Nghiên cứu điều khiển tối ưu robot ứng dụng trong công nghệ lắp ráp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH VĂN ĐỆ NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU ROBOT ỨNG DỤNG TRONG CƠNG NGHỆ LẮP RÁP NGÀNH: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S K C0 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2004 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH VĂN ĐỆ NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU ROBOT ỨNG DỤNG TRONG CƠNG NGHỆ LẮP RÁP NGÀNH: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2004 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH VĂN ĐỆ NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU ROBOT ỨNG DỤNG TRONG CƠNG NGHỆ LẮP RÁP NGÀNH: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN TIẾN DŨNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 08/2004 LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành Luận văn này, xin chân thành cám ơn : Ban Giám Hiệu trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh Phòng Quản Lý Khoa Học – Quan Hệ Quốc Tế – Sau Đại Học Trường ĐHSPKT Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi thời gian làm Luận Văn Tốt Nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô giảng dạy lớp cao học CKM 2001 – 2003 cho nhiều kiến thức bổ ích Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô khoa khí chế tạo máy cho nhiều ý kiến đóng góp quan trọng thiết thực Lời cảm ơn đặc biệt xin chân thành gửi đến thầy : TS NGUYỄN TIẾN DŨNG, giúp đỡ hướng dẫn tận tình suốt trình thực Luận Văn Tôi xin chân thành cảm ơn Giảng viên phản biện : Thầy TSKH : HỒ ĐẮC LỘC Thầy TS : NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG Đã cho nhiều ý kiến nhận xét đóng góp quý báu Cuối xin cảm ơn quý thầy cô đồng nghiệp trường ĐHSPKT Tp.HCM động viên giúp đỡ suốt trình nghiên cứu Tp.HCM, tháng 08 năm 2004 ĐINH VĂN ĐỆ Trang TÓM TẮT Ngày nay, sử dụng Robot để thay người lónh vực hoạt động sản xuất phát triển mạnh mẽ hết Vậy việc nghiên cứu điều khiển tối ưu Robot quan trọng Điều khiển tối ưu Robot nhằm mục đích giảm tối đa thời gian làm việc, tiêu hao nhiên liệu tổn thất lượng … trình điều khiển thấp mà đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, tính cạnh tranh sản phẩm Điều kiện tiên luận văn : Nghiên cứu điều khiển tối ưu thời gian Robot ứng dụng công nghệ lắp ráp (tiêu chuẩn tác động nhanh) với yêu cầu : - Tổng quan cấu trúc Robot công nghiệp, động học, động lực học Robot bậc tự (4 DOF) - Cơ sở điều khiển Robot - Lý thuyết điều khiển tối ưu - Xây dựng thuật toán tối ưu tác động nhanh (tối ưu thời gian) Trang ABSTRACT Nowadays, utilization of Robot to substitute human in manufacturing activity has been developing very quickly and steadily Thus, the study of robot optimization is very important Control optimization of robot in order to minimum operating time, fuel consumption and energy consumption in control process but still reach technical requirement Prerequisite requirement of the Thesis Study control optimum of time of robot in assembly engineering (fast standard operation) with following requirement - Overview of industrial robot structure, kinematics, dynamics of dof-Robot - Robot Control basis - Theory of optimum control - Construction of optimum fast operating algorithm (optimization of time) Trang MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN TÓM TẮT MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU CHƯƠNG MỞ ĐẦU CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ ROBOT, ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT 1.1.TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC ROBOT 1.2 ĐỘNG HỌC ROBOT 10 1.2.1 Các khái niệm ban đầu : 10 1.2.1.1 Hệ tọa độ: 10 1.2.1.2 Quỹ đạo 11 1.2.1.3 Bài Toán Động Học Thuận 11 1.2.1.4 Bài Toán Động Học Ngược 11 1.2.2.1 Bộ thông số DH 12 1.2.2.2 Thiết lập hệ toạ độ 13 1.2.2.3 Mô hình biển đổi 14 1.2.2.4 Phương trình động học 15 1.3 ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT: 15 1.3.1 Nhiệm Vụ Và Phương Pháp Phân Tích Động Lực Học Robot 15 1.3.2 Vận Tốc Và Gia Tốc 17 1.3.3 Động Năng Tay Máy 18 1.3.4 Thế Năng Tay Máy 18 1.3.5 Mô Hình Động Lực Học Tay Máy 19 CHƯƠNG : CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN ROBOT CÔNG NGHIỆP 20 2.1 THIẾT KẾ QUỸ ĐẠO: 20 2.1.1 Quỹ đạo không gian khớp: 21 2.1.1.1 Chuyển động điểm-điểm: 22 2.1.1.2 Chuyển động theo đường 22 2.1.2.Quỹ đạo không gian công tác: 23 2.2 ĐIỀU KHIỀN CHUYỂN ĐỘNG 23 CHƯƠNG : LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TỐI ƢU 26 3.1 KHÁI NIỆM CHUNG: 26 Trang 3.1.1 Thiết lập toán tối ưu : 26 3.1.2 Xác định algorit điều khiển (hay luật điều khiển) 27 3.1.3 Tổng hợp thiết bị điều khiển tối ƣu: 27 3.2 BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU : 27 3.2.1 Đối Tƣợng Điều Khiển 27 3.2.2 Tiêu chuẩn tối ưu 28 3.2.3 Trạng thái đầu đích điều khiển 28 3.2.4 Lớp Điều Khiển Cho Phép 28 3.3 PHƢƠNG PHÁP BIẾN PHÂN (VARIATIONAL METHOD) 29 3.3.1 Bài tốn 29 3.3.2 Điều kiện cần tối ƣu 29 3.3.3 Thuật tốn để giải tốn 30 3.4 NGUN LÝ CỰC ĐẠI PONTRYAGIN (PONTRYAGINS MAXIMUM PRINCIPLE) : 30 3.4.1 Bài tốn có điểm biên cố định, thời gian điều khiển chƣa cho trƣớc: 31 3.4.2 Bài tốn có điểm biên di động, thời gian chƣa cho trƣớc: 33 3.4.3 Bài tốn với thời gian điều khiển cho trƣớc 34 3.4.4 Bài tốn điều khiển tối ƣu với hệ ơtơnơm 34 3.5 BÀI TOÁN TỐI ƯU TÁC ĐỘNG NHANH 36 3.6 PHƢƠNG PHÁP DỐC NHẤT : 37 3.6.1 Áp dụng trực tiếp 37 3.6.2 Áp dụng với ngun lý pontryagin 38 CHƢƠNG : THUẬT TỐN GIẢI BÀI TỐN TỐI ƢU TÁC ĐỘNG NHANH CỦA ROBOT BẬC TỰ DO ỨNG DỤNG TRONG CƠNG NGHỆ LẮP RÁP 40 4.1 ĐÁP ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC : 40 4.2 THUẬT TOÁN TỐI ƯU : 46 4.2.1 Thuật toán giải theo hàm chất lượng Ricarti : 46 4.2.2 Thuật toán giải tối ưu theo nguyên lý cực đại Pontryagin : 54 4.3 SO SÁNH : 61 CHƯƠNG : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG ĐỀ XUẤT MỞ RỘNG 62 5.1 KẾT LUẬN : 62 5.2 ĐỀ XUẤT HƯỚNG MỞ RỘNG : 62 PHỤ LỤC 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 Trang LỜI GIỚI THIỆU Vào đầu thập niên 20, máy Robot sản xuất sử dụng Ai Cập, Ý số nước Châu Âu khác, đến năm 60, lần Robot ứng dụng hoạt động sản xuất Sau đó, sử dụng nhiều ngành xe Nhật Bản Vào thập niên 70, máy tính đời, đặc biệt máy điều khiển theo chương trình số (CNC) vào thập niên 80 phát triển mạnh mẽ điều khiển Robot chất lượng điều khiển Robot Robot ứng dụng rộng rãi sản xuất : công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, quân sự, thám hiểm, y tế, nơi sản xuất mà : - Môi trường độc hại : có đe dọa đến sức khỏe hay an toàn người, môi trường mà người trực tiếp tham gia : môi trường phóng xạ, độ ồn cao, bụi bặm, nhiệt độ cao, gây thương tật cho người lao động, mang vác nặng v.v… - Những khu vực thao tác sản xuất không nặng nhọc đơn điệu gây nhàm chán thao tác công nhân dễ gây nên phế phẩm - Những khu vực sản xuất mà thời gian phụ lớn, ảnh hưởng đến suất lao động hiệu suất thiết bò - Ở dây chuyền sản xuất tự động, liên tục, yêu cầu số lượng lớn công nhân có trình độ cao, tham gia Robot góp phần giảm chi phí đào tạo thay lao động, không bò động lực lượng lao động Việc nghiên cứu, điều khiển Robot quan trọng Ngày nay, người ta nghiên cứu đến hệ "Robot thông minh" nhằm để thực chức người thật Việc chế tạo Robot, điều khiển vận hành sản xuất việc tất yếu Tuy nhiên, theo xu hướng tiến khoa học kỹ thuật Chúng ta phải tối ưu Robot hoạt động sản xuất mục đích tăng suất mà đảm bảo kỹ thuật Nghiên cứu điều khiển tối ứu thời gian Robot ứng dụng công nghiệp lắp ráp (Theo tiêu chuẩn tác động nhanh - Tối ưu thời gian) phần quan trọng lý thuyết nghiên cứu điều khiển tối ưu robot Trang CHƯƠNG MỞ ĐẦU Trong thời đại nay, việc ứng dụng Robot vào thực tiễn sản xuất để thay người việc phát triển không ngừng Tuy nhiên việc tối ưu hóa trình làm việc Robot việc cấp bách quan trọng hết, mục đích tối ưu Robot hoạt độn g sản xuất tăng suất, giảm giá thành mà đảm bảo yêu cầu kỹ thuật MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN : Luận văn xây dựng thuật toán điều khiển tối ưu Robot bậc tự ứng dụng công nghiệp lắp ráp Vì phải hội đủ yếu tố sau : - Tổng quan cấu trúc Robot công nghiệp - động học, động lực học Robot loại tự : + Cơ sở điều khiển Robot + Lý thuyết điều khiển tối ưu + Xây dựng thuật toán tối ưu tác động nhanh (tối ưu thời gian) GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI : Nghiên cứu điều khiển tối ưu Robot công nghiệp lónh vực khoa học kỹ thuật Do người nghiên cứu phải giải nhiều vấn đề động học, động lực học, điều khiển, điều khiển tối ưu … Điều khiển tối ưu thời gian Robot tảng xây dựng thuật toán điều khiển tối ưu vấn đề quan trọng, nội dung cốt lỏi trình bày luận văn ỨNG DỤNG THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN : Điều khiển tối ưu Robot góp phần nâng cao suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm, đồng thời cải thiện điều lao động Áp dụng điều khiển tối ưu thời gian Robot có ưu điểm sau : - Robot thực quy trình thao tác hợp lý người thợ lành nghề cách ổn đònh suốt thời gian làm việc Vì Robot góp phần nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm Hơn Robot nhanh chóng thay đổi Trang công việc để thích nghi với biến đổi mẫu mã, kích cỡ sản phẩm theo yêu cầu thò trường cạnh tranh - Khả giảm giá thành sản phẩm ứng dụng điều khiển tối ưu thời gian Robot giảm đáng kể chi phí cho người lao động - Việc áp dụng tối ưu Robot làm tăng suất dây chuyền công nghệ, tăng nhòp dây chuyền sản xuất khẩn trương, không thay người Robot người thợ theo kòp chóng mệt mỏi, thực tế suất tăng lên lần - Ứng dụng tối ưu Robot cải thiện điều khiển lao động Đây ưu điểm bật thực tế sản xuất có nhiều người lao động phải làm việc suốt buổi môi trường bụi bặm, ẩm ướt, nóng nực ồn mức cho phép nhiều lần Thậm chí nhiều nơi người lao động cần phải làm việc với môi trường độc hại nguy hiểm đến sức khỏe người, dễ bò cụt chân tay, dễ bò nhiễm chất độc hại, nhiễm sóng điện từ phóng xạ … Trang CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ ROBOT, ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT Nội dung chương trình bày, tổng quan cấu trúc robot, động học động lực học tay máy Phần động học, tìm hiểu hệ tọa độ, quỹ đạo, toán động học thuận, động học nghòch, thông số DH Phần động lực học xác đònh vận tốc, gia tốc, động năng, năng, phương trình động lực học Robot 1.1.TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC ROBOT Upper arm Force arm Shoulder arm Wirst Teach pedant Controller Power soure Manipulater Base Hình 1.1 : Các thành phần Robot công nghiệp Trang Robot công nghiệp gồm thành phần sau đây: - Bộ nhập điều khiển : có nhiệm vụ lưu trữ số liệu, liệu đưa từ điều khiển cầm tay (teach pedant) kích chuyển động ngắt chuyển động Robot - Nguồn lượng : cung cấp nguồn lượng cho điều khiển chấp hành, lượng điện, thủy lực hay khí nén - Bộ phận chấp hành : bao gồm cánh tay bàn kẹp Bàn kẹp có nhiệm vụ nắm giữ chặc vật thể trình Robot chuyển động, phận lại gọi cánh tay Robot công nghiệp 1.2 ĐỘNG HỌC ROBOT 1.2.1 Các khái niệm ban đầu : Về mặt động học, xem Robot chuỗi động hở với khâu cố đònh, gọi giá, khâu động Mỗi khâu động vật rắn tuyệt đối liên kết nối động với nhờ khớp động Để dễ dàng thực việc điều khiển độc lập khớp động, người ta thường sử dụng loại khớp cho phép thực chuyển động tương đối hai khâu liên kết Do đó, khớp động thường sử dụng khớp tònh tiến (khớp trượt) khớp lề (khớp quay) Vì vậy, thông thường cấu Robot có khâu có nhiêu bậc tự hay bậc chuyển động 1.2.1.1 Hệ tọa độ: Để khảo sát chuyển động khâu, ta thường dùng phương pháp hệ tọa độ tham chiếu (reference frame) “Gắn cứng” lên khâu động thứ k hệ trục tọa độ vuông góc (Oxyz)k – gọi hệ tọa độ tương đối, gắn chặt với giá cố đònh hệ trục tọa độ vuông góc (Oxyz) – gọi hệ tọa độ tuyệt đối, hệ tọa độ tham chiếu hay hệ tọa độ sở Ta khảo sát chuyển động khâu tay máy chuyển động điểm thuộc khâu Vậy tọa độ điểm M thuộc khâu Robot, xác đònh bán kính vector rM(0) Với thành phần (hình chiếu) hệ tọa độ sở (Oxyz)0 XM(0), YM(0), XM(0) gọi tọa độ tuyệt đối điểm M rM (K) Tọa độ điểm M thuộc khâu thứ k xác đònh bán kính, với thành phần tương ứng hệ tọa độ (oxyz)0, gắn Trang 10 cứng với xM(k), yM(k), zM(k) gọi toạ độ tương đối điểm Nếu M điểm cố đònh khâu toạ độ tương đối M không thay đổi khâu chuyển động Dưới dạng ma trận ta biểu diễn: rM( 0)  x M0    x Mk         y M0    x M( 0) y M( 0) z M( 0) RM( k )   y Mk    x M( 0) y M( 0) z M( 0)  z M0    z Mk           T (1.1) 1.2.1.2 Quỹ đạo Do Robot chuỗi động hở nhiều nhiều khâu, ta dễõ nhận thấy có nhiều cách phối hợp chuyển động khâu thành viên để làm thay đổi vò trí khâu cuối bên vùng không gian hoạt động Nói cách khác, tùy thuộc vào tập hợp chuyển động, gọi các toạ độ suy rộng, chuyển vò góc khớp quay chuyển vò dài khớp tònh tiến khâu thành viên mà ta có cách khác để đưa khâu tác động cuối đạt tới vò trí hướng mong muốn Gọi q1, q2, …, qn tọa độ suy rộng tương ứng với chuyển động tương đối khâu, ta biểu diễn: XM = XM (q1, q2,…,qn) YM = YM (q1, q2,…,qn) ZM = ZM (q1, q2,…,qn) 1.2.1.3 Bài Toán Động Học Thuận Cho trước cấu quy luật yếu tố chuyển động thể toạ độ suy rộng q ta phải xác đònh quy luật chuyển động điểm khâu tác động cuối điểm khâu tay máy hệ trục toạ độ vuông góc (oxyz)0 (hệ trục tọa độ Descartes) Bài toán động học thuận tay máy có nội dung gần giống toán phân tích động học cấu 1.2.1.4 Bài Toán Động Học Ngược Cho trước cấu quy luật chuyển động điểm khâu tác động cuối (hoặc quy luật chuyển động khâu cuối bao gồm vò trí hướng nó) biểu diễn hệ trục tọa độ vuông góc (oxyz)0, ta Trang 11 phải xác đònh quy luật chuyển động khâu thể thông qua toạ độ suy rộng qi(t) Đôi khi, toán thực tế đặt gần toán tổng hợp động học cấu: nghóa là, toán cho trước yêu cầu quy luật chuyển động khâu cuối; ta phải xác đònh cấu tạo cấu tay máy quy luật chuyển động q, khâu thành viên 1.2.2.1 Bộ thông số DH Dưới trình bày cách xây dựng hệ toạ độ khâu động liên tiếp i i+1 Trường hợp khớp động liên tiếp khớp quay Khớp i khớp tònh tiến Hình 1.2 Các hệ toạ độ khâu động liên tiếp Trang 12 Hình 1.3 : Các hệ toạ độ khâu động liên tiếp có khớp tònh tiến Trước hết xác đònh thông số trục quay khớp động i+1 i : độ dài đường vuông góc chung trục khớp động i+1 i  i góc chéo trục khớp động i+1 i d i khoảng cách đo dọc trục khớp động i từ đường vuông góc chung trục khớp động i+1 trục khớp động i tới đường vuông góc chung khớp động i trục khớp động i-1  i góc đường vuông góc chung nói Bộ thông số gọi thông số Denavit – Hartenbert, viết tắt thông số DH Biến khớp (joint variable) : Nếu khớp động i khớp động quay  i biến khớp Nếu khớp động i tònh tiến di biến khớp Để kí hiệu biến khớp dùng thêm dấu (*) trường hợp khớp tònh tiến xem nằng 1.2.2.2 Thiết lập hệ toạ độ Gốc hệ toạ độ gắn liền với khâu thứ i (gọi gệ toạ độ thứ i) đặt giao điểm hai đường vuông góc chung (i) trục khớp động i+1, trường hợp trục giao gốc hệ toạ độ lấy trùng với giao điểm Trang 13 Nếu trục song song với chọn gốc hệ toạ độ điểm trục khớp động i+1 Trục zi cuả hệ toạ độ thứ i nằm dọc theo trục khớp động i+1 Trục xi hệ toạ độ thứ i nằm dọc theo đường vuông góc chung hướng tứ khớp động i đến khớp động i+1 Trường hợp hai trục giao nhau, hướng trục xi trùng với phương vectơ tích zi  zi-1 , tức vuông góc với mặt phẳng chứa zi , zi-1 1.2.2.3 Mô hình biển đổi Trên sở xây dựng hệ toạ độ với khâu động liên tiếp trình bày, thiết lập mối quan hệ hai hệ toạ độ liên bước sau : Quay quanh trục zi-1 với góc θi Tònh tiến dọc trục zi-1 quảng di Tònh tiến dọc trục xi-1 ( trùng với xi ) đoạn Quay quanh trục xi góc Bốn bước biến đổi biểu tích ma trận sau : Ai = R(z , θi ) Tp ( 0,0,di ) Tp ( , 0, ) R ( x , ) (1.2) Biểu thức (1.2) quan hệ toạ độ i so với toa độ i-1 gọi mô hình DH (DH – model) Cách thiết lập mô hình động học theo kiểu mô hình DH tỏ thuận lợi giải vấn đề học robot, dùng rộng rãi Ngoài tồn vài cách khác để thiết mô hình động học Universal – model, S – model Các ma trận vế phải phương trình (1.2) tính theo công thức Sau thực phép nhân ma trận nói ta có : Ci S i Ai =   0  Si Ci Ci Ci Si Si  Si Si Si Ci Ci  Si  di    ( 1.3) Đối với khớp tònh tiến ( a= ) ma trận Ai có dạng : Ci S i Ai =   0  Si Ci Ci Ci Si Si  Si Si Si Ci Trang 14 0  di   1 (1.4) Đối với khớp quay biến khớp θi , khớp tònh biến khớp di 1.2.2.4 Phương trình động học Ma trận Ti tích ma trận Ai ma trận mô tả vò trí hướng hệ toạ độ gắn liền với khâu thứ i, so với hệ toạ độ cố đònh Trong trường hợp i = n, với n số hiệu hệ toạ độ gắn liền với “Điểm tác động cuối” (E) ta có : Tn = A1A2 …An (1.5) Mặt khác hệ toạ độ “Điểm tác động cuối” mô tả ma trận TE Vì hiển nhiên : TE = Tn (1.6) Hoặc :  nx n  y  nz  0 sx sy ax ay sz az px  p x   Tn  px  1 (1.7) Phương trình (1.7) phương trình động học robot 1.3 ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT: 1.3.1 Nhiệm Vụ Và Phương Pháp Phân Tích Động Lực Học Robot Nghiên cứu động lực học robot giai đoạn cần thiết công việc phân tích tổng hợp trình điều khiển chuyển động Trong nghiên cứu động lực học robot thường giải hai nhiệm vụ sau : - Nhiệm vụ thứ xác đònh mô men lực động xuất trình chuyển động Khi quy luật biến đổi khớp qi(t) xem biết Tính toán lực cấu tay máy việc cần thiết lựa chọn lực động cơ, kiểm tra độ bền, độ cứng vững tin cậy máy - Nhiệm vụ thứ hai xác đònh sai số động tức độ lệch so với quy luật chuyển động theo chương trình Lúc phải khảo sát phương trình chuyển động cấu tay máy, đồng thời xem xét đặc tính động lực động Trang 15 Có nhiều phương pháp nghiên cứu động lực học robot, thường gặp phương pháp động tónh học phương pháp dùng phương trình Lagrange bậc Phương pháp động tónh học xây dựng nguyên lý D’Alembert cho phép xác đònh lực truyền dẫn để thực chuyển động bàn kẹp vật kẹp, đồng thời cho phép xác đònh lực quán tính khớp Phương pháp dùng phương trình lagrange để xây dựng mô hình động học robot phương pháp hiệu thuận tiện cho việc xây dựng thuật toán giải máy tính, trường hợp xét tới tính đàn hồi khâu Dưới áp dụng phương pháp dùng phương trình Lagrange bậc xây dựng mô hình động lực học robot Đồng thời với việc sử dụng mô hình động học kiểu DH (Denavit - Hartenbert) phương trình động lực học robot dạng vectơ ma trận, gọn nhẹ thuận tiện cho việc nghiên cứu giải thích tính toán máy tính Các phương trình động lực học robot thiết lập dựa sở phương trình Lagrange bậc 2: d  L  L   = FMi , i = 1,2,…,n (1.8) dt  qi  q Trong : L – hàm Lagrange L = K – P, (1.9) FMi – động lực, hình thành khớp động thứ i thực chuyển động qi – biến khớp (hoặc toạ độ suy rộng) q i – đạo hạm bậc biến khớp theo thời gian Đồng thời mô tả vò trí tương đối hai hệ toạ độ thứ i (i-1) dùng ma trận Ai viết đầy đủ i-1Ai Dùng ma trận mô tả vò trí trạng thái hệ toạ độ thứ i-1 điểm hệ toạ độ thứ i Các biến khớp qi gọi hệ toạ độ suy rộng thông số dòch chuyển khớp động robot Vò trí điểm tác động cuối robot hoàn toàn xác đònh biến khớp qi Trong trường hợp khớp quay qi trùng với góc quay θi khớp, đối vối khớp tònh tiến qi trùng với độ tònh tiến di khớp Trang 16 1.3.2 Vận Tốc Và Gia Tốc Để xây dựng mô hình động lực học robot dùng phương trình Lagrange 2, cần biết điểm máy Theo (6) ta có : Vận tốc robot : vi  vi = Ai … i-1 d dt i  r i = d dt   Ai i ri = = A i 1A2 … i-1 Aiiri + Ai1 A i … i-1 Airi + … + i A i ri + Ai ri   Ai  i q i  ri  j 1 q j  i vi =   ( 1.10) Đạo hàm ma trận i-1Ai biến khớp qi dễ dàng xác đònh theo công thức sau : d i 1 Ai i 1  Di Ai dqi (1.11) Trong khớp quay : 0  1 Di   0  0 0 0 0 0  0 (1.12) khớp tònh tiến : 0 1 Di   0  0 0 0 0 0 0 1  0 0 (1.13) Trong trường hợp i = 1,2,… , n ta có :  Ai  A1 A2 .A j 1 A j Ai1 Ai   q j q j Trong ma trận bên vế phải có A theo (1.11 ) ta có : dA j  Ai  A1 A2 A j 1 Ai 1 Ai q j dq j Với Dj tính theo ( 1.12 ) ( 1.13 ) Trang 17 (1.14) j phụ thuộc vào qj , (1.15)  Ai  A1 A2 A j 1 D j A j Ai 1 Ai q j (1.16) Phương trình (1.16 )mô tả thay đổi vò trí điểm khâu thứ i gây nên dòch chuyển khớp động thứ j Kí hiệu vế trái (1.16 ) Uij đơn giản hoá cách viết (1.16) sau : Aj-1Djj-1Ai Nếu j  I Uij = (1.17) Nếu j >i Vậy Công thức (1.10) viết lại là:  i  Vi  U ij q i  i ri ,  j 1  (1.18) Tiếp theo , từ biểu thức (1.10) xác đònh gia tốc : i i  dVi  i  Ai  Ai     q j   q s q k  i ri , a= dt s 1 k 1 q s q k  j 1 q s  (1.19) 1.3.3 Động Năng Tay Máy Động toàn cấu robot tổng số động khâu động Theo (6) ta có : n K   Ki  i 1 1 n i i  i 1 p 1 r 1  i i  Tr U ip J i U irT q p q r     i 1  p 1 r 1  n TrU   J U irT q p q r ip i 1.3.4 Thế Năng Tay Máy Theo (6) ta Pi khâu i: (1.20) Pi = - m i g ri  m i g 0 A i ri  i=1,2,…,n Trong i ri ri -bán kính véctơ biểu diễn trọng tâm khâu i hệ toạ độ g – véctơ gia tốc trọng trường, g = (0,0,-g,0) (gia tốc trọng trường g=9.80062 m/s2) Thế toàn cấu n khâu động : n n i 1 i 1 P   Pi   mi g ( Ai ri ) i Trang 18 (1.21) [...].. .công việc để thích nghi với sự biến đổi mẫu mã, kích cỡ của sản phẩm theo yêu cầu của thò trường cạnh tranh - Khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng điều khiển tối ưu về thời gian của Robot vì giảm được đáng kể chi phí cho người lao động - Việc áp dụng tối ưu Robot làm tăng năng suất dây chuyền công nghệ, vì nếu tăng nhòp dây chuyền sản xuất khẩn trương, nếu không thay thế con người bằng Robot. .. Tích Động Lực Học Robot Nghiên cứu động lực học robot là giai đoạn cần thiết trong công việc phân tích cũng như tổng hợp quá trình điều khiển chuyển động Trong nghiên cứu động lực học robot thường giải quyết hai nhiệm vụ sau đây : - Nhiệm vụ thứ nhất là xác đònh mô men và lực động xuất hiện trong quá trình chuyển động Khi đó quy luật biến đổi của khớp qi(t) xem như đã biết Tính toán lực trong cơ cấu tay... Manipulater Base Hình 1.1 : Các thành phần cơ bản của Robot công nghiệp Trang 9 Robot công nghiệp gồm các thành phần cơ bản sau đây: - Bộ nhập điều khiển : có nhiệm vụ lưu trữ các số liệu, dữ liệu được đưa từ bộ điều khiển cầm tay (teach pedant) kích chuyển động và ngắt chuyển động Robot - Nguồn năng lượng : cung cấp nguồn năng lượng cho bộ điều khiển và bộ chấp hành, có thể là năng lượng điện, thủy... thế con người bằng Robot thì người thợ không thể theo kòp hoặc rất chóng mệt mỏi, thực tế năng suất tăng lên trên 3 lần - Ứng dụng tối ưu Robot cải thiện điều khiển lao động Đây là ưu điểm nổi bật nhất trong thực tế sản xuất có rất nhiều người lao động phải làm việc suốt buổi trong môi trường rất bụi bặm, ẩm ướt, nóng nực hoặc ồn ào quá mức cho phép nhiều lần Thậm chí ở nhiều nơi người lao động cần... giữ chặc vật thể trong quá trình Robot chuyển động, bộ phận còn lại gọi là cánh tay của Robot công nghiệp 1.2 ĐỘNG HỌC ROBOT 1.2.1 Các khái niệm ban đầu : Về mặt động học, có thể xem Robot là một chuỗi động hở với một khâu cố đònh, gọi là giá, và các khâu động Mỗi khâu động là một vật rắn tuyệt đối được liên kết hoặc nối động với nhau nhờ các khớp động Để dễ dàng thực hiện việc điều khiển độc lập các... phương trình động lực học của robot ở dạng vectơ ma trận, rất gọn nhẹ và thuận tiện cho việc nghiên cứu giải thích và tính toán trên máy tính Các phương trình động lực học của robot được thiết lập dựa trên cơ sở phương bằng trình Lagrange bậc 2: d  L  L   = FMi , i = 1,2,…,n (1.8) dt  qi  q Trong đó : L – hàm Lagrange L = K – P, (1.9) FMi – động lực, hình thành trong khớp động thứ i khi... đònh lực quán tính trong các khớp Phương pháp dùng phương trình lagrange để xây dựng mô hình động học robot cũng là phương pháp hiệu quả và thuận tiện cho việc xây dựng thuật toán giải trên máy tính, cả đối với trường hợp xét tới tính đàn hồi của các khâu Dưới đây áp dụng phương pháp dùng phương trình Lagrange bậc 2 xây dựng mô hình động lực học của robot Đồng thời với việc sử dụng mô hình động học... CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ROBOT, ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT Nội dung chương này trình bày, tổng quan về cấu trúc robot, động học và động lực học tay máy Phần động học, tìm hiểu hệ tọa độ, quỹ đạo, bài toán động học thuận, động học nghòch, bộ thông số DH Phần động lực học xác đònh vận tốc, gia tốc, động năng, thế năng, phương trình động lực học Robot 1.1.TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC ROBOT Upper arm Force arm... đầy đủ hơn là i-1Ai Dùng ma trận này có thể mô tả vò trí trạng thái trong hệ toạ độ thứ i-1 của một điểm bất kỳ trong hệ toạ độ thứ i Các biến khớp qi hoặc còn gọi là hệ toạ độ suy rộng là bộ các thông số dòch chuyển của các khớp động của robot Vò trí của điểm tác động cuối của robot hoàn toàn được xác đònh bởi bộ biến khớp qi này Trong trường hợp khớp quay thì qi trùng với góc quay θi của khớp, còn... chọn lực động cơ, khi kiểm tra độ bền, độ cứng vững và tin cậy của máy - Nhiệm vụ thứ hai là xác đònh các sai số động tức là độ lệch so với quy luật chuyển động theo chương trình Lúc này phải khảo sát các phương trình chuyển động của cơ cấu tay máy, đồng thời xem xét các đặc tính động lực của động cơ Trang 15 Có nhiều phương pháp nghiên cứu động lực học của robot, nhưng thường gặp hơn là phương pháp ... Nghiên cứu điều khiển tối ứu thời gian Robot ứng dụng công nghiệp lắp ráp (Theo tiêu chuẩn tác động nhanh - Tối ưu thời gian) phần quan trọng lý thuyết nghiên cứu điều khiển tối ưu robot Trang... động lực học, điều khiển, điều khiển tối ưu … Điều khiển tối ưu thời gian Robot tảng xây dựng thuật toán điều khiển tối ưu vấn đề quan trọng, nội dung cốt lỏi trình bày luận văn ỨNG DỤNG THỰC TIỄN... dựng thuật toán tối ưu tác động nhanh (tối ưu thời gian) GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI : Nghiên cứu điều khiển tối ưu Robot công nghiệp lónh vực khoa học kỹ thuật Do người nghiên cứu phải giải nhiều