tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NÂNG CAO độ CHÍNH xác kết QUẢ bài TOÁN ĐỘNG học NGƯỢC TRONG ROBOT CÔNG NGHIỆP

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP VŨ ĐỨC VƯƠNG NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC KẾT QUẢ BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC TRONG ROBOT CÔNG NGHIỆP TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã số: 60520103 THÁI NGUYÊN- 2012 2 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ [1]. Phạm Thành Long, Vũ Đức Vương, “Nâng cao độ chính xác đáp ứng vị trí và hướng trong bài toán động học ngược robot”, Tạp chí Cơ khí, pp 77 – 81, Vol 3, 2012 3 GIỚI THIỆU Độ chính xác của robot là kết quả tổng hợp của rất nhiều công đoạn từ thiết kế, chế tạo, lắp ráp, hiệu chỉnh đến chuẩn bị dữ liệu động học động lực học và điều khiển. Trong các hoạt động đòi hỏi có độ chính xác cao việc giải bài toán động học ngược là bắt buộc, đây là bước xuất hiện nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác hoạt động của robot như sai số giải thuật, sai số tính toán, sai số quy tròn. Phương pháp giải bài toán động học ngược robot bằng cách chuyển sang bài toán tối ưu đã được đề cập trong [1] [2]. Đây là phương pháp hiệu quả cho kết quả nhanh. Tuy nhiên, kết quả nhận được của bài toán có sự chênh lệch về độ chính xác đáp ứng của các phần tử định vị và định hướng. Sai số này cần được xem là sai số về phương pháp khi tiếp cận bài toán, mặc dù đáp ứng hướng và đáp ứng vị trí có vai trò quan trọng như nhau trong điều khiển song có rất ít nghiên cứu về vấn đề nâng cao độ chính xác này. Nhận thấy trong nỗ lực chung nhằm nâng cao độ chính xác khi sử dụng robot, bên cạnh các khâu như thiết kế, chế tạo, lắp ráp độ chính xác đã được nâng lên thì không thể bỏ qua các nghiên cứu để cải thiện đáp ứng hướng khi giải bài toán động học ngược của robot, đây sẽ là nghiên cứu khắc phục điểm yếu này của phương pháp giải bài toán động học ngược trong robot. Trên cơ sở các phân tích trên tác giả chọn đề tài luận văn tốt nghiệp là: “Nâng cao độ chính xác kết quả bài toán động học ngược trong robot công nghiệp” Về mặt khoa học đề tài thuộc vào nhóm đảm bảo thông tin vận hành hệ thống cơ điện tử, không chỉ áp dụng trên robot mà có thể triển khai trên các hệ chấp hành nhiều trục khác nói chung. Do vấn đề mà luận văn tập trung giải quyết là khắc phục sai số lời giải của bài toán ngược về mặt phương pháp nên đề tài có ý nghĩa quan trọng về mặt lý thuyết. Trong khi các khâu như thiết kế, chế tạo và lắp ráp robot ngày càng được cải tiến để đạt được độ chính xác tối đa cho phép thì những kết quả trong việc hoàn thiện giải thuật của bài toán ngược còn khá hạn chế, đặc biệt là ở khía cạnh nâng cao độ chính 4 xác đáp ứng hướng của cơ cấu ngay từ việc giải bài toán ngược, do vậy mà kết quả của nghiên cứu này có ý nghĩa rất lớn về mặt thực tiễn. Các kết quả nghiên cứu của đề tài có thể sử dụng trong giảng dạy, nghiên cứu về robot ở các trường, các viện nghiên cứu về robot. 5 CHƯƠNG 01 TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC TRONG ROBOT CÔNG NGHIỆP Mở đầu Hệ động học của robot công nghiệp là hệ phi tuyến do được hình thành từ các hàm lượng giác sin và cos. Việc giải trực tiếp hệ này gặp rất nhiều khó khăn và không có một phương pháp tổng quát nào để giải cho một robot bất kỳ. Các tác giả khi nghiên cứu về lĩnh vực này thường khéo léo sử dụng các đặc điểm đặc biệt của một học robot để đưa ra giải pháp tính toán. Đây chính là chủ đề cho rất nhiều những nghiên cứu. Dưới đây giới thiệu về các phương pháp giải bài toán động học ngược và một số phương pháp nổi bật trong lĩnh vực này. Vai trò của bài toán động học ngược trong robot công nghiệp Bài toán động học ngược trong robot công nghiệp, chúng cung cấp thông tin cần thiết phục vụ cho quá trình điều khiển robot. Giải bài toán phi tuyến này với độ chính xác cao của kết quả lời giải mang nhiều ý nghĩa quan trọng. 1.2. Yêu cầu với thuật toán giải bài toán động học ngược - Độ chính xác lời giải cao, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác điều khiển. - Bài toán động học ngược có thể tồn tại nhiều nghiệm, giải thuật tính toán cần chỉ ra được nghiệm thỏa mãn giới hạn ràng buộc của các biến khớp. - Tốc độ hội tụ nhanh đảm bảo cho quá trình điều khiển thời gian thực. - Ngoài ra, giải thuật còn có các yêu cầu khác như: khả năng áp dụng với nhiều loại robot với số bậc tự do khác nhau, …. 1.3. Tổng hợp các phương pháp giải bài toán động học ngược 1.3.1. Phương pháp Pieper 6 1.3.2. Phương pháp Lee and Liang 1.3.3. Phương pháp loại trừ thẩm tách Sylvester 1.3.4. Phương pháp Raghavan Roth 1.3.5. Phương pháp Tsai Morgan 1.3.6. Phương pháp chuyển đổi ngược 1.3.7. Phương pháp Newton Raphson 1.3.8. Phương pháp giải bài toán tối ưu 1.4. Hướng nghiên cứu của đề tài Từ khi mới ra đời robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dưới góc độ thay thế sức người. Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năng suất và hiệu quả tăng lên rõ rệt. Trước những yêu cầu ngày càng cao trong thực tế sản xuất, robot công nghiệp được cải tiến và phát triển không ngừng. khả năng của robot ngày càng có chất lượng tốt hơn, hiệu quả hơn. Nhằm góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động và độ chính xác làm việc của robot trong luận văn tác giả định hướng nội dung nghiên cứu như sau: - Xây dựng mô hình toán mới cho việc giải bài toán động học ngược của robot theo phương pháp tối ưu, mô hình có độ chính xác lời giải cao hơn các mô hình được thiết lập trước đó. - Lựa chọn giải thuật phù hợp với việc giải bài toán - Xây dựng chương trình có chức năng giải bài toán động học ngược cho các robot có cấu trúc chuỗi động học hở trên cơ sở thuật toán đề xuất. - Đánh giá lại kết quả đạt được của mô hình trên mô hình robot thực, so sánh với mô hình đã được đề xuất trước đó. Kết luận Xác định nhanh chóng và chính xác các thông số làm việc của hệ thống chấp hành phục vụ điều khiển robot là một vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn. Chỉ có 7 xây dựng được những thuật toán hiệu quả giải quyết vấn đề này mới giúp làm chủ thực sự các quá trình động học và động lực học cho robot đặc biệt là cho các robot có nhiều bậc tự do. 8 CHƯƠNG 02 NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC LỜI GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU Mở đầu Giải bài toán động học ngược của robot bằng phương pháp tối ưu đã đã được một số tác giả trong nước và trên thế giới nghiên cứu. trong [2] tác giả đã đề xuất mô hình hiệu quả và nhanh chóng đưa ra kết quả của bài toán. Chương này đưa ra giải pháp nâng cao độ chính xác lời giải bài toán động học ngược bằng cách xây dựng mô hình bài toán tối ưu mới. 2.1. Mô hình bài toán tối ưu giải bài toán động học ngược Trong [2] đã đề xuất mô hình bài toán tối ưu có thể thực hiện được việc này như sau:                         (2-2) Với việc xây dựnsg mô hình toán trên đã chuyển việc giải trực tiếp hệ (2-1) thành việc giải bài toán tối ưu, dạng bài toán có nhiều phương pháp hiệu quả và có năng lực cao trong giải bài toán. Mặc dù mô hình (2-2) có thể giải quyết vấn đề tuy nhiên kết quả đạt được chưa cao và đặc biệt có sự chênh lệch rõ rệt trong độ chính xác đáp ứng về vị trí so với đáp ứng về hướng. 2.2. Xây dựng mô hình mới giải bài toán động học ngược Nguyên nhân cơ bản có thể thấy đó chính là việc xây dựng hàm mục tiêu có chứa cả các thông số định vị lẫn dịnh hướng. Đây là hai bộ thông số mô tả thế của một đối tượng (khâu tác động cuối) đã được hai tác giả Denavit và Hartenberg [16] [17] khéo léo đưa vào cùng một ma trận. Tuy nhiên hai bộ thông số này mang bản chất khác nhau điều này dẫn tới sự ảnh hưởng không đồng đều tới hướng và độ lớn của 9 vector gradient tìm kiếm cực trị hay đồng nghĩa với kết quả đạt được không cao và có sự chệnh lệch rõ rệt trên. Từ những phân tích ở trên, mô hình bài toán tối ưu được xây dựng lại như sau:                    (2-3) Thuật toán GRG là thuật toán hiệu quả để giải bài toán tối ưu (2-3), tuy nhiên các nghiên cứu và tài liệu liên quan phục vụ cho quá trình nắm bắt và thực hiện giải bài toán không nhiều, chính điều này gây ra nhiều khó khăn cho việc xây dựng quy trình tổng thể giải bài toán ngược theo phương pháp đã đề xuất. Cùng với thuật toán GRG, thuật toán SQP cũng được đánh giá là thuật toán có năng lực cao hàng đầu trong vấn đề giải bài toán tối ưu phi tuyến có ràng buộc [27] [28]. Phần dưới đây sẽ giới thiệu thuật toán toàn phương tuần tự (SQP) để thực hiện việc này. 2.3. Thuật toán toàn phương tuần tự 1 2.3.1. Cơ sở về bài toán tối ưu 2.3.2. Cơ sở về thuật toán toàn phương tuần tự 2.3.3. Bài toán phụ toàn phương 2.3.4. Cập nhật ma trận Hessian 2.3.5. Lời giải cho bài toán toàn phương 2.3.6. Thiết lập giải thuật 2.3.7 .Tìm kiếm theo đường 2 và hàm Merit 2.3.8. Thuật toán tổng hợp 10 Thuật toán Toàn phương tuần tự với thủ tục tìm kiếm theo đường được tổng hợp như sau: Lựa chọn các thông số , , thiết lập cặp giá trị khởi tạo của      Đánh giá   ,   ,   ,   If xấp xỉ Quasi-Newton được sử dụng Tính toán ma trận Hessian xấp xỉ   (2-13) else Tính toán      End if Repeat ( điều kiện hội tụ thỏa mãn) Tính toán   bằng cách giải phương trình (2-11) Tính toán nhân tử lagrange tương ứng   Gán       Lựa chọn   với giả thiết (18.36) và  Gán    While                                   Gán       với    End While Gán         ;         Đánh giá   ,   ,   ,   , (và      If xấp xỉ Quasi-Newton được sử dụng                         End if Tính toán   bằng cách cập nhật   sử dụng công thức (2-13) End Repeat Kết luận [...]... được 20 hoàn toàn có thể áp dụng cho các robot đòi hỏi khắt khe nhất về độ chính xác thao tác Phương pháp KD hoàn toàn có thể sử dụng trong các thiết kế mới về robot công nghiệp 21 KẾT LUẬN CHUNG Luận văn đã đưa ra giải pháp nâng cao độ chính xác kết quả bài toán động học ngược trong robot công nghiệp bằng phương pháp tối ưu Kết quả của luận văn được thể hiện trong các vấn đề đã giải quyết được như... điều này chính là cơ sở cho việc nâng cao độ chính xác kết quả bài toán động học ngược trong robot công nghiệp Trong chương này, thuật toán SQP cũng được trình bày làm cơ sở giải mô hình tối ưu được đề xuất 11 CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ Mở đầu Nhằm đánh giá năng lực của mô toán (2-3) trong việc giải bài toán động học ngược của robot và khả năng ứng dụng vào trong sản phẩm thực chương này... nhân cơ bản gây ra độ chính xác thấp và sự chênh lệch độ chính xác đáp ứng về vị trí và hướng của lời giải bài toán động học ngược theo mô hình tối ưu đã được đề xuất trước đó Từ đó đưa ra phương pháp KD nhằm khác phục các nhược điểm trên Kết quả thống kê lời giải bài toán ngược trên mô hình robot thực đã chỉ ra rằng phương pháp KD giải bài toán động học ngược trong robot với độ chính xác về hướng và... phương pháp giải bài toán động học ngược của robot công nghiệp, tác giả đề xuất đặt tên cho phương pháp giải bài toán động học ngược cho robot dựa trên mô hình toán (2-3) là “King of Dragon” Các giải thuật được so sánh với nhau dưa trên các tiêu chí được liệt kê trong bảng 3.7 Bảng 3.8: Bảng so sánh các phương pháp giải bài toán động học ngược Tiêu chí PP SV RR TM IT NR LL Hội tụ trong miền Có Có Có... khép kín trong việc giải bài toán động học ngược với một robot thực, từ việc xây dựng dữ liệu đến việc thiết lập mô hình bài toán tối ưu và giải thuật phục vụ giải bài toán tối ưu đó 3 Đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp nổi bật trong lĩnh vực động học ngược của robot công nghiệp, khẳng định phương pháp KD có ưu thế hơn hẳn so với các phương pháp khác trong các tiêu chí khảo sát Các kết quả nghiên... với kết cấu robot bất Không Có Có Có Không Có Có kỳ Đưa ra phương án tối ưu khi ngoài Không Không Không Không Không Không Không vùng làm việc KD Có Có Có Có Có Kết luận Từ những phân tích và kết quả tính toán thực tế đã chứng minh được năng lực của phương pháp KD trong việc giải bài toán động học ngược của robot Phương pháp có thể đưa ra lời giải nhanh chóng với độ chính xác cao, Với độ chính xác đạt... một sơ đồ gia công trong thực tế sản xuất, xây dựng mô hình mô phỏng và giải bài toán động học ngược cho robot 3.1 Thiết lập mô hình tính toán mô phỏng 3.1.1 Đối tượng khảo sát Trong luận văn tác giả chọn robot IRB 2400 của hãng ABB làm đối tượng nghiên cứu Đây là dòng robot được ưa chuộng nhất trên toàn thế giới [38] .Robot này kết hợp các công nghệ tối ưu để đạt được hiệu quả tối đa trong các ứng... trúc lại bài toán tối ưu cho việc giải bài toán động học ngược, đã khắc phục đươc sự mất cân đối khi tồn tại trong cùng một hàm mục tiêu các hàm mô tả vị trí và hàm mô tả về hướng Các hàm này mang bản chất khác nhau do đó có ảnh hưởng tới độ chính xác kết quả khi giải theo mô hình cũ Mô hình bài toán tối ưu mới (2-3) đã tách rời hai yếu tố đó thành các hàm mục tiêu và hàm ràng buộc, điều này chính là... của luận văn, tác giả sử dụng 18 hai giải thuật có năng lực tốt đó là GRG và SQP để giải [28] [27] giải bằng giải thuật GRG được xây dựng trên chương trình Excel (phụ lục A), giải thuật SQP được lập trình tính toán trên Matlab (Phụ lục B) Tất cả các thông số kỹ thuật được trình bày trên cùng một đồ thị giúp cho dễ dàng hơn trong phân tích kết quả thu được 3.7 Phân tích kết quả đạt được Trong luận văn, ... ứng với 258 lượt giải bài toán động học ngược Giá trị sai lệch về vị trí và hướng được liệt kê trong bảng (3.7) trong đó sai lệch về hướng của các trục đạt tới , sai lệch về định vị đạt Nhằm đánh giá toàn diện hơn, mục dưới đây sẽ đi so sánh khả năng của phương pháp đã đề xuất với các phương pháp đã được khảo sát trong chương một 3.8 So sánh các phương pháp giải bài toán động học ngược Nhằm thuận tiện . ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP VŨ ĐỨC VƯƠNG NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC KẾT QUẢ BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC TRONG ROBOT CÔNG NGHIỆP TÓM TẮT LUẬN VĂN. pháp giải bài toán động học ngược và một số phương pháp nổi bật trong lĩnh vực này. Vai trò của bài toán động học ngược trong robot công nghiệp Bài toán động học ngược trong robot công nghiệp, . phân tích trên tác giả chọn đề tài luận văn tốt nghiệp là: Nâng cao độ chính xác kết quả bài toán động học ngược trong robot công nghiệp Về mặt khoa học đề tài thuộc vào nhóm đảm bảo thông