Sử dụng các phần mềm tin học để tính toán và mô phỏng giải quyết vấn đề điều khiển của robot có số bậc tự do dư

Năm 1984 ứng dụng robot tiếp tục phát triển mạnh tập trung vào tichhợp robot trong các dây chuyền sản xuất linh hoạt FMS và hệ thống CIM Năm 1991 đánh dấu bớc phát triuền mới của nền kin

Lời nói đầu

Trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước , vấn đề tự động hóa trong

sản xuất đóng vai trò đặc biệt quan trọng Ngày nay robot đang đợc ứng dụng rất nhiều trongcác ngành công nghiệp , các nhà máy … góp phần tăng hiệu quả sản xuất , đẩy mạnh phát triểnnền kinh tế Chính vì vậy robot đã và đang đợc thúc đấy nghiên cứu để có thể áp dụng rộng rãi

để phục vụ đời sống con ngời

Hiện nay trong rất nhiều ngành công nghiệp đã ứng dụng những kỹ thuật tiên tiếnnhất của robot trong công nghiệp nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ , nângcao chất lượng sản phẩm và khả năng cạnh tranh của sản phẩm dẫn đến nâng cao đợc hiệuquả kinh tế trong đầu t

Ra đời cách đây nửa thế kỉ nhng robot công nghiệp đã có sự phát triển vợt bậc Nhiều nớc trên thế giới đã sớm nghiên cứu và áp dụng mạnh mẽ kĩ thuật robot vào sảnxuất và đã đạt đợc nhiều thành tựu to lớn Đối với nước ta, kỹ thuật robot vẫn còn là vấn

đề khá mới mẻ , trước những năm 90 hầu như chưa nghiên cứu về kỹ thuật Robot Bắt

đầu từ năm 1990 nhiều nhà máy công nghiệp đã nhập ngoại nhiều loại robot phục vụ quátrình sản xuất nh trong việc lắp ráp các linh kiện điện tử , lắp ráp xe máy , hàn vỏ xe ô tô,phun phủ bề mặt … HIện nay ở bộ môn Tự động hóa XNCN trờng đại học Bách Khoa HàNội đã có những nghiên cứu để đóng góp cho việc thiết kế chế tạo và lắp ráp robot phục

vụ cho nền công nghiệp nớc nhà Robot chính là phơng tiện hữu hiệu nhất để tự động hóa, nâng cao năng suất lao động và giảm nhẹ cho con ngời trong những công việc nặng nhọc

và độc hại Vì vậy robot công nghiệp đã trở thành một bộ phận quan trọng trong cácngành công nghiệp

1.1 Sơ lợc quá trình phát triển và một số điểm mốc của lịch sử phát triển robot công nghiệp

Thuật ngữ robot lần đầu tiên xuất hiện năm 1920 với ý nghĩa là một chiếc máygiống nh ngời để phục vụ cho yêu cầu trong đời sống , sản xuất của con ngời Thế nhng

từ thế kỉ 17 một số thiết bị máy móc đợc chế tạo đã có một số đặc tính làm việc nh robotcông nghiệp hiện nay Jacques de Vancanson chế tạo một số búp bê cơ khí đánh nhạc Năm 1801 J.Jacquard phát minh khung dệt vải có thể lập trình Năm 1805 H.Mailader chếtạo búp bê cơ khí biết vẽ tranh Năm 1892 S.Babbitt đã thiết kế một cần trục truyền động

động cơ có cơ cấu kẹp để gắp thỏi thép đúc ra khỏi lò nung

Đầu thập kỉ 40 của thế kỉ 20 thì con ngời đã phát minh ra cánh tay máy côngnghiệp điển hình là năm 1938 W.Polland và H.Roselund đã thiết kế 1 cơ cấu phun sơn lậptrình cho công ty De Vilbiss Năm 1946 G.C.Devol sáng chế thiết bị điều khiển có thểghi lại những tín hiệu điện bằng từ hóa sau đó đợc sử dụng để điểu khiển một máy cơkhí

Vào những năm 50 , xuất hiện khái niệm về robot thông minh với kĩ thuật hỗ trợ

là bộ nhớ vòng Năm 1951 xuất hiện cơ cấu tau máy điều khiển từ xa có thể mang các vậtliệu phóng xạ chế tạo Năm 1952 mẫu máy điều khiển số đầu tiên ra đời và đợc trng bày

ở Viện Công nghệ Massschusetts sau một vài năm nghiên cứu chế tạo Năm 1954G.C.Devol đăng kí bản quyền phát minh thiết kế robot

đầu những năm 60 giới thiệu những robot đợc điều khiển bằng máy tính có ứngdụng trong công nghiệp thúc đẩy việc tăng cờng nghiên cứu robot Năm 1960 Robot

“Unimate ” đầu tiên đợc giới thiệu là robot truyền động thủy lực , nó sử dụng dạngnguyên lý điều khiển số cho điều khiển cơ cấu tay máy Năm 1961 công ty Ford lắp đặtRobot Unimate Năm 1962 công ty General Motor (GM) lắp đặt robot công nghiệp đầutiên (robot Unimate )trong dây chuyền sản xuất Năm 1966 công ty Trallfa lắp đặt robotphun sơn Năm1968 Robot di chuyển “Shakey” đợc chế tạo tại Viện Nghiên CứuStanford Robot này đợc trang bị một số cảm biến tiếp xúc , máy ảnh , có thể di chuyểntrên mặt sàn

Những năm 70 đánh dấu mốc quan trọng trong quá trình phát triển robot là sự xuấthiện của robot có trí thông minh nhân tạo có thể ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp với

kĩ thuật vi xử lý lần đầu tiên đợc giới thiệu và phát triển Năm 1970 tay máy Stanford làrobot nhỏ điều khiển bằng điện đợc chế tạo ở trờng đại học Stanford Năm 1971 hiệp hộirobot công nghiệp Nhật Bản bắt đầu đề xuất sử dụng robot trong công nghiệp NhậtBản Năm 1973 viện nghiên cứu Stanford công bố ngôn ngữ lập trình máy tính đầu tiêncho robot trên là ngôn ngữ WAVE Năm 1974 công ty máy tính Cincinnati Milacron giới

thiệu robot 3

T điều khiển bằng máy tính Năm 1975 phòng thí nghiệm Charles StackDraper đã chế tạo cơ cấu nhún có tâm ở xa sử dụng cho robot lắp ráp Năm 1976 RobotPUMA (máy lắp ráp vạn năng có thể lập trình) đợc trình diễn Năm 1978 robot 3

T của

hãng Cincinnati Milacron đợc lập trình thực hiện các công việc khoan và hàn trên các bộphận của máy bay Trong cùng năm đó thì robot Scara đợc chế tạo cho dây chuyền lắpráp ở trờng đại học Yamanashi (Nhật) Năm 1979 robot công nghiệp bắt đầu một thời kìphát triển nhanh với các robot mới

Những năm 80 lần lợt các kĩ thuật mới là kĩ thuật số , kĩ thuât quang đợc áp dụng vàonghiên cứu robot , đặc biệt là những robot dùng trong công việc nguy hiểm Năm 1980 robottruyền động trực tiếp DDR đợc sáng chế ở trờng đại học Carnegie-Mellon Năm 1981 hãngmáy tính IBM chế tạo robot RS-1 cho lắp ráp Năm 1982 một số hệ thống lập trình “ Off-line”

đợc trình diễn cho robot Năm 1984 ứng dụng robot tiếp tục phát triển mạnh tập trung vào tichhợp robot trong các dây chuyền sản xuất linh hoạt FMS và hệ thống CIM

Năm 1991 đánh dấu bớc phát triuền mới của nền kinh tế thế giới với tập trung sảnxuất các sản phẩm phức tạp và ứng dụng công nghệ vì điện tử và công nghệ hiển thị trongrobot của dây chuyền sản xuất tự động hóa áp dụng kĩ thuật điều khiển logic và nhữngnghiên cứu về robot có trí thông minh nhân tạo cùng với sự tiến bộ về cơ khí đã làm chorobot đáp ứng hầu hết trong các ngành công nghiệp

1.2 ứng dụng robot công nghiệp trong sản xuất

Từ khi mới ra đời robot công nghiệp đợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực dới góc độthay thế sức ngời Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất đợc tổ chức lại, năng suất và hiệu quảsản xuất tăng lên rõ rệt

Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm góp phần nâng cao năng suất dâychuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lợng và khả năng cạnh tranh của sảnphẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động Đạt đợc các mục tiêu trên là nhờ vào nhữngkhả năng to lớn của robot nh : làm việc không biết mệt mỏi, rất dễ dàng chuyển nghề mộtcách thành thạo, chịu đợc phóng xạ và các môi trờng làm việc độc hại, nhiệt độ cao, “cảmthấy” đợc cả từ trờng và “nghe” đợc cả siêu âm Robot đợc dùng thay thế con ngời trongcác trờng hợp trên hoặc thực hiện các công việc tuy không nặng nhọc nhng đơn điệu, dễgây mệt mỏi , nhầm lẫn

Trong ngành cơ khí, robot đợc sử dụng nhiều trong công nghệ đúc, công nghệ hàn,cắt gọt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp sản phẩm

Ngày nay đã xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất tự động gồm các máy CNC vớiRobot công nghiệp, các dây chuyền đó đạt mức tự động hoá cao, mức độ linh hoạt cao

ở đây các máy và robot đợc điều khiển bằng cùng một hệ thống chơng trình

Ngoài các phân xởng, nhà máy, kỹ thuật robot cũng đợc sử dụng trong việc khaithác thềm lục địa và đại dơng, trong y học, sử dụng trong quốc phòng, trong chinh phục

nhất của robot là cha linh hoạt nh con ngời, trong dây chuyền tự động, nếu có một robot

bị hỏng có thể làm ngừng hoạt động của cả dây chuyền, cho nên robot vẫn luôn hoạt độngdới sự giám sát của con ngời

1.3 Các khái niệm về robot công nghiệp

1.3.1 Định nghĩa robot công nghiệp

Hiện nay có nhiều định nghĩa về Robot, có thể điểm qua một số định nghĩa nhsau :

- Định nghĩa theo tiêu chuẩn AFNOR (Pháp) :

Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại cácchơng trình, tổng hợp các chơng trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định vị,

định hớng, di chuyển các đối tợng vật chất : chi tiết, dao cụ, gá lắp theo những hànhtrình thay đổi đã chơng trình hoá nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau

- Định nghĩa theo RIA (Robot institute of America) :

Robot là một tay máy vạn năng có thể lặp lại các chơng trình đợc thiết kế để dichuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng thông qua các chơng trìnhchuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau

- Định nghĩa theo ΓOCT 25686-85 (Nga) :

Robot công nghiệp là một máy tự động, đợc đặt cố định hoặc di động đợc, liên kếtgiữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chơng trình, có thể lập trình lại đểhòan thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

Có thể nói Robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc toàn

bộ các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ của con ngời trong nhiều khả năng thíchnghi khác nhau

Robot công nghiệp có khả năng chơng trình hoá linh hoạt trên nhiều trục chuyển

động, biểu thị cho số bậc tự do của chúng Robot công nghiệp đợc trang bị những bàn taymáy hoặc các cơ cấu chấp hành, giải quyết những nhiệm vụ xác định trong các quá trìnhcông nghệ : hoặc trực tiếp tham gia thực hiện các nguyên công (sơn, hàn, phun phủ, rótkim loại vào khuôn đúc, lắp ráp máy ) hoặc phục vụ các quá trình công nghệ (tháo lắpchi tiết gia công, dao cụ, đồ gá ) với những thao tác cầm nắm, vận chuyển và trao đổicác đối tợng với các trạm công nghệ, trong một hệ thống máy tự động linh hoạt, đợc gọi

là “Hệ thống tự động linh hoạt robot hoá” cho phép thích ứng nhanh và thao tác đơn giảnkhi nhiệm vụ sản xuất thay đổi

1.3.2 Bậc tự do của robot (DOF : Degrees Of Freedom)

Bậc tự do là số khả năng chuyển động của một cơ cấu (chuyển động quay hoặctịnh tiến) Để dịch chuyển đợc một vật thể trong không gian, cơ cấu chấp hành của robotphải đạt đợc một số bậc tự do Nói chung cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do đó bậc tự

Ví dụ : tay máy có 2 khớp quay nh hình vẽ 1.1

(joints), tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng yên Hệtoạ độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ toạ độ cơ bản (hay hệ toạ độ chuẩn) Các hệ toạ độtrung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng Trong từng thời điểmhoạt động, các toạ độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài cácchuyển dịch góc cuả các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay (hình 1.2) Các toạ độ suy rộngcòn đợc gọi là biến khớp.

Hình 1.2 Các tọa độ suy rộng của robot

Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo qui tắc bàn tay phải :Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xoè 3 ngón : cái, trỏ và giữatheo 3 phơng vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phơng và chiều của trục Z, thì ngóntrỏ chỉ phơng, chiều của trục X và ngón giữa sẽ biểu thị phơng, chiều của trục Y

1.3.4 Vùng làm việc của robot

Vùng làm việc hay còn gọi là trờng công tác hoặc không gian công tác của robot

là toàn bộ thể tích đợc quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển

động có thể ( chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay ) Vùng làm việc của robotphụ thuộc bởi các thông số hình học của robot cũng nh sự ràng buộc cơ học của cáckhớp

1.3.5 Khâu tác động cuối - End Effector

Khâu tác động cuối là điểm tác động của robot lên vật đối tợng làm việc Khâu tác

động cuối của robot thờng là bàn kẹp hoặc khâu gắn liền với các dụng cụ làm việc củarobot Khâu tác động cuối có thể điều khiển hoặc không điều khiển đợc phụ thuộc vàocông nghệ sản xuất Khâu tác động cuối không điều khiển đợc thờng có dạng nắm chắc

vật để chờ tác động của các công cụ khác Khâu tác động cuối điều khiển đợc là các cơcấu có thể di chuyển linh hoạt phụ thuộc vào yêu cầu của bộ điều khiển

1.4 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

1.4.1 Các thành phần chính của robot công nghiệp

Một robot công nghiệp thờng bao gồm các thành phần chính nh : cánh tay robot,nguồn động lực, dụng cụ gắn lên khâu chấp hành cuối, các cảm biến, bộ điều khiển , thiết

bị dạy học, máy tính các phần mềm lập trình cũng nên đợc coi là một thành phần của

hệ thống robot Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot nh hình 1.3

Hình 1.3 Các thành phần chính của hệ thống robot

Cánh tay robot (tay máy) là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bằngcác khớp động để có thể tạo nên những chuyển động cơ bản của robot

Nguồn động lực là các động cơ điện (một chiều hoặc động cơ bớc), các hệ thống

xy lanh khí nén, thuỷ lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động

Dụng cụ thao tác đợc gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ của robot có thể cónhiều kiểu khác nhau nh : dạng bàn tay để nắm bắt đối tợng hoặc các công cụ làm việc

nh mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn

Thiết bị dạy-hoc (Teach-Pendant) dùng để dạy cho robot các thao tác cần thiết theoyêu cầu của quá trình làm việc, sau đó robot tự lặp lại các động tác đã đợc dạy để làmviệc (phơng pháp lập trình kiểu dạy học)

Các phần mềm để lập trình và các chơng trình điều khiển robot đợc cài đặt trênmáy tính, dùng điều khiển robot thông qua bộ điều khiển (Controller) Bộ điều khiển còn

đợc gọi là Mođun điều khiển (hay Unit, Driver), nó thờng đợc kết nối với máy tính Mộtmođun điều khiển có thể còn có các cổng Vào - Ra (I/O port) để làm việc với nhiều thiết

Nh đã nói trên, tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việccủa robot Các kết cấu của nhiều tay máy đợc phỏng theo cấu tạo và chức năng của tayngời; tuy nhiên ngày nay, tay máy đợc thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay robot có hìnhdáng rất khác xa cánh tay ngời Trong thiết kế và sử dụng tay máy, chúng ta cần quan tâm

đến các thông số hình - động học, là những thông số liên quan đến khả năng làm việc củarobot nh : tầm với (hay trờng công tác), số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt củarobot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp

Các khâu của robot thờng thực hiện hai chuyển động cơ bản :

- Chuyển động tịnh tiến theo hớng x,y,z trong không gian Descarde, thông thờngtạo nên các hình khối, các chuyển động này thờng ký hiệu là T (Translation) hoặc P(Prismatic)

- Chuyển động quay quanh các trục x,y,z ký hiệu là R (Roatation)

Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có cáckết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau Các kết cấu thờng gặp của Robot làrobot kiểu toạ độ Đề các, toạ độ trụ, toạ độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ toạ độ góc (phỏngsinh)

1.5 Phân loại Robot công nghiệp

Robot công nghiệp rất phong phú đa dạng, vì vậy việc phân loại robot cũng cónhiều tiêu chuẩn nh phân loại theo kết cấu , phân loại theo hệ thống truyền động , phânloại dựa vào số bậc tự do , ứng dụng , theo hệ thống điều khiển ( kín hay hở ) …

1.5.1 Phân loại theo kết cấu

Theo kết cấu của tay máy ngời ta phân thành robot kiểu toạ độ Đề các, Kiểu toạ độtrụ, kiểu toạ độ cầu, kiểu toạ độ góc, robot kiểu SCARA

a Robot kiểu toạ độ Đề các : là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo

phơng của các trục hệ toạ độ gốc (cấu hình T.T.T) Trờng công tác có dạng khối chữ nhật

Do kết cấu đơn giản, loại tay máy nầy có độ cứng vững cao, độ chính xác cơ khí dễ đảmbảo vì vậy nó thuờng dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt phẳng

Hình 1.4 Robot kiểu tọa độ Đề Các

b Robot kiểu toạ độ trụ : Vùng làm việc của robot có dạng hình trụ rỗng Thờng

khớp thứ nhất chuyển động quay Có nhiều robot kiểu toạ độ trụ nh: robot Versatran củahãng AMF (Hoa Kỳ)

Hình 1.5 Robot kiểu tọa độ trụ

c Robot kiểu toạ độ cầu : Vùng làm việc của robot có dạng hình cầu Thờng độ

cứng vững của loại robot này thấp hơn so với hai loại trên

Hình 1.6 Robot kiểu tọa độ cầu

d Robot kiểu toạ độ góc (Hệ toạ độ phỏng sinh) : Đây là kiểu robot đợc dùng

nhiều hơn cả Ba chuyển động đầu tiên là các chuyển động quay, trục quay thứ nhấtvuông góc với hai trục kia Các chuyển động định hớng khác cũng là các chuyển độngquay Vùng làm việc của tay máy này gần giống một phần khối cầu Tất cả các khâu đềunằm trong mặt phẳng thẳng đứng nên các tính toán cơ bản là bài toán phẳng,u điểm nổibật của các loại robot hoạt động theo hệ toạ độ góc là gọn nhẹ, tức là có vùng làm việc t-

ơng đối lớn so với kích cở của bản thân robot, độ linh hoạt cao

Các robot hoạt động theo hệ toạ độ góc nh : Robot PUMA của hãng Unimation - Nokia(Hoa Kỳ - Phần Lan), IRb-6, IRb-60 (Thuỵ Điển), Toshiba, Mitsubishi, Mazak (NhậtBản) V.V

Hình 1.7 Robot kiểu tọa độ góc

e Robot kiểu SCARA : Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trờng đại học

Yamanashi (Nhật Bản) là một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá trìnhsản xuất Tên gọi SCARA là viết tắt của "Selective Compliant Articulated Robot Arm" :Tay máy mềm dẻo tuỳ ý Loại robot này thờng dùng trong công việc lắp ráp nên SCARA

đôi khi đợc giải thích là từ viết tắt của "Selective Compliance Assembly Robot Arm" Ba

khớp đầu tiên của kiểu Robot nầy có cấu hình R.R.T, các trục khớp đều theo phơng thẳng

đứng

Hình 1.8 Robot kiểu SCARA

1.5.2 Phân loại theo hệ thống truyền động

Trong các hệ thống truyền động robot có các dạng truyền động phổ biến là :

Hệ truyền động điện : Thờng dùng các động cơ điện 1 chiều (DC : Direct Current)hoặc các động cơ bớc (step motor) Loại truyền động nầy dễ điều khiển, kết cấu gọn

Hệ truyền động thuỷ lực : có thể đạt đợc công suất cao, đáp ứng những điều kiệnlàm việc nặng Tuy nhiên hệ thống thuỷ lực thờng có kết cấu cồng kềnh, tồn tại độ phituyến lớn khó xử lý khi điều khiển

Hệ truyền động khí nén : có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngợc nhng lạiphải gắn liền với trung tâm taọ ra khí nén Hệ này làm việc với công suất trung bình vànhỏ, kém chính xác, thờng chỉ thích hợp với các robot hoạt động theo chơng trình địnhsẳn với các thao tác đơn giản “nhấc lên - đặt xuống”

có 4 bậc tự do là đủ Tuy nhiên để cho robot có thể tự do di chuyển tránh các chớng ngạivật và tăng tính linh hoạt của robot thì robot có thể có số bậc tự do d

1.5.3 Phân loại theo ứng dụng

Dựa vào ứng dụng của robot trong sản xuất có robot sơn, robot hàn, robot lắp ráp,robot chuyển phôi v.v

1.5.4 Phân loại theo phơng pháp điều khiển

Ngoài ra còn có thể có các cách phân loại khác tuỳ theo quan điểm và mục đíchnghiên cứu

1.6 Điều khiển robot công nghiệp

Liên quan đến đặc điểm làm việc của robot , ta có thể chia bài toán điều khiểnrobot thành 2 loại : điều khiển thô và điều khiển tinh

1.6.1.Điều khiển thô

Điều khiển thô là bài toán xác định luật điều khiển thích hợp để tốc độ , vị trí củacác khớp bám sát quỹ đạo chuyển động thiết kế trong thời gian quá độ nhỏ nhất Điềukhiển thô còn goi là điều khiển quỹ đạo ( vị trí) hay điều khiển tự do Đối với bài toán

điều khiển thô ta có hai phơng pháp chính là :

- điều khiển trong không gian khớp ( điều khiển tọa độ khớp )

- điều khiển trong không gian làm việc ( điều khiển tọa độ Đecac )

a Điều khiển trong không gian khớp ( điều khiển tọa độ khớp )

Hệ thống điều khiển sẽ đa ra lợng đặt và giảm dần sai số của từng khớp đa khớptới đúng vị trí đặt bằng cách thực hiện việc khử sai lệch vị trí cho các khớp Biến điềukhiển là biến khớp nên hệ thống sẽ điều khiển trực tiếp góc quay của các khớp

b Điều khiển trong không gian làm việc ( điều khiển tọa độ Đecac)

Hệ thống điều khiển trong không gian làm việc ngợc lại hẳn với hệ thống điềukhiển trong không gian khớp Hệ thống thực hiện khử sai lệch trực tiếp của các tọa độtrong không gian làm việc nên việc điều khiển khá trực quan giúp ngời điều khiển có thể

dễ dàng giám sát quá trình hoạt động của robot

1.6.2 Điều khiển tinh

Điều khiển tinh là điều khiển lực mà thực chất là điều khiển lực và quỹ đạo , liênquan tới quá trình khi robot di chuyển tiếp xúc với đối tợng làm việc ví dụ nh trờng hợprobot lắp ráp một chi tiết vào thiết bị máy Điều khiển tinh chia làm hai phơng pháp điềukhiển chính :

b Điều khiển hỗn hợp

Điều khiển hỗn hợp gốm hai kênh điều khiẻn độc lập với nhau điều khiển vị trí và điềukhiển lực Trong đó các tín hiệu đầu ra của bộ điều chỉnh sẽ điều khiển cơ cấu bám theo vị trí

và sinh lực đặt trớc Hớng vị trí và lực đợc điều khiển tùy thuộc vào nhiệm vụ robot thực hiệntrong dây chuyền sản xuất Điều khiển hỗn hợp còn đợc gọi là điều khiển lai

1.7 Robot có bậc tự do d

Bậc tự do của robot là thớc đo để đánh giá khả năng chuyển động của robot đó( chuyển động quay hay tịnh tiến ) Thông thờng thì robot có số bậc tự do tơng ứng với sốbiến cần điều khiển nhng các robot này có khả năng di chuyển trong vùng làm việc rấthạn chế chính vì vậy làm giảm khả năng di chuyển tránh chớng ngại vật cũng nh khảnăng di chuyển theo quỹ đạo đặt trớc

Còn robot có bậc tự do d lại có số bậc tự do lớn hơn số biến cần điều khiển chínhnhờ có số bậc tự do d mà robot có khả năng di chuyển hết sức linh hoạt , mềm mại trongvùng làm việc , giải quyết các vấn đề về điều khiển hệ thống nh : yêu cầu về động lực

động lực học , điều khiển lực , di chuyển theo quỹ đạo định sẵn tránh các chớng ngại vật

… Nhng với những cơ cấu có số bậc tự do d thì có số bậc tự do lớn dẫn đến việc khó khăntrong tính toán mô hình cũng nh điều khiển khó khăn hơn Nhng do đáp ứng đợc các yêucầu về ứng dụng , khả năng linh hoạt của robot trong lĩnh vực tự động hóa nên robot có sốbậc tự do d đợc tìm hiểu , nghiên cứu và chế tạo rất nhiều

Hiện nay đa số robot công nghiệp đều là robot có bậc tự do d Robot có số bậc tự

do d đợc ứng dụng rất nhiều trong những cơ cấu robot làm việc nh cánh tay con ngời Robot có số bậc tự do d đã đợc sử dụng vào việc chế tạo những cơ cấu tay máy gắp vậtchính xác và linh hoạt , chế tạo những robot phỏng sinh để thay thế con ngời trong nhữngcông việc khó khăn nhiều nguy hiểm …

Robot đợc nghiên cứu trong đồ án là robot gồm 2 tay máy dạng chuỗi có số bậc tự

do là 5 dịch chuyển trong mặt phẳng nằm ngang Oxy Đối với các robot hoạt động trongmặt phẳng nằm ngang thì việc định vị (điều khiển vị trí ) robot yêu cần cần 2 biến điềukhiển ( điều khiển vị trí theo phơng trục x , y ) việc định hớng của robot cũng yêu cầu 2biến điều khiển Vì vậy trong mặt phẳng nằm ngang điều khiển robot cần phải điều khiển

4 biến do vậy yêu cầu robot có số bậc tự do là 4 , nên trong đồ án robot có 5 bậc tự do làrobot có số bậc tự do d

1.8 Robot nghiên cứu trong đồ án

1.8.1 Giới thiệu về robot

Khảo sát loại robot gồm 2 tay máy dạng chuỗi có cùng một thanh nối đầu tiên nhhình vẽ Tay máy 1 bao gồm các thanh nối 1 , thanh nối 2 và thanh nối 3 Tay máy 2 baogồm thanh nối 1 , thanh nối 4 và thanh nối 5 trong đó trên thanh nối 1 có 2 khớp điều

1.8.2 Bài toán điều khiển

Yêu cầu điều khiển robot 5 bậc tự do gắp chắc vật trong mặt phẳng nằm ngang

Để gắp chắc đợc vật thể thì phải tác dụng lên vật thể 2 lực có độ lớn bằng nhau nhng phải

đối xứng với nhau qua vật thể nên phải điều khiển lực và vị trí của điểm tác động cuối

Từ đó ta xác định hai bài toán điều khiển chính của đồ án là :

- Điều khiển vị trí hai khâu tác động cuối E1 và E2

- Điều khiển lực theo độ lớn để gắp vật thể

a Điều khiển vị trí

Điều khiển vị trí hai khâu tác động cuối của hai tay máy với vị trí đặt đồng thời

- Vị trí tay máy E1 đợc điều khiển từ E10 tới E1d

- Vị trí tay máy E2 đợc điều khiển từ E20 tới E2d

Trong đó E10 và E20 lần lợt là là tọa độ điểm ban đầu của điểm tác động cuối E1 và E2 E1d

và E2d lần lợt là tọa độ điểm cần điều khiển đên hay là tọa độ đặt của điểm tác động cuối

E1 và E2

b Điều khiển lực

Điều khiển lực tác dụng lên vật thể của 2 điểm tác động cuối E1 và E2 để có thể gắp

đợc vật thể

- Lực tay máy f1 đợc điều khiển từ 0 đến fd1 = 7 N

- Lực tay máy f2 đợc điều khiển từ 0 đến fd2 = 7 N

Trong đó fd1 và fd2 là lực cần điều khiển hay là lực đặt của điểm tác động cuối E1 và

E2

1.8.3 Phơng pháp điều khiển

-Để điều khiển vị trí của hai điểm tác động cuối E1 và E2 ta cần sử dụng 4 biến

điều khiển là xE1 , yE1 ,xE2 và yE2 vì robot hoạt động trong mặt phẳng nằm ngang nên điềukhiển mỗi điểm tác động cuối ta cần 2 biến điều khiển Do yêu cầu điều khiển tọa độ 2

điểm tác động cuối E1 và E2 của robot 2 tay máy tới 2 tọa độ đặt E1d và E2d một cách đồngthời nên 4 biến điều khiển này hoàn toàn độc lập với nhau Do đó việc điều khiển vị trícủa 2 điểm tác động cuối tơng ứng với việc điều khiển 4 biến toạ độ của E1 và E2

-Để điều khiển lực ta cần sử dụng 2 biến điều khiển là f1 và f2 do yêu cầu gắp chắcchắn vật thể nên ta phải điều khiển 2 điểm tác động cuối đặt 2 lực có đặc điểm độ lớnbằng nhau và hớng ngợc chiều nhau ) để điều khiển lực ta điều khiển 2 biến điều khiểnlực là f1 và f2

Do vậy để điểu khiển vị trí và lực của 2 điểm tác động cuối thì ta cần điều khiển 6biến xE1 , yE1 ,xE2 , yE2 , f1 và f2

Để điều khiển cả lực và vị trí có một phơng pháp điều khiển phù hợp đó là phơngpháp điều khiển hỗn hợp điều khiển đồng thời cả lực và vị trí thế nhng đối với robotchúng ta là robot có 5 năm bậc tự do hoạt động trong mặt phẳng nằm ngang Oxy thì robot

sẽ là robot có bậc tự do d nên robot có nhiều biến điều khiển ( tối đa 5 biến ) có khả năng

di chuyển rất linh hoạt trong mặt phẳng Tuy nhiên đối với yêu cầu điều khiển cả vị trí vàlực thì tuy robot có số bậc tự do d nhng chúng ta không thể điều khiển đồng thời cả vị trí

và lực cùng 1 lúc do điều khiển vị trí gồm 4 biến điều khiển xE1,xE2,yE1 và yE2 cùng với 2biến điều khiển lực là F1 và F2 nh vậy tổng cộng là 6 biến điều khiển trong khi robot chỉ

có 5 bậc tự do ( tối đa điều khiển đợc 5 biến )

Do vậy ta phải sử dụng một phơng pháp điều khiển khác gồm 2 quá trình :

- Quá trình 1 là quá trình điều khiển vị trí trong đó ta điều khiển toạ độ 2 khâu tác

này Vấn đề điều khiển vị trí sẽ đợc làm rõ trong chơng 3 của đồ án

- Quá trình 2 là quá trình lực Khi đã hoàn thành quá trình 1 tức là 2 điểm tác

động cuối E1 và E2 đã tới vị trí điểm đặt E1d và E2d thì chúng ta bắt đầu điều khiển lực gồm

2 biến f1 và f2 để chúng có cùng độ lớn f1 = f2 = 7N Vấn đề điều khiển lực sẽ đợc làm rõtrong chơng 5 của đồ án

Chơng 2 : Thiết lập phơng trình động học và động lực học

2.1.2 Phơng trình động học robot

Đặt trục tọa độ nh hình vẽ 2.1

x l

- Chiều dài của các thanh từ 1 đến 5 là li với i = 1 - 5 ( trong mô phỏng matlab để

đơn giản ta chọn chiều dài thanh số 2 bằng chiều dài thanh số 4 và chiều dài thanh 3 bằng chiều dài thanh số 5 tức l2 = l4 , l3 = l5 ) Chiều dài l = 0

- Trọng lợng của các thanh từ 1 đến 5 là mi với i = 1 - 5

- Góc quay của các thanh từ 1 đến 5 là i với i = 1 - 5 ,với cách tính các góc quay của thanh thứ i đợc tính bằng góc tạo bởi giữa thanh thứ ( i-1 ) và thanh thứ i , quy ớc các góc quay  nhận giá trị dơng khi quay ngợc chiều kim đồng hồ , nhận giá trị âm khi quaytheo chiều kim đồng hồ (theo quy tắc bàn tay phải)

Vậy robot có 5 bậc tự do , 5 thanh nối , và 5 khớp quay dạng R

Trong đó 2 điểm E1 và E2 là hai cơ cấu tác động cuối , là đối tợng cần điều khiển chính

Do robot chỉ họat động trong mặt phẳng nằm ngang nên ta có thể bỏ qua tác dụng của lực trọng trờng ( tức g = 0 )

+ Thiết lập tọa độ trọng tâm Ci của các thanh nối

Theo các phơng pháp hình học và sử dụng các công thức lợng giác cơ bản ta dễ dàng tính toán đợc tọa độ trọng tâm của các thanh nối trên hình vẽ

- tọa độ của trọng tâm thanh nối thứ nhất :

C

C

l x

l y

Hình 2.2 Tay máy thứ nhất của robot

Từ công thức (2.6) biểu diễn tọa độ của điểm tác động cuối E1 ta lấy đạo hàm tọa độ

điểm tác động cuối E1 theo thời gian ta đợc

1

1

BiÓu diÔn díi d¹ng ma trËn :

Hình 2.3 tay máy thứ 2 của robot

Tơng tự nh trên , từ công thức (2.7) biểu diễn tọa độ điểm tác động cuối E2 ta lấy đạo hàm tọa độ x và y theo thời gian ta đợc :

0 0

0 0

00

+ Nhiệm vụ thứ nhất là x¸c định momen và lực động xuất hiện trong qu¸ tr×nhchuyển động Khi đã quy luật biến đổi của biến khớp i (t) xem như đã biết

+ Nhiệm vụ thứ hai là x¸c định c¸c sai số động Lóc này phải kh¶o s¸t c¸c phươngtr×nh chuyển động của cơ cấu tay m¸y đồng thời xem xÐt c¸c đặc tÝnh động lực của động

cơ truyền động

Cã nhiều phương ph¸p nghiªn cứu ®ộng lực học robot nhưng thường dïng hơn cả

là phương ph¸p Lagrange bậc 2 v× ta sẽ được c¸c phương tr×nh ®ộng lực học ở dạngvector ma trận, rất gọn nhẹ và thuận tiện cho việc nghiªn cứu giải tÝch và tÝnh tãan trªnm¸y tÝnh

K, P- động năng và thế năng của cơ hệ.

M- động lực, hình thành trong khớp động thứ i khi thực hiện chuyển động.

i - biến khớp



.

i - đạo hàm bậc nhất của biến khớp theo thời gian

Các biến khớp i là bộ các thông số dịch chuyển của các khớp động của robot Vị

trí trạng thái của điểm tác động cuối của robot hoàn toàn được xác định bởi bộ biến khớp

l : chiều dài từ khớp i đến tâm khối thanh nối i

Theo kết quả tính toán của phần trớc , ta đã có toạ độ của trọng tâm các thanh nối

nh sau :

- tọa độ của trọng tâm thanh nối thứ nhất :

C

l x

l y



 ; Trong đó : Ki : động năng , Pi : thế năng của thanh nối i;

Lấy đạo hàm hàm Lagrange lần theo các biến 1;2 5 ; .

.

1 2 1 2 2 1 2 2

3 1 2 2 1 2 2 1 3 1 2 3 2 3 2 3 1 2 3 3 2 3 3

3.1 Tổng quan về điều khiển robot công nghỉệp

Đối với một robot thì hệ thống điều khiển chiếm vị trí quan trọng nhất trong robot

Điều khiển robot quyết định trực tiếp đến khả năng làm việc của robot Nhiệm vụ của hệ thống điều khiển là để robot luôn đảm bảo về chuyển động và lực đúng theo yêu công việc Hình 3.1 thể hiện sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển robot cơ bản

Hệ thống truyền động

-Bài toán điều khiển quỹ đạo ( điều khiển thô ) có 2 phơng pháp điều khiển Đó làphơng pháp điều khiển trong không gian khớp hay còn gọi là điều khiển tọa độ khớp và điều khiển trong không gian làm việc hay còn gọi là điều khiển tọa độ

Đecac

- Bài toán điều khiển lực ( điều khiển tinh ) có 2 phơng pháp đó là điều khiển trở kháng và điều khiển hỗn hợp ( điều khiển hỗn hợp còn đợc gọi là điều khiển lai)

Để điều khiển một robot thì tùy theo yêu cầu làm việc , theo nhiệm vụ … mà ta có thể lựa chọn phơng án điều khiển phù hợp đối với robot trong từng trờng hợp

Điều khiển robot công nghiệp

Điều khiển thô

(điều khiển quỹ đạo)

Điều khiển tinh (điều khiển lực)

Điều khiển

trong không

gian khớp

Điều khiển trong không gian làm việc

Điều khiển trở kháng

Điều khiển hỗn hợp (điều khiển lai)

Bộ điều

khiển PD

bù trọng lực

Bộ điều khiển PID

Điều khiển ma trận Jacobien chuyển vị

Điều khiển ma trận Jacobien nghịch đảo

Điều khiển trở kháng thụ động

Điều khiển trở kháng tích cực

Hình 3.2 Các phơng pháp điều khiển chính của robot công nghiệp

3.2 Các phơng pháp điều khiển vị trí robot

3.2.1 Điều khiển trong không gian khớp ( điều khiển tọa độ khớp )

Với hệ thống điều khiển trong không gian khớp , đại lợng điều khiển là vị trí khớp robot : góc quay đối với khớp quay , độ dịch chuyển thẳng đối với khớp tịnh tiến Bộ điểukhiển đợc thiết kế đảm bảo vị trí khớp luôn bám theo vị trí đặt , tức là sai lệch vị trí khớp hội tụ về không với thời gian nhỏ nhất Vị trí đặt của khớp đợc tính toán từ lợng đặt vị trí của tay robot trong không gian làm việc thông qua khâu tính toán động học ngợc Ưu

điểm của phơng pháp điều khiển ở không gian khớp là bộ điều khiển tác động trực tiếp

đến hệ thống truyền động của khớp Tuy nhiên , hệ thống điều khiển này khó đảm bảo độchính xác vị trí của tay khi tồn tại các sai lệch trong cơ cấu cơ khí hoặc thiếu thông tin về quan hệ giữa tay robot và đối tợng

a Bộ điều khiển PD bù trọng lực

khiển Robot

Cảm biến

Hình 3.3 Sơ đồ khối của bộ điều khiển phản hồi

Trong sơ đồ trên qd là vectơ tín hiệu đặt vị trí của các khớp ( qd = d) đối với các khớp quay và qd = rd đối với các khớp tịnh tiến , q là vecto vị trí thực của các khớp robot tơng ứng là  với khớp tịnh tiến ,  là vectơ mômen đối với khớp quay và lực đối với khớp tịnh tiến

Phơng trình động lực học tổng quát của robot có dạng :

- eqd  q là sai số vị trí của khớp robot

- e qd  q là sai số tốc độ của khớp robot

Hệ thống điều khiển với cấu trúc (3.2),(3.3) đã đợc chứng minh là ổn định tuyệt đối xung quanh điểm cân bằng , không phụ thuộc vào khối lợng thanh nối và tải dựa trên nguyên lý

ổn định của Liapunov

Nhợc điểm của bộ điều khiển PD : KP và KD quá lớn sẽ làm ảnh hởng tới độ ổn

định , chất lợng , quá trình quá độ , độ quá điều chỉnh , thời gian quá độ …

b Bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID có cấu trúc tơng tự nh bộ điều khiển PD có bù trọng lực đã nêu

3.2.2 Điều khiển trong không gian làm việc

Trong thực tế chuyển động của robot đợc dặt trong không gian làm việc , do đó thuật tuán động học ngợc cần thiết để bién đổi quỹ đạo đặt trong không gian tay về khônggian khớp Điều đó sẽ là tăng khối lợng tính toán Vì vậy điều khiển robot công nghiệp

thông thờng sẽ tính vị trí khớp thông qua bài toán động học ngợc và sau đó tính toán tốc

độ và gia tốc khớp bằng phơng pháp vi phân số

Với hệ thống điều khiển không gian làm việc , tín hiệu đặt trực tiếp là quỹ đạo chuyển động mong muốn của tay robot trong không gian làm việc , lợng phản hồi sẽ đợc tính từ vị trí của khớp thông qua khâu động học thuận Khâu động học ngợc đuợc cài đặt trong mạch vòng điều khiển phản hồi sẽ tính đồi các biến về không gian khớp Yêu cầu

về thời gian mẫu sẽ làm giảm chất lợng của hệ thống

Vì những hạn chế trên , hệ thống điều khiển không gian làm việc chỉ đợc sử dụng hiệu quả khi thực hiện điều khiển tơng tác giữa tay robot và môi trờng làm việc Thực tế

hệ thống điều khiển trong không gian khớp đợc thiết kế cho điều khiển robot khi chuyển

động tự do trong không gian Khi tay robot làm việc trong điều kiện ràng buộc với môi trờng , vi dụ tay robot tiếp xúc với môi trờng làm việc , cần thiết điều khiển đồng thời vị trí và lực tiếp xúc Lợng đặt của hệ thống điều khiển là quỹ đạo chuyển động của tay robot Sai lệch giữa vị trí đặt của tay robot và phàn hồi vị trí tay ở không gian tay sẽ đợc chuyển thành mômen hoặc lực của khớp truyền động cho các khớp Hai hệ thống điển hình là : hệ thống điều khiển ma trận Jacobien chuyển vị và hệ thống điều khiển ma trận Jacobien đảo

a Khái niệm về lực công ảo

Khi có một lực F tác dụng vào một vật ở hệ tọa độ gốc sẽ gây ra các lực tuơng đơng tác dụng ở các hệ tọa độ khác nhau gắn cứng với vật Các lực tơng đơng này có thể xác định theo phơng pháp “dịch chuyển ảo ” hay còn gọi là lc công ảo , ta sẽ trình bày dới đây : Một ngoại lực F tác dụng lên vật gây lên một vi phân dịch chuyển ảo S ở hệ tọa độ gốc và lực C F tơng đơng gây ra một dịch chuyển ảo tơng đơng C

Độ dịch chuyển CS hệ tọa độ C và độ dịch chuyển S hệ tọa độ gốc , chúng đợc liên

hệ với nhau qua phơng trình :

C S C J Svới C J là ma trận Jacobien đối với khung tọa độ C

Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống vị trí tay robot sử dụng ma trận Jacobien nghịch đảo

Khi coi các sai lệch vị trí và sai lệch tốc độ tay robot là các đại lợng nhỏ , sử dụngbiểu thức quan hệ giữa các vector dịch chuyển nhỏ của tay và khớp , hoặc quan hệ tốc độ giữa tay và khớp ,vector sai lệch vị trí và sai lệch tốc độ đc xác định theo các phơng trình sau :

Tơng tự nh luật điều khiển PD kinh điển ,vector moment cần thiết để truyền động cho khớp robot đợc xác định theo phơng trình sau :

c Hệ thống điều khiển ma trận Jacobien chuyển vị