NHỮNG KẾT QUẢ CỨU BAN ĐẦU V Ề HEXAPOD

Chia sẻ: Do Xuan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

238
lượt xem 93
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hiện nay trên thế giới HEXAPOD được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sau: • Dùng trong các hệ thống mô phỏng (máy bay, xe hơi, nhà hát, …) • Điều khiển các thiết bị y khoa • Điều khiển các máy kinh vĩ trong xây dựng • Định vị các nguồn năng lượng (tia X, laser, điện tử, quang, sóng, …) • Định vị camera, kính thiên văn, vệ tinh • Dùng trong máy công cụ để gia công các bề mặt phức tạp… ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: NHỮNG KẾT QUẢ CỨU BAN ĐẦU V Ề HEXAPOD

NHỮNG KẾT QUẢ CỨU BAN ĐẦU V Ề HEXAPOD KS. Nguyễn Minh Tuấn PGS.TS Đặng Văn Nghìn nmtuan@dme.hcmut.edu.vn , dvnghin@dme.hcmut.edu.vn Bộ môn Cơ Điện Tử - Khoa Cơ Khí, Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh platform TÓM TẮT Bài báo trình bày những kết quả nghiên cứu ban đầu của chúng tô về HEXAPOD. ABSTRACT chân This paper introduces some pre-research results of us about HEXAPOD. 1GIỚI THIỆU 1.1. GIỚI THIỆU VỀ HEXAPOD Hiện nay trên thế giới HEXAPOD được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sau: • Dùng trong các hệ thống mô phỏng (máy bay, xe hơi, nhà hát, …) • Điều khiển các thiết bị y khoa • Điều khiển các máy kinh vĩ trong xây Tấm cố định dựng • Định vị các nguồn năng lượng (tia X, laser, điện tử, quang, sóng, …) Hình 1: Sơ đồ nguyên lý cơ cấu Stewart • Định vị camera, kính thiên văn, vệ tinh Kết cấu của nó giống như một bàn máy 6 chân. • Dùng trong máy công cụ để gia công các bề mặt phức tạp… 1.2 MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Sở dĩ như vậy vì nó có những ưu điểm sau đây: Mục đích nghiên cứu là thiết kế và chế tạo HEXAPOD • Có thể định vị ở bất kỳ vị trí, hướng nào theo nguyên lý Stewart. trong không gian Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm: ! Phân tích lựa chọn phương án thiết kế • Kết cấu đơn giản, độ cứng vững cao ! Giải các bài toán vị trí • Các quỹ đạo phức tạp và khó khăn của o Bài toán động học ngược phôi có thể được gia công trong một lần o Bài toán động học thuận gá ! Phân tích ma trận jacobian • Độ chính xác, ổn định cao ! Phân tích lực tĩnh và độ cứng vững • Có thể tạo lực rất lớn và cứng vững nhờ ! Phân tích động học, động lực học hệ thống chân thủy lực nhưng vận tốc o Phân tích vận tốc thấp o Phân tích gia tốc Vì khả năng vượt trội của cơ cấu 6 bậc tự do mà ! Đưa ra một số phương án kết cấu cho chân máy có thể nói đây là một hướng nghiên cứu có giá trị và hình thành giải pháp cho vấn đề điều khiển và có nhiều khả năng ứng dụng rộng rãi. song song các cơ cấu chấp hành. HEXAPOD được cấu tạo dựa trên nguyên tắc của 1.4 PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ cơ cấu Stewart. Hiện nay trên thế giới ứng dụng nguyên lý stewart có hai Cơ cấu được Stewart phát minh vào năm 1965 và phương án sau: được mô tả trong hình 1. Nó gồm 6 chân có độ dài Phương án 1: Ứng dụng nguyên lý Stewart vào các máy thay đổi được, các chân này liên kết với giá và gia công dưới dạng cơ cấu Stewart mang đầu dụng cụ di platform bằng các khớp cầu. Bằng cách thay đổi chuyển trong không gian. chiều dài các chân, ta có thể thay đổi vị trí và hướng của platform trong không gian .
n n ct b ct b p p p p a a Hình 2: Cơ cấu Stewart mang đầu dụng cụ di chuyển trong không gian. Hình 4: Mô hình phân tích tính toán chiều dài Phương án 2: Ứng dụng nguyên lý Stewart vào chân (phương án 2) các máy gia công dưới dạng cơ cấu Stewart mang Phương án 1: bàn máy di chuyển 6 bậc tự do trong không gian, Ai Bi = p 0 + A RB B b i − a i trục dụng cụ cố định. Phương án 2: ( Ai Bi = p 0 − A RB ct + ARB B b i − a i ) Platform Ñaàu gia coâng A với RB : Là ma trận xoay để đưa pháp vector của platform về trùng với trục z. chaân cφcθcψ − sφsψ − sφcθcψ − cφsψ sθcψ  A RB = Rzψ Ryθ Rzφ = cφcθsψ + sφcψ − sφcθsψ + cφcψ sθsψ     − sθcφ  sφsθ cθ  Giaù A a i = aix [ aiy aiz ] T Hình 3: Cơ cấu Stewart mang bàn máy di b i = [biu biw ] B T chuyển tự do trong không gian, trục dụng cụ cố biv định. là các vector vị trí của các điểm Ai và Bi trong hệ tọa độ A và B. Chúng tôi đã chọn cả 2 phương án cùng tính toán và thiết kế song song. Lấy tích vô hướng của vector Ai Bi với chính nó cho ta chiều dài của chân i tại vị trí đang phân tích 2.MỘT SỐ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 2.1 BẬC TỰ DO CƠ CẤU phương án 1: Số bậc tự do của cơ cấu: di2 = Ai Bi ⋅ Ai Bi = λ F=λ(n-j-1) + ∑fi – fp Với λ: là bậc tự do của khâu trong không gian [(p − R ct) + R 0 A B A B B bi − ai ] [(p − R ct) + R T 0 A B A B B bi − ai ] (λ=6), n: là tổng số khâu trong cơ cấu, J: là tổng số khớp trong cơ cấu, fI : là tổng số bậc tự do của phương án 2: các khớp trong cơ cấu, fp : là tổng số bậc tự do thừa của cơ cấu [ d i2 = Ai Bi ⋅ Ai Bi = p 0 + A R B B bi − a i ] [pT 0 + AR B B b i − a i ] " F=6(14-18-1) + (12×3+6×1) – 6 = 6. 3 CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ĐƯỢC 2.2 BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC 3.1 MA TRẬN JACOBIAN LÀ Chiều dài chân tại vị trí phân tích: s 1 T  [b1xS1 ]T -1   J = Jq Jx =  M M  s T  6 [b6 × s 6 ]  T  Ở đây bi và si biểu diễn vector PBi và vector đơn vị theo trục .
3.2 PHÂN TÍCH LỰC TĨNH  i 2 . i v biz i v biy  Phương trình cân bằng lực và moment của tấm di − v&biz +  chuyển tại điểm gia công như sau:  di  1.Hợp lực tác động lên tấm di chuyển  i ω ix  & i  1  i 2 . i v biz ⋅ i vbix  f = ∑ fi si ω i =  ω iy  =  v bix − i & & &  di  di  2.Tổng moment của các lực tác động tại điểm gia  0     0  công   n = ∑ (b i × f i s i )   Cuối cùng ta có phương trình cho ta quan hệ Một khi gia tốc góc của chân thứ i tìm được, gia tốc của chuyển đổi giữa lực tạo ra ở điểm đầu cuối và các khối tâm piston và xylanh tìm được lực tác động. i 2 . i v biz i v bix   v&bix −   f1   di   f   s1 K s6    F= =  M =J ⋅τ T e1 i 2 . i v biz i v bix   n b1x s 1 K b 6 × s 6    i v 1i = &  v biy −   f6  d1  di  Do đó nếu các lực tác động cho trước ta có thể  i v bix + i v biy  2 2 tính trực tiếp lực tạo ra ở điểm đầu cuối, và ngược  −  lại nếu cho trước lực ở điểm đầu cuối ta có thể tìm   di   đáp ứng lực trên các chân bằng biến đổi ngược.  2 e2 i vbiz i vbix  (d i − e 2 ) v &bix + i 3.3 PHÂN TÍCH ĐỘ CỨNG VỮNG   di  Ma trận độ cứng  2 e2 i vbiz i vbiy  [b1 × s1 ]T  (d i − e2 ) vbiy + 1 s1T i v 2i = & i &   s K s6    di di   K =k  1 b1 × s1  s M K b6 × s 6   T M  [b1 × s 6 ]T   i ( e2 i vbix + i vbiy 2 2 )   6   vbiz + &  3.4 ĐỘNG HỌC  di  Vận tốc: vận tốc góc của chân I 3.5 ĐỘNG LỰC HỌC − viy  i Động lực học chân 1 i  Phương trình động lực học cho chân i i ω i =  vbix  [ m1e1 g c sθ i + m 2 (d i − e 2 )g c sθ i − m1e1 i v1ix 1 di  0  i f bix = &   di Một khi tìm được vận tốc góc của chân i, vector − m2 (d i − e2 ) iv2ix − I1iy iωiy − I 2iy iωiy ] & & & vận tốc khối tâm của piston và xylanh i là i v1i i v 2i xác định m 1 e 1 g c s θ i + m 2 (d i − e 2 )g c s θ i − m 1 e 1 i v 1 ix 1 i f biy = &  vbix i di e1  i  v1i = e1 ωi × si =  vbiy , − m2 (di − e2 ) iv2ix − I1iy iωiy − I 2iy iωiy i i i & & & di  0    Ở đây I jix và I jiy là thành phần x và y của moment (d i − e 2 ) i v bix  quán tính chính của xylanh (j=1) và piston (j=2) đối với 1   (d i − e 2 ) vbiy  i v 2i = i khối tâm tương ứng trong hệ tọa độ chân i. di Động lực học tấm di chuyển  i   d v  ∑( ) 6 i f bix cφ i cθ i − i f biy sφ i + if biz cφ i sφ i = m p v px & Gia Tốc i =1 Gia tốc góc của chân i ∑( ) 6 i f bix sφi cθi + ifbiy cφi + if biz sφi sθ i = mp v py & i =1 ∑ (− f ) 6 i bix sθ i + i f biz cθ i = m p v pz + m p g c & i =1
Lực phát động và phản lực nền phương án 2 Khi các phản lực ở các khớp cầu đã tìm được, dễ dàng xác định lực phát động τ i bằng cách lấy tổng các lực tác động lên piston i theo trục zi τ i = i f biz + m2 g c cθ i + m 2 i v 2iz & Các phản lực tại khớp cầu Ai có thể tìm nhờ phương trình Newton cho các chân i fai + i fbi + (m1 + m2 ) iRA A g = m1 i v1i + m2 i v2i & & 4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN Đối với vấn đề điều khiển, giải pháp điều khiển đề nghị ở đây nhằm giải quyết vấn đề điều khiển song song các cơ cấu chấp hành là sử dụng 6 mạch điều khiển dùng vi điều khiển 8951 điều khiển quá trình thực thi các dữ liệu vị trí, động học và động lực học, các dữ liệu này được máy tính tính toán sau đó sẽ truyền cho mạch vi điều khiển để xử lý vấn đề điều khiển. Ưu điểm của phương pháp này là chuyển nhiệm vụ điều khiển từ máy tính xuống cho mạch phần cứng đảm nhiệm nên việc điều khiển dễ dàng và hiệu quả Hình 6: Tấm platform là bàn máy di chuyển hơn. Máy tính lúc này chủ yếu dùng để giải quyết vấn đề nội suy và tính toán các dữ liệu điều khiển. 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 KẾT LUẬN MÔ HÌNH CHẾ TẠO Qua quá trình nghiên cứu lý thuyết cũng như thực hiện phương án 1 một số thử nghiệm, chúng tôi xin được có một số kết luận như sau : Chúng tôi đã xây dựng cơ sở toán học cho các quá trình tính toán cơ bản của Hexapod, đưa giải pháp điều khiển song song, chế tạo mô hình trên cơ sở thử nghiệm, gia công với vật liệu mềm, công suất nhỏ. 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trên cơ sở những nghiên cứu trên, chúng tôi chế tạo mô hình phục vụ cho việc nghiên cứu thực nghiệm với các vấn đề liên quan như : # Giải thuật nội suy và mô phỏng quá trình gia công của máy • Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển đa luồng, sử dụng nhiều chip CPU để điều khiển song song thục sự. • Tiếp tục nâng cao tính linh hoạt của chương trình và khả năng xử lý bản vẽ CAD 3D • Xây dựng các giải thuật cho phép liên kết với các phần mềm CAD khác như Pro-Engineer, 3D Max, Cimatron… # Xây dựng mô hình xác định sai số của máy và khả năng nâng cao độ chính xác # Các vấn đề tối ưu hoá vị trí, động học, động lực học, kết cấu và điều khiển Hình 5: Tấm platform mang dụng cụ gia công Đây sẽ là những hướng nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện nguyên lý này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Diên Tập,Vi Xử Lý Trong Đo Lường Và Điều Khiển,Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 1999. [2] Nguyễn Thiện Phúc, Người Máy Công Nghiệp Và Sản Xuất Tự Động Linh Hoạt, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 1991. [3] X. M. Targ, Giáo Trình Giản Yếu Cơ Học lý Thuyết, Nhà xuất bản đại học và trung học chuyên nghiệp, 1983. [4] Tống Văn On,Truyền Dữ Liệu, Trường đại học Bách Khoa, 1993. [5] Devdas Shetty, Richard A. Kolk, Mechatronics System Design, PWS Publishing Company, 1997. [6] Francis C. Moon, Applied Dynamics With Applications to Multibody and Mechatronics Systems, John Willey& Sons, Inc 1998. [7] K.S. Fu, R.C. Gonzalez, C.S.G. Lee, Robotics Control, Sensing, Vision, And Intelligene, McGraw-Hill, Inc 1987. [8] Lorenzo Sciavicco, Bruno Siciliano, Modeling And Control of Robot Manipulators, McGraw-Hill, Inc 1996. [9] Lung-Wen Tsai,Robot Analysis, Wiley- Interscience Publication 1999. [10] T. D. Burtonm, Introduction to Dynamic Systems Analysis, McGraw-Hill, Inc 1994.