THIÕT KÕ Vµ CHÕ T¹O M¤ H×NH HEXAPOD
PGS.TS. §Æng V¨n Ngh×n,
KS. NguyÔn Minh TuÊn, KS.Tõ DiÖp C«ng Thµnh
Bé m«n C¬ §iÖn Tö, Khoa c¬ KhÝ, Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa Tp HCM
Email:mechatronics@dme.hcmut.edu.vn
Tãm t¾T
Bµi b¸o nµy tr×nh bµy xu thÕ còng nh− t×nh h×nh nghiªn cøu cña c¸c bé m«n C¬ §iÖn Tö,
phßng thÝ nghiÖm c¬ ®iÖn tö vÒ Hexapod trªn thÕ giíi. C¸c t¸c gi¶ nªu mét sè kÕt qu¶
nghiªn cøu thiÕt kÕ, chÕ t¹o vµ ®iÒu khiÓn 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. GIíI THIÖU CHUNG
HiÖn nay Hexapod lµ mét lÜnh vùc ®ang ®−îc nhiÒu nhµ khoa häc trong vµ ngoµi n−íc quan
t©m nghiªn cøu v× nh÷ng hiÖu qu¶ to lín mµ nã ®em l¹i. Tuy nhiªn ®©y lµ mét thuËt ng÷ cã
nhiÒu nghÜa kü thuËt kh¸c nhau. Hexapod lµ tõ ghÐp “ HEX ” a “ POD ”, theo tiÕng hy l¹p
cã nghÜa lµ 6 ch©n. Ban ®Çu ng−êi ta hiÓu ®ã lµ nh÷ng con vËt 6 ch©n. C¸c nhµ khoa häc l¹i
mong muèn thiÕt kÕ vµ chÕ t¹o nh÷ng robot ®i b»ng 6 ch©n vµ nh− thÕ nh÷ng tªn gäi míi
®−îc ra ®êi nh− Hexapod Walking Robot, hoÆc Hexapod Walker.
Trong qu¸ tr×nh nghiªn cøu vµ ph¸t triÓn lo¹i robot cã ch©n, c¸c nhµ khoa häc ®· t¹o ra
nh÷ng robot cã 8 ,6 , 4 , 2 vµ thËm chÝ 1 ch©n. Theo h−íng nghiªn cøu nµy c¸c nhµ nghiªn
cøu l¹i mong muèn nã di chuyÓn nhanh h¬n b»ng c¸ch ch¹y v× thÕ nh÷ng s¶n phÈm míi ra
®êi víi tªn gäi Hexapod Running Robot. C¸c robot cã ch©n ®· vµ ®ang lµ mèi quan t©m
hµng ®Çu cña c¸c nhµ khoa häc dïng ®Ó th¸m hiÓm, th¨m dß trªn nh÷ng ®i¹ h×nh phøc t¹p,
m«i tr−êng kh¾c nghiÖt vµ ®éc h¹i trªn tr¸i ®Êt, d−íi ®¹i d−¬ng hoÆc ë trªn nh÷ng hµnh tinh
xa x«i.
Cuèi nh÷ng n¨m 80 c¸c nhµ khoa häc míi thùc hiÖn ®−îc nh÷ng mong muèn cña m×nh lµ
thay thÕ søc lao ®éng cña con ng−êi trong viÖc vËn chuyÓn, bèc xÕp, l¾p r¸p s¶n phÈm vµ
hä ®· t¹o ra mét lo¹i robot míi lµ robot song song (parallel robot).
Con ng−êi kh«ng dõng l¹i ë ®©y vµ tiÕp tôc ph¸t triÓn thµnh c¸c m¸y 6 ch©n, trung t©m gia
c«ng dïng ®Ó c¾t gät c¸c lo¹i vËt liÖu kh¸c nhau, víi nh÷ng tªn gäi Hexapod Machine,
Hexapod grinding robot, Hexapod Machine Center, Hexapod Parallel Kinematic Machine,
hoÆc dïng ®Ó ®o to¹ ®é c¸c bÒ mÆt phøc t¹p nh− Hexapod Coordinate Measuring Machine.
Ngoµi ra c¸c m¸y 6 ch©n nµy cã thÓ dïng ®Ó ®iÒu khiÓn c¸c thiÕt bÞ, dông cô phÉu thuËt
trong y khoa, thiªn v¨n häc, giao th«ng vµ kinh vÜ trong x©y dùng.....
Sau ®©y lµ mét sè h×nh ¶nh øng dông cña Hexapod:
1. M¸y gia c«ng
2. Y häc
3. HÖ thèng m« pháng
4. §iÒu khiÓn thiÕt bÞ thiªn v¨n
5. Tr¾c ®Þa
V× ph¹m vi øng dông cña Hexapod réng lín nh− vËy cho nªn nã ®· thu hót sù quan t©m cña
c¸c nhµ khoa häc thuéc nhiÒu lÜnh vùc kh¸c nhau nh−: c¬ khÝ, ®iÖn tö, tin häc, ®éng vËt
häc, thiªn v¨n häc vµ ®−¬ng nhiªn lµ c¬ ®iÖn tö.
C¸c tr−êng ®¹i häc nghiªn cøu vÒ Hexapod cã thÓ ®−îc kÓ ®Õn lµ: §¹i häc Florida,
Columbia, Texas, Northwestern, Maryland, Washington (Mü); §¹i häc Queens, Laval
(Canada); §¹i häc Nottingham (Anh); §¹i häc Chemnitz, Aachen, Hamburg, Stuttgart,
Hanover (§øc); §¹i häc Tokyo, Osaka (NhËt); §¹i häc Seoul, K-jist (Hµn Quèc); §¹i häc
C«ng nghÖ Nanyang (Singapore); §¹i häc Kü thuËt (Israel); §¹i häc Lausans (Thôy SÜ);
§¹i häc Leuven (BØ); §¹i häc B¸ch Khoa Milan (Italia).
Nh÷ng tËp ®oµn c«ng nghiÖp øng dông Hexapod nh−: Toyoda (HexaM Machine), Fanuc
(F-100 Robot), Hexel (Tornado 2000), Geodetic (G500 Machine)...
Vµ ®Æc biÖt, nh÷ng tæ chøc vµ viÖn nghiªn cøu sau ®©y cã nh÷ng chiÕn l−îc ®Çu t− rÊt lín
®Ó nghiªn cøu lý thuyÕt còng nh− øng dông triÓn khai Hexapod nh− NASA, LME, NIST.
§Ó hiÓu râ h¬n møc ®é ®Çu t− còng nh− qui m« nghiªn cøu chóng t«i xin minh häa mét sè
dù ¸n sau ®©y:
Dù ¸n NIST (National Institute of Standards and Technology) víi c¸c môc tiªu lµ kiÓm tra
®¸nh gi¸ vµ n©ng cao ®é chÝnh x¸c còng nh− më réng kh¶ n¨ng cña m¸y phay CNC 5 trôc
kiÓu Hexapod ®−îc triÓn khai tõ n¨m 1998 ®Õn n¨m 2002.
Dù ¸n Cubic Hexapod hîp t¸c gi÷a §¹i häc Washington vµ TËp ®oµn c«ng nghÖ Hood kÐo
dµi 6 n¨m tõ 1998 ®Õn 2004. Dù ¸n nµy ®−îc ph¸t triÓn tõ Stewart tÊm dÞch chuyÓn(
platform) ®Ó lo¹i trõ nhiÔu trong c¸c hÖ thèng chÝnh x¸c (®iÒu khiÓn vÞ trÝ víi ®é chÝnh x¸c
1 nanomet).
Dù ¸n Hexaglide ®−îc triÓn khai ¬ ViÖn Robot Thôy Sü b¾t ®Çu tõ n¨m 1996. M¸y lµ hÖ
cÊu tróc song song 6 bËc tù do, sö dông m¸y phay tèc ®é cao víi kh«ng gian lµm viÖc
700 × 600 × 500 mm, sö dông hÖ ®iÒu khiÓn VME-Bus vµ hÖ thèng thêi gian thùc. ¦u
®iÓm lµ cã thÓ thùc hiÖn c¸c chuyÓn ®éng nhanh, ®é cøng v÷ng vµ ®é chÝnh x¸c cao.
ROBOTOOL lµ mét dù ¸n ®−îc Céng ®ång Ch©u ¢u tµi trî. Dù ¸n nµy lµ hîp t¸c gi÷a 10
tr−êng ®¹i häc, viÖn nghiªn cøu vµ c¸c c«ng ty bao gåm c¸c thµnh viªn sau ®©y: §¹i häc
Hanover (§øc), Leuven (BØ), Montpelier (Ph¸p), c¸c viÖn nghiªn cøu Irf (Thôy ®iÓn)
Ikerlan Itia (Italia), c¸c c«ng ty BELCAM.PLC, TTS, Linvot. Theo danh môc Hexapod cña
dù ¸n nµy cho thÊy cã tíi 48 m¸y vµ trung t©m gia c«ng, 19 robot, 31 c¬ cÊu ®Þnh vÞ trÝ vµ
®Þnh h−íng vµ 2 m¸y ®o täa ®é.
Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, Bé m«n C¬ §iÖn Tö, Khoa C¬ KhÝ, §¹i häc B¸ch Khoa
TPHCM ®· quan t©m nghiªn cøu vÒ HEXAPOD vµ trong bµi b¸o nµy chóng t«i xin giíi
thiÖu m« h×nh HEXAPOD 2001 lµ lo¹i m¸y 6 ch©n hay cßn gäi lµ m¸y ®éng häc song
song.
II. CHäN PH−¬NG ¸N THIÕT KÕ
Hexapod lµ mét lÜnh vùc ph¸t triÓn rÊt nhanh theo nh÷ng h−íng kh¸c nhau nh−: robot song
song, m¸y ®éng häc song song, ... nh−ng ®Òu dùa theo nguyªn lý do Stewart ®−a ra vµo
n¨m 1965 vµ chóng ta th−êng gäi lµ Nguyªn lý Stewart.
S¬ ®å nguyªn lý Stewart ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 1.
C¬ cÊu nµy gåm 6 ch©n cã ®é dµi thay
®æi ®−îc, c¸c ch©n nµy liªn kÕt víi gi¸ vµ
tÊm dÞch chuyÓn ( platform) b»ng c¸c
khíp cÇu. B»ng c¸ch thay ®æi chiÒu dµi
c¸c ch©n, ta cã thÓ thay ®æi vÞ trÝ vµ
h−íng cña tÊm dÞch chuyÓn trong kh«ng
gian .
¦u ®iÓm cña c¬ cÊu nµy lµ cã thÓ ®Þnh vÞ
bÊt kú vÞ trÝ, h−íng nµo trong kh«ng gian,
kÕt cÊu ®¬n gi¶n, ®é cøng v÷ng cao, ®é
chÝnh x¸c, æn ®Þnh cao, cã thÓ t¹o ra c¸c
quü ®¹o phøc t¹p, vµ cã thÓ gia c«ng
trong mét lÇn g¸ trªn m¸y HEXAPOD.
V× kh¶ n¨ng v−ît tréi cña c¬ cÊu 6 bËc tù
do mµ cã thÓ nãi ®©y lµ mét h−íng
nghiªn cøu cã gi¸ trÞ vµ cã nhiÒu kh¶
n¨ng øng dông réng r·i.
Theo nguyªn lý nµy cã hai ph−¬ng ¸n c¬
b¶n ®Ó thiÕt kÕ m¸y: ph−¬ng ¸n thuËn vµ ph−¬ng ¸n nghÞch.
TÊm dÞch chuyÓn
Gi¸
Ch©n
H×nh 1: S¬ ®å nguyªn lý
Ch©n
Gi¸
p
latform Dông cô gia c«ng
H×nh 3: S¬ ®å nguyªn lý nghÞch
H×nh 2: S¬ ®å nguyªn lý thuËn.
p
latform
Ch©n
Gi¸
