Sử dụng công cụ mô phỏng trong Matlab để phân tích cơ hệ nhiều vật

Thông tin khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CNTT, 04 - 2019 187
SỬ DỤNG CÔNG CỤ MÔ PHỎNG TRONG MATLAB 
ĐỂ PHÂN TÍCH CƠ HỆ NHIỀU VẬT 
Đoàn Văn Hòa1*, Vũ Thế Trung Giáp2, Dương Hồng Trường1 
Tóm tắt: Mô hình cơ hệ nhiều vật là mô hình dùng để mô tả vị trí và chuyển động 
cơ bản của cơ hệ, thiết lập được mối liên hệ giữa khâu phát động và khâu công tác. 
Với mô hình cơ hệ nhiều vật có thể tính toán động học, động lực học cơ hệ từ đó áp 
dụng các lý thuyết điều khiển để xây dựng được bộ điều khiển cho toàn bộ cơ hệ. 
Như vậy có thể thấy mô hình cơ hệ nhiều vật là công cụ trực quan phục vụ cho học 
tập, nghiên cứu đặc biệt là trong đào tạo chuyên ngành cơ điện tử, với chi phí thấp 
và đơn giản, dễ hiểu, dễ tiếp cận với học viên, sinh viên. Nhằm mục đích giúp cho 
mô hình trở thành một công cụ tốt cho việc học tập của sinh viên, bài báo nghiên 
cứu ứng dụng của công cụ SimMechanics trong MATLAB để mô phỏng cơ hệ nhiều 
vật rắn kết nối với nhau bởi các khớp và tuân theo động lực học Niu-tơn. Việc mô 
phỏng sẽ giúp sinh viên có thể kiểm chứng được việc tính toán lý thuyết và dễ dàng 
tiếp cận với bài học do có sự kết nối giữa môi trường mô phỏng và mô hình thực tế. 
Từ khóa: Cơ hệ nhiều vật; Mô phỏng; SimMechanics; Mô phỏng trong matlab; Mô hình hóa. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Mô hình cơ hệ nhiều vật có vai trò quan trọng trong việc thiết kế chế tạo các cơ 
cấu máy, robot phục vụ trong sản xuất công nghiệp và cuộc sống hàng ngày. Dựa 
vào các mô hình cơ hệ cơ bản có thể chế tạo ra các cơ cấu mô hình phức tạp hơn, 
phù hợp với nhiệm vụ thực tế. 
a) b) 
Hình 1. Mô hình cơ hệ nhiều vật. 
Mô hình cơ hệ nhiều vật là công cụ trực quan phục vụ cho học tập, nghiên cứu 
đặc biệt là trong đào tạo chuyên ngành cơ điện tử. Có thể dựa vào mô hình để mô 
tả vị trí và chuyển động cơ bản của cơ hệ, thiết lập được mối liên hệ giữa khâu phát 
động và khâu công tác từ đó xây dựng được bộ điều khiển cho toàn bộ cơ hệ. Với 
việc ngày càng có nhiều loại robot, cơ cấu máy mới được phát triển thì đòi hỏi cần 
có những mô hình phục vụ cho quá trình đào tạo vận hành cũng như tiếp tục 
nghiên cứu phát triển nhằm tiết kiệm chi phí mà vẫn đảm bảo tốt được công tác 
đào tạo. 
Những mô hình cơ hệ nhiều vật đơn giản đã xuất hiện trên thế giới từ rất sớm. 
Hiện nay, tại Đại học Cornell (Ithaca, Hoa Kỳ) có 220 mô hình cơ hệ nhiều vật 
Công nghệ thông tin 
Đ. V. Hòa, V. T. T. Giáp, D. H. Trường, “Sử dụng công cụ mô phỏng  cơ hệ nhiều vật.” 188 
trong bộ sưu tập Reuleaux (Hình 1.a). Những mô hình này được xây dựng vào cuối 
thế kỷ 19 để chứng minh các yếu tố của chuyển động như giả thuyết của kỹ sư 
người Đức Franz-Reuleaux và chúng được đưa vào sử dụng trong giảng dạy và 
nghiên cứu vào năm 1882. 
Ở Việt Nam mô hình cơ nhiều vật đã được nhiều cơ quan nghiên cứu ứng dụng 
và được giảng dạy tại các trường đại học, cao đẳng. Ví dụ về mô hình tay quay con 
trượt được đưa ra trên hình 1.b. Sự phát triển của các nghành cơ khí, giao thông 
vận tải, cơ điện tử, cơ sinh, tự động hóa, ... đòi hỏi chúng ta phải sử dụng công cụ 
tin học trong quá trình phân tích và tổng hợp động lực học các hệ kỹ thuật. Một 
trong những công cụ hiệu quả dùng để mô phỏng hoạt động của các mô hình cơ hệ 
nhiều vật là Matlab. Việc sử dụng công cụ Matlab đặc biệt hữu ích để mô phỏng 
giúp quá trình tính toán, dạy học. Trong bài báo nghiên cứu ứng dụng của công cụ 
SimMechanics trong MATLAB để mô phỏng cơ hệ vật rắn kết nối với nhau bởi 
các khớp phục vụ cho mục đích giảng dạy, nghiên cứu. 
2. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH CƠ HỆ NHIỀU VẬT 
2.1. Mô hình cơ hệ nhiều vật tay quay con trượt phức hợp chủ động kép 
 Mô hình cơ hệ nhiều vật tay quay con trượt phức hợp chủ động kép mà bài báo 
nghiên cứu có dạng như hình 2. 
Hình 2. Cơ hệ nhiều vật tay quay con trượt phức hợp chủ động kép. 
Các thông số cụ thể của mô hình như sau: Khoảng cách từ A đến C là: lAC = 
0,10 m; Khoảng cách từ C đến D là: lCD = 0,15 m; Khâu 1 là khâu dạng thanh có 
độ dài bằng: lAB = 0,15 m; Khâu 3 là khâu dạng thanh có độ dài bằng: lDF = 0,40 
m; Khâu 5 là khâu dạng thanh có độ dài bằng: lAG = 0,30 m; Ba khâu dạng thanh đã 
nêu ra ở trên đều có chiều cao h = 0,01 m, độ dày d = 0,001 m; Khâu 2 và 4 là 
khâu tịnh tiến có kích thước: chiều cao hslider = 0,02 m, chiều dài wslider = 0,05 m và 
độ dày d = 0,001 m. Vật liệu làm các khâu là thép có khối lượng riêng ρsteel = 8000 
kg/m3. Gia tốc trọng trường g = 9,807 m/s2. Mômen ngoại lực tác dụng lên khâu 5 
có chiều ngược với chiều vận tốc góc khâu 5 và có độ lớn là: M5ext = 100 N 
Thông tin khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CNTT, 04 - 2019 189
Hình 3. Mô hình cơ hệ nhiều vật tay quay con trượt phức hợp thực tế. 
Đối với mỗi khâu động ta xây dựng giản đồ lực và thành lập các phương trình 
cân bằng động theo dạng phương trình Niu-tơn–Ơ-le để tìm ra tất cả các lực và mô 
men tác dụng lên từng khâu, khớp và mô-men cân bằng M trên thanh tay quay. 
Phương