đó công thức tính vận tốc ở trên được viết lại: World World O dp dC dR p dt dt dt Bởi rằng RRT=I, 0 T TdR dRR R dt dt do đó chúng ta thêm RRT bên trái của pBody và định nghĩa ma trận phản đối xứng T TdR dRR R dt dt ; 0 0 0 z y z x y x ; Và ω là vận tốc góc của thân trong hệ tọa độ World. World* * ( * ) World World World Body Body dp dC dC R p R p dt dt dt ; Mối quan hệ giữa vi phân của vector V được đo trong World và đo trân thân nói chung: World World V Body dV dV dt dt ; 2.1.2.3 SimMechanics thay thế sự định hƣớng của thân Trong SimMechanics, chúng ta thay sự định hướng của thân bằng cách chỉ ra hướng của các trục tọa độ đặt tại tâm so với các trục đã chọn trước.Sự quay nói chung trong không gian 3 chiều, có 3 bậc tự do. Có nhiều phương pháp để diễn tả chúng, SimMechanics sử dụng phương pháp: đo chuyển động của thân bằng sensor và khối RotationMatrix2VR. Dạng Trục và góc thay thế: - 37 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Dạng trục và góc của phép quay là dạng trình bày cơ bản nhất: Chỉ ra trục n, sau đó quay theo quy tắc bàn tay phải quanh trục đó 1 góc θ. Vector n=(nx,ny,nz) là 3 thành phần hợp thành vector đơn vị với n*n=1. Dạng trục quay thường được viết như là vector 4 phần tử: [nx,ny,nz,θ]. Trong 4 phần tử đó,3 thành phầnđộc lập, vì 2 2 2* 1x y zn n n n n . Dạng bộ 4: Quaternion thay thế phép quay cầu như là 4 phần tử của vector cột có độ dài đơn vị: *sin / 2 *sin / 2 *sin / 2 os /2x y z v sq n n n c q q Với 2* * 1v v sq q q q q . Định nghĩa này thay thế cho định nghĩa ở trên, quay quanh trục chỉ ra bởi 3 thành phần đầu của vector cột một góc θ. Dạng ma trận quay: Từ dạng trục - góc quay, chúng ta có thể định nghĩa ma trận quay R theo dạng số mũ như sau: exp n*JR với Jk là ma trận số thực, phản đối xứng và thỏa mãn: 1 2 3* .x y zn J n J n J n J Với J có dạng phản đối xứng với sự đổi chỗ kí tự εijk: i ijkik J . Dạng số mũ của R được giản thiểu tới dạng đóng bằng sự nhận dạng: 2 exp * * sin * 1 osR n J I n J n J c với I là ma trận đơn vị và n*J được định nghĩa bởi: 0 * 0 ; 0 z y z x y x n n n J n n n n Dạng Euler. Một cách khác để biểu diễn ma trận quay R, quay quanh 3 trục độc lập, bằng 3 góc Euler độc lập. Ma trận quay của hệ tọa độ thân được tạo nên bởi phép nhân ma trận theo thứ tự từ phải qua. R=R1*R2*R3 và ma trận quay bắt đầu trong World được tạo nên nhờ phép nhân ma trận theo trật tự từ trái qua: R=R3*R2*R1. Sự quy ước ngầm của 3 góc quay Euler: - 38 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên +) Là quay quanh 1 trục là trục tọa độ thân, +) Quay lần 2 quanh trucjtoaj độ thân (quay từ chính điểm gốc của nó). +) Sau cùng quay quanh trục tọa độ đầu tiên một lần nữa (trục có tên mà vừa quay của lần 1 với hệ tọa độ mới sau khi quay lần 2). Trục quay thường sử dụng là Z-X-Z (hoặc Z-Y-Z) với góc quay là θ1, θ2, θ3. Ma trận quay là: 1 2 3* *Z X ZR R R R với các ma trận quay R quanh một trục nào đó được định nghĩa: 1 0 0 0 os sin 0 sin os os sin 0 os 0 sin sin os 0 0 1 0 0 0 1 sin 0 os X Z Y R c c c c R c R c 2.1.3 THƢ VIỆN CÁC KHỐI CHUẨN CỦA SIMMECHANICS Môi trường lập trình SimMechanis được cấu trúc từ các khối chuẩn tổ chức theo dạng phân cấp. Mỗi cấp bao gồm các khối có chức năng liên quan gần nhau. Cụ thể thư viện chính trong SimMechanics bao gồm: các khối thân (Bodies), cho phép mô hình hoá một thân bất kỳ thông qua đặc tính về khối lượng và mômen quán tính của nó quanh các trục và các hệ toạ độ gắn với nó; thư viện các khối Sensor và Actuator cho phép đo và cấp tín hiệu tới hệ thống; các khối Constraint và Driver cho phép truyền động và hạn chế giữa các khâu; cung cấp các loại khớp Joints và một số ứng dụng khác. - 39 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.1.3.1 Thƣ viện các khối Bodies Thư viện này cung cấp các khâu cơ khí (Body). Tham số khai báo cho khâu cơ khí bao gồm khối lượng / Mômen quán tính, vị trí, hướng và các hệ trục toạ độ gắn trên nó. Ngoài ra, có khối điểm gốc (Ground) biểu diễn một điểm cố định và khối môi trường máy (Machine environment) biểu diễn vị trí của hệ thống trong không gian 3 chiều. Body: Thay thế cho các thân trong một cơ cấu cơ khí, chúng không có bậc tự do riêng, được định dạng bởi các thông số về khối lượng, momen quán tính theo các trục so với tâm (ma trận 3 3), và các hệ tọa độ gắn với chúng. Hình 2.2 Thư viện các khối chuẩn của SimMechanics - 40 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Machine Enviroment: Trong mỗi một mô hình, một khối Ground được nối với khối này để áp đặt hoạt động của hệ thống vào trong môi trường cơ khí. Ground: Trong SimMechanics, Ground thay cho thân có khối lượng và kích thước rất lớn, hoạt động trên vừa như hệ tọa độ tổng thể ở vị trí nghỉ của máy, vừa như giá cố định cho phép gắn các phần của máy. Chúng cho phép bạn chỉ ra bậc tự do của hệ thống với vùng phụ cận xung quanh. Chúng được định dạng với Ground point và trong mỗi mô hình, có ít nhất một khối ground,và có một và chỉ một Ground được nối với khối Machine Enviroment. 2.1.3.2 Thƣ viện các khối hạn chế và truyền động Thư viện này cung cấp các khối biểu diễn các ràng buộc về chuyển động độc lập (số bậc tự do) giữa các khâu cơ khí. Các ràng buộc này có thể hoặc không phụ thuộc thời gian. Hình 2.3 Thư viện các khối Bodies Hình 2.4 Thư viện các khối hạn chế và truyền động - 41 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.1.3.3 Thƣ viện các phần tử lực Thư viện này cung cấp các khối tạo lực và mômen giữa các khâu cơ khí. Phần tử lực mô hình hoá nội lực giữa hai thân hay hoạt động của khớp nối giữa hai thân. Nội lực chỉ phụ thuộc vào vị trí và vận tốc của chính các thân, không phụ thuộc và tín hiệu bên ngoài. 2.1.3.4 Thƣ viện các khớp Thư viện này cung cấp các khối khớp nối tạo chuyển động tương đối của các kết cấu cơ khí. Khớp thay thế cho bậc tự do của thân này đối với thân kia, Nó không giống với khớp vật lý, đa số chúng không có khối lượng. SimMechanics cung cấp một lượng phong phú thư viện các khớp nhưng được gói trong 3 loại chính: Joints: Các khớp thông thường, là hoặc được cấu thành từ hai loại khớp cơ bản là khớp tịnh tiến (Prismatic) và khớp quay (Revolute / Spherical) . Disassembled Joints (khớp rời) Massless Connector (khớp không trọng lượng) Mỗi khớp trong SimMechanics được định dạng về trục hoạt động (axis of action) của chuyển động cơ bản (Primitive) trong hệ tọa độ toàn thể (World) hay trên thân nguồn (Base) hay thân chuyển động theo (Follow). Hình 2.5 Thư viện các phần tử lực - 42 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.1.3.5 Thƣ viện cơ cấu chấp hành và thiết bị đo Thư viện này cung cấp các cơ cấu chấp hành, cảm biến dùng để khởi tạo và đo chuyển động giữa các khớp nối và khâu cơ khí. Thư viện Actuator và sensor của SimMechanics cho phép chúng ta đo: + Chuyển động của thân. + Chuyển động khớp và các lực, momen trên khớp. + Phản lực và momen. Hình 2.6 Thư viện các khớp Hình 2.7 Thư viện cơ cấu chấp hành và thiết bị đo - 43 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chúng ta sử dụng khối Actuator để thực hiện các tác vụ sau: Cung cấp lực/momen biến đổi theo thời gian tác động vào thân hoặc khớp. Chỉ ra vị trí, vận tốc hay gia tốc của joint/driver như là một hàm của thời gian. Chỉ ra vị trí ban đầu, vận tốc của khớp trên trục cơ bản. Chỉ ra khối lượng hay mmomen quán tính như một hàm của thời gian. 2.1.3.6 Các ứng dụng khác Thư viện này cung cấp các khối phụ trợ thường sử dụng trong việc xây dựng mô hình. Hình 2.8 Các ứng dụng khác - 44 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.2 MÔ HÌNH HOÁ ROBOT SONG SONG LOẠI HEXAPOD 2.2.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH KHỐI SIMMECHANICS Từ sơ đồ nguyên lý đề tài lựa chọn: Đầu tiên mô hình của Robot được xây dựng sử dụng bộ công cụ Simmechanics. Các thành phần cơ khí của cơ cấu bao gồm: mặt bàn gá phôi (mobile platform ), mặt nền cố định (Ground) và 6 chân nối giữa mặt bàn gá phôi với mặt nền cố định (Ground). Mỗi chân chứa đựng hai khối thân (Body) được nối với nhau bởi khớp trượt P hình trụ. Thân trên được nối với mặt nền di động (mặt bàn gá phôi) nhờ khớp cầu S và thân dưới được nối với mặt nền cố định nhờ khớp cầu thứ hai. Ngoài ra còn có khối môi trường máy (Machine Environment) giúp tạo môi trường hoạt động cho cơ cấu, phục vụ việc mô phỏng sau này. Các khối Ground, Machine Environment và Body dễ dàng lấy ra từ thư viện của Simmechanics. Hình 2.9 Nguyên lý Hexxapod - 45 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Mô hình tổng thể của Hexapod trong Simmechanics: Bây giờ ta đi xây dựng mô hình cụ thể của từng hệ thống con (chân): Hình 2.10 Mô hình Hexapod trong Simmechanics - 46 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.2.2 XÂY DỰNG CẤU TRÚC TỪNG CHÂN 2.2.2.1. Cấu trúc chân thứ nhất: Xuất phát từ sơ đồ nguyên lý mà đề tài lựa chọn (hình 2.8). Xét cấu trúc của chân thứ nhất có dạng: Từ đây ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc SimMechanics của chân thứ nhất, với 2 khối Body đại diện cho Upper leg và Lower leg, 2 khối khớp cầu Upper Spherical và Lower Spherical đại diện cho 2 khớp xoay dạng bi upper joint và lower joint , 1 khớp trượt Prismatic nối kết giữa Upper leg và Lower leg để thay đổi độ dài của chân, lấy từ thư viện của SimMechanics. Kết nối chúng với nhau theo đúng trật tự hình học, cùng với Base là cổng vào từ khối đất (Ground), B1 là cổng ra nối tới mặt nền di động. lower platform upper platform lower leg upper leg lower joint upper joint Prismatic joint Base B1 Hình 2.11 Cấu trúc chân Leg1 - 47 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.2.2.2. Cấu trúc các chân còn l ại Tương tự chân thứ nhất, cấu trúc chân thứ hai, thứ ba, thứ tư, thứ năm, thứ sáu có B2, B3, B4, B5, B6 là cổng ra nối tới mặt nền di động. Hình 2.12 Sơ đồ cấu trúc chân thứ nhất (Leg1) - 48 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc chân thứ hai (Leg2) Hình 2.14 Sơ đồ cấu trúc chân thứ ba (Leg3) Hình 2.15 Sơ đồ cấu trúc chân thứ tư (Leg4) - 49 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc chân thứ năm (Leg5) Hình 2.17 Sơ đồ cấu trúc chân thứ sáu (Leg6) - 50 – Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2.2.3 ĐỊNH DẠNG CÁC KHỐI Để mô hình hoá Hexapo