Bộ điều khiển Paralel robot
Bộ ĐIềU KHIểN PARALLEL ROBOT KS. Từ Diệp Công Thành, PGS. TS. Đặng Văn Nghìn Bộ Môn Cơ Điện Tử, Khoa Cơ Khí, Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Email: tdcthanh@dme. hcmut. edu. vn Tóm tắt Khác với loại Robot nối tiếp (Serial Robot), Robot song song (Parallel Robot) có những u điểm vợt trội nh độ cứng vững, khả năng thay đổi vị trí và định hớng linh hoạt, độ chính xác và ổn định cao, v. v đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Bài báo giới thiệu loại Robot song song - Parallel Robot có cấu trúc khép kín đợc tạo bởi 6 chân và điều khiển độc lập. Tuy nhiên nếu dùng những phơng pháp điều khiển thông thờng thì tính đáp ứng của robot sẽ chậm. ở đây, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu về bộ điều khiển song song kết hợp với giải thuật điều khiển song song để làm tăng tính đáp ứng và linh hoạt cho Robot. Abstract Different from many Serial Robots, Parallel Robot has some advantages such as: rigidity, changing position ability and flexible navigation, accuracy and high stability . They are applied in a lot of fields. The Paper introduce the Parallel Robot with closed-loop structure constructed by 6 dof and controlled independently. However, if we use the control medthod as usual the respond of robot will slow. Hereby, we talk about the research results about the Parallel Controller compacted with Parallel Algorithm in order to increase the respond and flexibility for Robot. 1. ĐặT VấN Đề Ngày nay, các kỹ thuật Robot với sự hỗ trợ của máy tính đã đáp ứng đợc độ chính xác cao, thời gian thu nhận và xử lý các tín hiệu nhanh chóng, tin cậy, đã làm tăng năng suất lao động, hạn chế các tai nạn và độc hại cho con ngời, v. v . Tuy nhiên với loại Serial Robot hiện nay trong rất nhiều lĩnh vực đã bộc lộ rõ những nhợc điểm nh tính linh hoạt thấp, tốc độ xử lý và khả năng đáp ứng không cao, độ cứng vững cũng nh tính chính xác cha đảm bảo. Để khắc phục phần nào các khuyết điểm trên một loại Robot mới ra đời đó là Parallel Robot. Serial Robot là loại Robot liên tiếp có kết cấu hở đợc liên kết với các khâu động học và đợc điều khiển tuần tự hoặc song song. Khác hẳn với Serial Robot, theo J-P. Merlet, Parallel Robot là cơ cấu vòng kín trong đó khâu tác động cuối đợc liên kết đến nền bởi ít nhất hai chuỗi động học độc lập. Trên hình 1 giới thiệu một loại Parallel Robot . Hình 1: Một loại Parallel Robot Do nhu cầu của thực tế, Parallel Robot đã phát triển theo nhiều hớng khác nhau nh: - Theo bậc tự do Parallel Robot có thể có 3, 4, 5 hoặc 6 bậc tự do. - Theo vận tốc dịch chuyển có các loại vận tốc trung bình và vận tốc cao (v /5m/s) và còn nhiều kiểu phân loại khác nữa. Tuy nhiên nhìn chung tất cả các loại Parallel Robot đều có những u điểm nh: khả năng chịu tải cao, gia tốc lớn, độ cứng vững cơ khí cao, khối lợng động thấp, tần số riêng cao, kết cấu đơn giản và các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền Với những u điểm trên, Parallel Robot đã đợc ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực nh: Y học, thiên văn học, trắc địa, các máy công cụ, v.v. Parallel Robot là chuỗi nhiều khâu khép kín cho nên nó hết sức đa dạng và điều khiển rất phức tạp, để thực hiện một tác động điều khiển cho khâu động học cuối, các khâu động học phải đợc điều khiển đồng thời. Đây là một đòi hỏi khó khăn cho thiết kế bộ điều khiển. 2. Bộ ĐIềU KHIểN SONG SONG Nh đã giới thiệu, để thực hiện việc điều khiển cho Parallel Robot, cần có một bộ điều khiển sao cho đảm bảo đợc tính đồng thời, khả năng nhớ và quản lý từng khâu động học độc lập. ở đây, chúng tôi giới thiệu một bộ điều khiển dùng cho Parallel Robot có 6 bậc tự do (hình 2). Hình 2: Sơ đồ khối của bộ điều khiển Parallel Robot Bộ điều khiển Parallel Robot là hệ thống phức tạp, gồm một tập hợp các phần tử xử lý độc lập liện lạc với nhau bằng cách trao đổi các thông tin. Mỗi một bộ xử lý độc lập sẽ thực hiện một loạt các chỉ thị của chính nó và làm việc trên một tập các dữ liệu riêng biệt. Giới thiệu các phơng pháp điều khiển song song Các nghiên cứu đã đợc triển khai nhằm tìm kiếm phơng pháp tạo ra những chơng trình có thể thực thi đồng thời trên những chơng trình song song. Các nghiên cứu triển khai việc song song hoá có thể đợc phân thành 4 mức : Máy tính Khối điều khiển trung tâm Khối điều khiển đ ộng học khâu 1 Khối điều khiển đ ộng học khâu 2 Khối điều khiển đ ộng học khâu 3 Khối điều khiển đ ộng học khâu 4 Khối điều khiển đ ộng học khâu 6 Khối điều khiển đ ộng học khâu 5 Khối mạch khuếch đ ại công suất - ở mức ứng dụng: Các chơng trình đợc thực thi đồng thời trên những bộ xử lý khác nhau hoặc những máy khác nhau và có thể có sự trao đổi thông tin lẫn nhau. Chúng thực hiện việc phân phối các ứng dụng cho các bộ xử lý theo không gian và thậm chí theo thời gian. ở mức này, mỗi chơng trình ứng dụng vẫn thực thi tuần tự. - ở mức chơng trình: Ngời lập trình sẽ tìm kiếm giải thuật có thể thực thi đồng thời cho vấn đề cần giải quyết. Do đó, trách nhiệm song song hoá chơng trình sẽ do ngời lập trình thực hiện. Bằng t duy của con ngời cũng nh tùy theo đặc thù của mỗi bài toán, ngời lập trình có thể tìm ra cách thức song song hoá khác nhau sao cho chơng trình có thể thực thi đồng thời một cách hiệu quả nhất. - ở mức phát biểu: Chơng trình dịch sẽ đảm nhiệm vai trò song song hoá chơng trình. Nó sẽ tìm kiếm trong một chơng trình tuần tự từ những khả năng song song hoá, thực hiện các biến đổi để tạo ra mã chơng trình song song, sinh thêm các mã đồng bộ và trao đổi thông tin. u điểm chính của mức này là khó khăn của ngời lâp trình đợc giảm nhẹ và chơng trình có tính linh hoạt và có thể áp dụng trên những mô hình máy khác nhau vì chơng trình dịch sẽ thực hiện việc tạo mã thích hợp cho mô hình máy mà nó đang dịch sang. - ở mức lệnh máy: Các bộ xử lý sẽ tìm cách thực hiện nhiều lệnh máy đồng thời theo các cơ chế khác nhau. Qua phân tích khả năng công nghệ và tính kinh tế, chúng tôi lựa chọn phơng pháp giả lập song song từ máy tính ở mức chơng trình. Thiết kế bộ điều khiển song song Bộ điều khiển song song đợc thiết kế dựa trên giải thuật giả lập song song từ máy tính và giao tiếp với máy tính thông qua Slot chuẩn ISA. Từ đó để đảm bảo tính nhớ và khả năng quản lý các khâu động học độc lập thì ứng với từng khâu yêu cầu phải có địa chỉ riêng, ngoài ra phải có khả năng mở rộng port điều khiển và giám sát quá trình điều khiển. Chúng tôi đã lựa chọn IC 8255 làm nhiệm vụ quản lý và lập trình điều khiển cũng nh xác định 6 địa chỉ port và điều khiển cho các khâu động học (hình 3). Hình 3: Bộ điều khiển Parallel Robot 3. GIảI THUậT ĐIềU KHIểN GIả LậP SONG SONG Trên các hệ thống lập trình song song, khi thiết kế cần phải đảm bảo các đặc tính nh: khả năng mở rộng (scalability), khả năng hoạt động cục bộ (locality) và có tính module (modularity). - Tính đồng thời là khả năng thực hiện nhiều hành động đồng thời, thực chất là để chơng trình thi hành cùng lúc trên nhiều processor. VCC PA11 PA12 PA13 PA14 PA15 PA16 PA17 PA18 PB11 PB12 PB13 PB14 PB16 PB17 PB18 PC11 PC12 PC13 PC14 PC15 PC16 PC17 PC18 PA31 PA32 PA33 PA34 PA35 PA36 PA37 PA38 PB31 PB32 PB33 PB34 PB3 5 PB36 PB37 PB38 PC31 PC32 PC33 PC34 PC35 PC36 PC37 PC38 PA61 PA62 PA63 PA64 PA65 PA66 PA68 PB61 PB62 PB63 PB64 PB6 7 PB68 PC61 PC64 PC65 PC66 PC67 PC68 PA67 PB55 PC56 PA27 PA23 PA58 PA57 PA51 PB28 PB24 PA25 PC51 PB52 PA54 PC27 PC25 PB26 PC53 PA56 PB21 PC22 PC24 PB58 PB54 PC55 PB56 PA22 PC57 PB23 PA24 PB57 PB51 PA53 PB25 PA26 PC58 PC52 PB53 PA55 PC28 PC26 PB27 PC54 PA28 PA21 PC21 PB22 PA52 PC23 PA21 PC28 PA25 PB15 PC22 PB22 PA23 PA22 PB23 PA24 PC21 PB24 PA27 PA26 PC26 PB21 PC23 PA28 PC27 PB25 PB26 PB28 PB27 PC25 PC24 PB6 5 PB66 PC62 PC63 PA14 PA15 PA11 PA16 PC14 PA17 PA18 PB11 PC16 PC18 PB18 PA12 PB12 PB16 PC13 PC15 PB15 PB17 PB13 PC17 PC11 PA13 PB14 PC12 PA31 PC33 PB34 PC36 PA32 PA34 PA35 PB35 PC31 PA36 PC34 PC35 PA38 PB32 PB33 PB36 PC37 PA37 PB31 PC32 PC38 PA33 PB37 PB38 PA58 PC53 PC58 PC56 PC52 PB56 PB55 PC55 PB57 PC51 PB58 PC54 PC57 PC62 PA41 PC63 PA42 PA65 PB62 PB43 PA63 PB66 PC66 PB45 PA67 PA68 PC65 PB65 PB64 PB63 PB46 PA61 PC67 PB61 PC47 PB67 PC61 PA62 PC64 PC68 PA64 PA66 PB68 PB54 PB51 PA56 PB53 PB52 PA57 PA54 PA52 PA55 PA53 PC45 PC46 PB41 PC42 PC43 PA46 PB44 PA44 PB48 PB45 PB48 PA45 PB47 PB46 PC44 PC48 PB42 PC41 PC44 PB47 PC46 PA47 PC42 PC47 PC48 PA48 PA41 PC41 PB43 PA43 PC43 PC45 PA42 PB41 PA47 PA43 PB44 PA46 PB42 PA48 PA44 PA45 D1 D1 D4 D3 D7 D5 D7 D4 D5 D0 D6 D2 D3 D0 D6 D2 A7 A8 A5 A6 A9 U1 8255 34 33 32 31 30 29 28 27 4 3 2 1 40 39 38 37 18 19 20 21 22 23 24 25 14 15 16 17 13 12 11 10 26 7 5 36 9 8 35 6 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 VCC GND RD WR A0 A1 RESET CS U8A 74HC00 1 2 3 74HC00 9 10 8 U2 8255 34 33 32 31 30 29 28 27 4 3 2 1 40 39 38 37 18 19 20 21 22 23 24 25 14 15 16 17 13 12 11 10 26 7 5 36 9 8 35 6 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 VCC GND RD WR A0 A1 RESET CS 74HC00 4 5 6 u5 8255 34 33 32 31 30 29 28 27 4 3 2 1 40 39 38 37 18 19 20 21 22 23 24 25 14 15 16 17 13 12 11 10 26 7 5 36 9 8 35 6 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 VCC GND RD WR A0 A1 RESET CS P1 CONNECTOR DB25 13 25 12 24 11 23 10 22 9 21 8 20 7 19 6 18 5 17 4 16 3 15 2 14 1 R1 10k u3 8255 34 33 32 31 30 29 28 27 4 3 2 1 40 39 38 37 18 19 20 21 22 23 24 25 14 15 16 17 13 12 11 10 26 7 5 36 9 8 35 6 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 VCC GND RD WR A0 A1 RESET CS U7 74HC138 8 15 14 13 12 11 10 9 7 1 2 3 5 4 6 16 GND Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 A B C G2B G2A G1 VCC R2 10k u6 8255 34 33 32 31 30 29 28 27 4 3 2 1 40 39 38 37 18 19 20 21 22 23 24 25 14 15 16 17 13 12 11 10 26 7 5 36 9 8 35 6 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 VCC GND RD WR A0 A1 RESET CS R3 10k R4 10k R5 10k JP1 HEADER 12X2 12 34 56 78 910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 JP2 HEADER 12X2 12 34 56 78 910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 JP6 HEADER 12X2 12 34 56 78 910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 JP3 HEADER 12X2 12 34 56 78 910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 JP5 HEADER 12X2 12 34 56 78 910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 JP4 HEADER 12X2 12 34 56 78 910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 R6 10k P2 CONNECTOR DB25 13 25 12 24 11 23 10 22 9 21 8 20 7 19 6 18 5 17 4 16 3 15 2 14 1 74HC688 1 10 19 20 3 5 7 9 12 14 16 18 2 4 6 8 11 13 15 17 OE GND P=Q VCC Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 P0 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 R7 10K SW4 SW DIP-8/SM R8 10k u10 74HC245 2 3 4 5 6 7 8 9 191 18 17 16 15 14 13 12 11 20 10 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 OE DIR B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 VCC GND u4 8255 34 33 32 31 30 29 28 27 4 3 2 1 40 39 38 37 18 19 20 21 22 23 24 25 14 15 16 17 13 12 11 10 26 7 5 36 9 8 35 6 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7 VCC GND RD WR A0 A1 RESET CS PA51 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D2 D1 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D0 D3 D4 D5 D6 D7 D2 D1 D3 D5 D6 D7 D0 D2 D1 D4 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D2 D1 CS2 CS1 CS5 CS6 CS4 CS3 CS2CS1 CS5 CS6CS4 CS3 A0 A1 A0 A1 A0 A1 A0 A1 A0 A1 A0 A1 RD RD RD RD RD RD WR WRWR WR WR WR RESET RESET RESETRESET RESET RESET AEN A2 A3 A4 A2 A4 RD WR A02 A03 A04 A05 A06 A07 A08 A09 A1 A0 A3 A5 A6 A7 A8 A9 AEN RD WR RESET VCC GND VCC GND VCC GND VCC GND VCC GND VCC GND VCC GND A09 A05 A06 A07 A04 A03 A02 A08 RD VCC GND VCC VCC GND GND GND VCC GND GND GND GND PA41 PA42 PA43 PA44 PA11 PA12 PA13 PA14 PA21 PA22 PA23 PA24 PA31 PA32 PA33 PA34 PA61 PA62 PA63 PA64 PA51 PA52 PA53 PA54 - Tính mở rộng nhằm đạt đợc vấn đề quan trọng là cài đặt chơng trình một lần, nhng có thể hoạt động trên các hệ thống khác nhau không phụ thuộc vào số processor. Nói cách khác, chơng trình có thể cài đặt mà không quan tâm đến số processor sẽ thi hành. - Tính cục bộ đợc thoả mãn thì chi phí của thuật giải giảm đáng kể bởi việc truy cập đến dữ liệu cục bộ xảy ra thờng xuyên hơn việc truy cập đến dữ liệu ở xa. - Thuộc tính modularity đợc mong đợi giống với sự mong đợi trong lập trình tuần tự. Đây chính là sự phân chia của những thực thể phức tạp thành các thành phần đơn giản hơn. Phơng pháp thiết kế giải thuật giả lập song song có thể đợc xây dựng nhờ một tiến trình thiết kế tổng quát qua 4 giai đoạn riêng biệt : - Sự phân chia: Việc tính toán đợc thực hiện trên những vùng dữ liệu nhỏ hơn và các thao tác đợc đa về thành những nhiệm vụ nhỏ hơn. - Sự thông tin: Xác định các cấu trúc và thuật giải truyền thông giữa các nhiệm vụ để có sự hoạt động phù hợp. - Sự kết hợp: Nhiệm vụ và các cấu trúc truyền thông đơc xác định trong hai giai đoạn đầu đợc đánh giá đối với những yêu cầu của việc thực hiện và chi phí của việc cài đặt. Nếu cần thiết, những nhiệm vụ kết hợp lại để có những nhiện vụ lớn hơn từ đó tăng hiệu suất thực hiện hoăc giảm chi phí của thuật giải. - Sự sắp xếp: Mỗi nhiệm vụ đợc gán đến một processor sao cho tận dụng tối đa số processor và tối thiểu về chi phí truyền thông. Những đặc tính đợc yêu cầu cho việc thiết kế các giải thuật song song và đồng thời 4 giai đoạn trong phơng pháp thiết kế giải thuật giả lập song song là cơ sở cho việc thiết kế chơng trình điều khiển giả lập song song đợc ứng dụng cho mô hình song song Parallel. Robot. Chơng trình điều khiển giải lập song song đợc thiết kế trên những ứng dụng với mỗi mức ứng dụng là một chơng trình điều khiển cho một cơ cấu chấp hành nhằm thực hiện một tác vụ có liên quan, đó là thay đổi chiều dài của các chân nhằm định hớng, vị trí của tấm di chuyển trong không gian. Trình tự các bớc tiến hành cho việc thiết kế chơng trình điều khiển giả lập song song theo cơ chế phân chia thời gian thực nh sau: - Xây dựng mô hình toán học nhằm xác định thời gian thực yêu cầu của từng ứng dụng - Kiểm soát hệ thống các dữ liệu liên quan đến từng mức ứng dụng và đồng thời tổ chức sắp xếp trình tự yêu cầu của mỗi mức ứng dụng - Xác định bit địa chỉ tơng ứng với trình tự yêu cầu của mỗi mức ứng dụng - Tiến hành phân chia khe thời gian tơng ứng với trình tự yêu cầu của mỗi mức ứng dụng, nhằm đáp ứng khả năng song song hoá các chơng trình điều khiển của mỗi mức ứmg dụng. Giải thuật điều khiển giả lập song song đợc trình bày trên hình 4. Hình 4: Giải thuật điều khiển giả lập song song 4. Kết luận Chúng tôi đã triển khai chế tạo bộ điều khiển Parallel Robot và qua quá trình nghiên cứu lý thuyết cũng nh thực hiện một số thử nghiệm bộ điều khiển Parallel Robot hiện đang đợc ứng dụng để điều khiển mô hình HEXAPOD-2001. Kết quả là ban đầu đã chứng tỏ nó có khả năng đảm bảo tính giả lập song song, quản lý đợc các khâu động học độc lập, tính ổn định và nâng cao đợc khả năng đáp ứng thời gian thực trong quá trình điều khiển Parallel Robot. Hớng nghiên cứu phát triển tiếp tục là nâng cao tính ổn định, khả năng đáp ứng thời gian thực và kỹ thuật lập trình giả lập song song của loạI bộ điều khiển này và ứng dụng trong các mô hình Parallel Robot khác hiện đang đợc triển khai tại Bộ môn Cơ Điện Tử Khoa Cơ Khí - Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. TàI LIệU THAM KHảO [1] Trần Nguyên Duy Phơng, Thiết kế và điều khiểnHexapod, Luận án cao học, Đại học Bách Khoa TPHCM 2000. [2] LUNG WEN TSAI - Robot Analysis - Department of Mechanical Engineering and Institute for Systems Research University of Maryland - 1999. [3] T. D. BURTONM, Introduction to Dynamic Systems Analysis, McGraw-Hill, Inc 1994. [4] FRANCIS C. MOON, Applied Dynamics With Applications to Multibody and Mechatronics Systems , John Willey& Sons, Inc 1998. [5] K.S. FU, R.C. GONZALEZ, C.S.G. LEE, Robotics Control, Sensing, Vision, And Intelligene, McGraw-Hill, Inc 1987. [6] LORENZO SCIAVICCO, BRUNO SICILIANO , Modeling And Control of Robot Manipulators, McGraw-Hill, Inc 1996. [7] DEVDAS SHETTY, RICHARD A. KOLK, Mechatronics System Design, PWS Publishing Company, 1997. [8] www.parallemic.org [9] www.hexapod.com