đề tài nghiên cứu, mô phỏng sự tương tác của robot với môi trường làm việc thông qua một mẫu robot tự thiết kế, chế tạo và tích hợp

1 Tổng quan 1.1 Đặt vấn đề 1.1.1 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng nước Ngoài nước: Khoa học Robot phát triển toàn giới với số lượng lớn chuyên gia làm việc nhiều lĩnh vực Sự phân chia lớn chuyên gia làm việc với tay máy chuyên gia làm việc với hệ thống vision Trước đó, hệ thống vision đánh giá có nhiều hứa hẹn phương pháp khác để giúp Robot cảm nhận môi trường Vision hữu dụng cho việc định hướng tìm đường, xác định vị trí đối tượng tự xác định vị trí hướng tương đối Robot môi trường, tạo điều kiện cho Robot có khả tương tác với môi trường là: tránh vật cản, tránh điểm kỳ dị, Tuy nhiên điều thường không đủ ứng dụng lắp ráp chi tiết Robot làm việc có lực liên kết môi trường Dẫn tới cần phải đo lực mômen phát sinh môi trường lên Robot sau sử dụng kết đo đạc để điểu khiển ứng xử Robot Trong công nghiệp, việc sử dụng điều khiển lực cho Robot tụt hậu so với nghiên cứu phát triển lĩnh vực Sự thật lúc điều khiển lực mức cao hữu dụng cho vấn đề tay máy thao tác nói chung, vấn đề đặc biệt môi trường công nghiệp bị hạn chế, điều khiển lực thường quan tâm có giới hạn, điều khiển lực Trong nhiều thập niên gần đây, nghiên cứu Robot học mở rộng từ lĩnh vực trung tâm nghiên cứu thiết bị Cơ điện tử trở thành lĩnh vực liên ngành rộng lớn nhiều Ví dụ khoa học Robot dạng người cần giải tương tác người máy thông minh phát triển mạnh Các khái niệm cảm xúc Robot người quan tâm nghiên cứu kết hợp với lĩnh vực trước sinh lý học người, sinh vật học người để tạo thành xu nghiên cứu Robot Trong nước: Tại Việt Nam nay, việc nghiên cứu ứng dụng Robot quan tâm nhiên hạn chế Nhiều sở nghiên cứu Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Cơ học, Viện Công nghệ thông tin nghiên cứu, chế tạo số Robot mẫu đưa vào ứng dụng số lĩnh vực công nghiệp Robot công nghiệp nghiên cứu nhìn chung dừng việc đưa mô hình tìm thuật toán giải toán động lực học cho Robot phục vụ điều khiển chuyển động mà chưa tự chủ động trình thiết kế chế tạo Robot đáp ứng yêu cầu cụ thể Các vấn đề quan tâm giới nhằm nâng cao kỹ độc lực học khả ứng xử thông minh giống người cho Robot chưa có điều kiện để nghiên cứu sâu Việt Nam như: vấn đề tránh vật cản, tránh điểm kỳ dị Robot, … đặc biệt vấn đề tương tác lực Robot với môi trường trình thực nhiệm vụ chuyển động 1.1.2 Ý nghĩa việc phân tích tương tác Robot với môi trường Môi trường yếu tố bên có ảnh hưởng qua lại tới hoạt động Robot Sự ảnh hưởng qua lại tương tác Robot với môi trường tuỳ theo đặc thù công việc Robot mà tương tác ràng buộc vị trí, vận tốc, gia tốc, ràng buộc lực, ràng buộc khoảng cách, ràng buộc nhiệt độ, ràng buộc áp suất, … Nghiên cứu điều khiển lực cho Robot phát triển từ thập niên trước Đây vấn đề quan tâm rộng lớn thúc với mong muốn chung cung cấp khả ứng xử cảm nhận nâng cao giống người cho hệ thống Robot Các Robot sử dụng phản hồi lực, tiếp xúc, khoảng cách, hình ảnh mong đợi tự vận hành môi trường có cấu trúc chưa xác định khác với Robot công nghiệp truyền thống Thực tiễn cho thấy rằng, sử dụng chiến lược điều khiển chuyển động để điều khiển tương tác Robot với môi trường trở thành không đủ cho nhiều ứng dụng Về xu thế, việc tìm kiếm giải vấn đề điều khiển lực bước tiến cách mạng thời kỳ vấn đề điều khiển chuyển động 1.2 Mục đích luận án  Nghiên cứu xây dựng phương pháp luận cho việc mô phỏng, phân tích lực tương tác Robot với môi trường nhiều ứng dụng  Xây dựng sở khoa học cho thiết kế chiến lược điều khiển lực tương tác Robot với môi trường  Ứng dụng kết đạt vào trình thiết kế, chế tạo tích hợp, điều khiển Robot tay máy bậc tự phục vụ đào tạo nghiên cứu chuyên sâu vấn đề Robot công nghiệp 1.3 Nội dung nghiên cứu luận án Nội dung báo cáo luận án tổ chức theo phần sau:  Phần tổng quan: Luận án trình bày lịch sử phát triển Robot tay máy nói riêng Robot nói chung bao gồm: điểm bật nghiên cứu lý thuyết liên quan tới động học, động lực học, điều khiển, cảm biến, …; tình hình ứng dụng Robot công nghiệp, đời sống, …; xu nghiên cứu ứng dụng Robot tương lai (nâng cao kỹ động học, động lực học, tự nhận dạng môi trường, tự đưa định ứng xử tình chưa biết trước, thân thiện nhiều khả giống người, …) Một vấn đề quan tâm giới nhằm nâng cao kỹ động lực học Robot tay máy sở khoa học công nghệ để tạo Robot hệ nghiên cứu, phân tích tương tác Robot với môi trường, bao gồm vấn đề điểm kỳ dị tránh điểm kỳ dị ; vật cản tránh vật cản đặc biệt vấn đề tương tác lực Robot với môi trường không gian làm việc Robot - vấn đề trọng tâm mà luận án giải Luận án nêu ý nghĩa việc phân tích lực tương tác Robot với môi trường mang tính thực tiễn Từ nghiên cứu, phân tích tổng quan trên, luận án lựa chọn đưa mục đích mà luận án giải  Phần sở cho nghiên cứu phát triển hệ thống Robot: Từ mục đích luận án đặt ra, luận án trình bày sở quan trọng phục vụ thực luận án Trước tiên để nhấn mạnh liên kết đa ngành Robot, luận án tóm lược lại vấn đề liên quan cần giải cho hệ thống Robot (là sản phẩm điển hình Cơ điện tử) là: vấn đề Cấu trúc, vấn đề Hình học, vấn đề Động học, vấn đề Tĩnh học, vấn đề Động lực học, vấn đề Xây dựng quỹ đạo, Quá trình cảm biến, vấn đề Điều khiển, vấn đề Đánh giá khả hoạt động Robot, vấn đề Thiết kế, vấn đề Căn chỉnh Tiếp theo, để phục vụ trực tiếp cho luận án, luận án trình bày chi tiết sở nghiên cứu, mô phỏng, điều khiển tương tác cho Robot tay máy bao gồm: Cơ sở động học Robot, Phân tích Jacobian cho Robot tay máy Cơ sở động lực học cho phân tích lực tương tác Robot tay máy môi trường (đây phần lý thuyết trọng tâm luận án, luận án bỏ nhiều thời gian cho nghiên cứu, tổng hợp phân tích, tính toán để góp phần xây dựng thành sở này) Với định hướng nghiên cứu, mô phục vụ điều khiển cho Robot, luận án sâu phân tích chiến lược điều khiển lực tương tác Robot môi trường gồm có: phân tích điều khiển chuyển động điều khiển tương tác, chiến lược điều khiển lực tương tác bị động, chiến lược điều khiển lực tương tác chủ động, chiến lược điều khiển lai ghép lực/chuyển động, đưa dạng mô hình tương tác phục vụ việc xây dựng mô hình nhiệm vụ tương tác lực Cuối cùng, để thực thi phần việc mô hình, mô phỏng, tính toán đối tượng Robot cụ thể, luận án giới thiệu công cụ Matlab/Simulink mà luận án sử dụng để xây dựng mô hình, thuật toán Động học, Động lực học, Điều khiển, viết chương trình tính toán, mô phỏng, điều khiển phục vụ việc nghiên cứu, phân tích lực tương tác Robot với môi trường  Phần Robot tay máy bậc tự - eRobot: Luận án giới thiệu cấu trúc, chức năng, đặc tính kỹ thuật hệ thống Robot tay máy bậc tự – có tên gọi eRobot (education Robot) sản phẩm khoa học công nghệ Đề tài cấp Viện hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam năm 2010-2011 có tên: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo tay máy hàn thử nghiệm định hướng ứng dụng công nghiệp ôtô, xe máy” Các kết nghiên cứu luận án đóng góp phần lớn vào việc xây dựng mô hình, tính toán động học, động lực học mô điều khiển thiết kế chế tạo, tích hợp hệ thống eRobot Những nội dung đóng góp luận án cho hệ thống eRobot bao gồm: kết mô hình động học thuật giải động học thuận, động học ngược cho eRobot phục vụ mô điều khiển chuyển động eRobot; mô hình động lực học, thuật toán động lực học cho tính toán mô lực tương tác khâu thao tác eRobot với môi trường nhiều trường hợp Đây mục đích đặt ban đầu luận án nghiên cứu định hướng ứng dụng, đặc biệt lĩnh vực Robot – Cơ điện tử  Phần kết đạt được: Trình bày cụ thể hóa kết đạt bám sát mục tiêu mà luận án đặt là: nghiên cứu chiến lược điều khiển lực tương tác, xây dựng giải phương trình động lực học có ràng buộc Robot với môi trường; thuật toán viết ngôn ngữ Matlab (dạng m file) động học (tính toán động học thuận, tính toán động học ngược phương pháp giải tích, tính toán động học ngược phương pháp số), động lực học có tương tác Robot với môi trường, xây dựng quỹ đạo, tìm kiếm tránh điểm kỳ dị, tránh vật cản cho Robot; xây dựng viết chương trình giao diện tính toán, phân tích, điều khiển chuyển động, mô lực tương tác eRobot với môi trường nhiều trường hợp viết GUI (Graphic Users Interface) Matlab Các kết thiết kế khí, điều khiển tích hợp eRobot sản phẩm luận án thể phần 3-Robot tay máy bậc tự do-eRobot phần phụ lục Các kết mô hiển thị đồ họa trực quan kiểm chứng thực tế  Phần kết luận chung hướng phát triển: Luận án tổng kết lại kết hoàn thành luận án đề xuất hướng phát triển cho mục đích phát triển hệ thống Robot phục vụ đào tạo nghiên cứu chuyên sâu định hướng ứng dụng 1.4 Kết luận Với mục đích nêu để định hướng lâu dài cho nghiên cứu lý thuyết sau phát triển công nghệ nhằm nâng cao kỹ động lực học Robot sẵn có xây dựng sở cho chế tạo tích hợp Robot hệ mới, luận án xây dựng sở ban đầu cho mô phân tích vấn đề tương tác lực Robot tay máy với môi trường Để phù hợp với đối tượng nghiên cứu, luận án chọn phương pháp nghiên cứu bao gồm nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng, chế tạo mẫu thực nghiệm Trên sở kết nghiên cứu lý thuyết mô phỏng, xác định thông số cho trình thiết kế, chế tạo mẫu, chỉnh Sau đó, kết kiểm chứng thực nghiệm Bên cạnh kiến thức chuyên sâu toán học, học, điều khiển học, công nghệ thông tin, luận án sử dụng kỹ năng, công cụ, kỹ thuật tin cậy trình thực như:  Kỹ thuật lập trình ngôn ngữ Matlab/Simulink với nhiều thư viện tự xây dựng từ nguồn khác  Sử dụng công nghệ đồ hoạ chiều Open GL  Kỹ thuật thiết kế máy công nghệ chế tạo máy  Kỹ thuật thiết kế mẫu máy tính CAD (phần mềm AutoCAD, SolidWorks)  Sử dụng thiết bị điều khiển có độ tin cậy, độ xác cao, thực tốt thuật toán điều khiển phức tạp, có khả điều khiển thời gian thực Cơ sở cho nghiên cứu phát triển hệ thống Robot 2.1 Các vấn đề hệ thống Robot 2.2 Cơ sở nghiên cứu, mô tương tác Robot với môi trường 2.2.1 Cơ sở động học 2.2.1.1 Ma trận cosin hướng 2.2.1.2 Các góc Euler 2.2.1.3 Góc Roll-Pitch-Yaw 2.2.2 Phân tích Jacobian cho Robot tay máy 2.2.2.1 Ma trận biến đổi chuyển động vi phân khâu 2.2.2.2 Ma trận biến đổi vi phân tổng thể 2.2.2.3 Ma trận Jacobian Robot tay máy 2.2.3 Cơ sở động lực học 2.2.3.1 Phương trình Lagrange 2.2.3.2 Tọa độ suy rộng 2.2.3.3 Động 2.2.3.4 Thế 2.2.3.5 Lực suy rộng 2.2.3.6 Phương trình Lagrange loại cho Robot tay máy 2.2.3.7 Động lực học Robot tay máy có tương tác tiếp xúc với môi trường Giả sử khâu thao tác Robot tay máy có tương tác tiếp xúc với môi trường theo phương trình ràng buộc holonom dừng sau   q   , Jacobian ràng buộc J   / q Bổ xung ràng buộc tập hợp lực liên kết, ta thu phương trình sau:   V  G  τ c τ  Mq (2.56) Với điều kiện:   J  q  J q   0, J q   (2.57) Ở τ c véc tơ lực liên kết suy rộng Do liên kết lý tưởng nên ta có: τc   q  q  ker  J  (2.58) Với  q thỏa mãn ràng buộc điểm, q, không gian cấu hình Robot tay máy Do biểu diễn lực liên kết suy rộng tổ hợp tuyến tính cột ma trận JT Và τ c  JT λ , λ véc tơ nhân tử Lagrange chưa biết Lúc phương trình chuyển động Robot sau:   V  G  JT λ τ  Mq (2.59) Phương trình (2.59) thỏa mãn điều kiện (2.57) Từ đây, ta loại bỏ nhân tử Lagrange từ phương trình (2.59) từ việc sử dụng:   V  G   q  τ c  q   τ  Mq (2.60) Với di chuyển ảo phù hợp với ràng buộc, ta thu được:   V  G   q  τ c  q   τ  Mq  q  ker  J  (2.61) Từ (2.58), lực liên kết suy rộng không tạo công ảo dịch chuyển ảo mà phù hợp với ràng buộc Do đó, số hạng τ c q biến khỏi phương trình (2.61) ta thu mối quan hệ trực giao sau:  Mq  V  G  τ   q   q  ker  J  (62) Giả sử biểu diễn dịch chuyển ảo phù hợp với liên kết,  q  ker  J  , theo tối thiểu p (nhỏ nhất) tọa độ độc lập dịch chuyển ảo, q p , sau:  q  C q p (2.63) Sử dụng mối quan hệ (2.63) vào phương trình (2.62), ta có:  C Mq  C V  C G  C τ   q T T T T p 0  q p   p (2.64)    CT V  CT G C τ  C Mq T T   ta biểu diễn lại (2.64) sau: Vì q  Cq p q  Cq p  Cq p  p  Vp  q, q p   G p  q  τ p  M p q  q (2.65) Trong đó, M p  q   CT MC  Vp  q, q p   CT V  CT MCq p G p  q   CT G (2.66) τ p  CT τ Một cách khác không dùng phương trình biến phân (2.60) để có mối quan hệ trực giao tương tự (2.58) sử dụng phương trình biến phân cấp hai, biết đến gia tốc ảo, tới nguyên lý tối thiểu hóa Nguyên lý minh họa Gauss sau nguyên cứu tỉ mỉ Gibbs với dạng sửa đổi Trước tiên biểu diễn dạng biến phân (2.56) sau:    τ  Mq   V  G   q   τ c  q (2.67) Khi quan tâm tới ràng buộc dừng, gia tốc ảo,  q , biến phân tất gia tốc mà phù hợp với ràng buộc thời gian, vị trí, vận tốc cố định Với  q   q  (2.57) ta có:   J  q   J  q     J q (2.68) Phương trình (2.68)  q  ker  J  Với điều kiện phương trình (2.67) bị giới hạn tới gia tốc ảo phù hợp với ràng buộc,    τ  Mq   V  G   q   τ c  q   ker  J   q Sử dụng lại (2.58) ta có: (2.69)  τc   q   ker  J   q (2.70) Do số hạng τ c q biến khỏi (2.69) thu mối quan hệ trực giao sau:  Mq  V  G  τ   q    ker  J   q (2.71) Thỏa mãn phương trình (2.57) Định nghĩa hàm Gauss, G , đo độ lệch trọng số khối lượng gia tốc không bị ràng buộc gia tốc bị ràng buộc sau: T G  q  q*  M q  q*  (2.72) q* gia tốc không bị ràng buộc hệ thống, có nghĩa gia tốc suy rộng mà hệ thống thể mặt ràng buộc, tức là: *  M1  τ  V  G  q (2.73) Tính Gradient G miền q , ta thu được: G  q   q *   Mq   V  G  τ  M q (2.74) Thế (2.74) vào (2.71) ta thu được: G  q   q   ker J    q (2.75) Điều cho thấy nghiệm vấn đề động lực học Robot tay máy có ràng buộc mang lại giá trị ổn định G gia tốc phù hợp với ràng buộc, hay là: G 0   ker J    |  q (2.76) Thỏa mãn (2.57) Điều thể rõ nguyên lý Gauss ràng buộc tối thiểu Các điều kiện yêu cầu gia tốc suy rộng thực, q , dẫn đến giá trị ổn định hàm Gauss, G , phù hợp với ràng buộc Hơn nữa, G dạng toàn phương M ma trận đối xứng xác định dương, nên q phải làm tối thiểu G phù hợp với ràng buộc Từ kết trình bày trên, nhận thấy vấn đề động lực học Robot tay máy có ràng buộc xem vấn đề nhân tử vấn đề tối thiểu hóa hai phát biểu tương đương Điều có nghĩa là, nghiệm vấn đề nhân tử tối thiểu hóa hàm Gauss, G , toàn gia tốc phù hợp với ràng buộc nghiệm vấn đề tối thiểu hóa thỏa mãn phương trình dạng nhân tử Từ ta dẫn tới nghiệm tường minh động lực học Robot tay máy có ràng buộc, sử dụng thêm (2.73) để biểu diễn lại (2.57) (2.59) sau:   q *   J  λ M q   J q  J q  (2.77)  Từ giải (2.77) ta thu nghiệm sau: 1   M1J T J  M1J T  q 1 λ  J  M1J T  Jq*  J q   q* J q  * (2.78)  J  q  Từ phương trình (2.78) cho thấy tương ứng với đối tượng Robot cụ thể biết nhiệm vụ chuyển động Robot không gian khớp ( q* , q * , q* ) thông qua tính toán động học ngược, biết nhiệm vụ tương tác lực trình thực nhiệm vụ chuyển động thông qua ma trận Jacobian ràng buộc J  (cách tính toán J  giới thiệu chi tiết phần tiếp theo), ta hoàn toàn tìm nghiệm q, q , q từ lấy véc tơ nhân tử Lagrange λ phục vụ cho tìm kiếm lực tương tác Robot môi trường 2.3 Cơ sở điều khiển lực tương tác Robot với môi trường 2.3.1 Điều khiển chuyển động điều khiển tương tác Khoa học Robot có hai cấp độ điều khiển: điều khiển chuyển động điều khiển lực Điều khiển chuyển động có sớm phát triển thời gian dài; tiếp cận điều khiển lực có muộn hơn, nhiên điều khiển lực thực thiếu phát triển Robot giai đoạn tiếp theo, đặc biệt cho nhiệm vụ Robot có nhiều yêu cầu khắt khe Để điều khiển chuyển động cho Robot tay máy, thường tìm, xác định mômen khớp để điều khiển khâu tác dụng cuối đảm bảo thực nhiệm vụ theo vị trí hướng mong đợi.Trong trường hợp Robot tương tác tiếp xúc với môi trường, người ta thường sử dụng hai giai đoạn: trước tiên thực biến đổi động học ngược tính toán biến khớp tương ứng với hướng vị trí khâu tác dụng cuối đưa ra, thiết kế điều khiển để đảm bảo khớp thực giá trị tính toán ra-đây gọi chiến lược điều khiển động học Việc sử dụng điều khiển chuyển động ứng dụng Robot thực nhiệm vụ có tương tác với môi trường ta lập kế hoạch xác cho nhiệm vụ Yêu cầu có nghĩa cần phải có mô hình đủ xác Robot (mô hình động học động lực học) môi trường (các đặc điểm hình học 10 học) Mô hình hóa Robot đủ xác, nhiên diễn tả chi tiết môi trường khó đạt xác Khi thực nhiệm vụ, Robot có tương tác qua lại với môi trường Chuyển động Robot tác dụng lực mômen lên môi trường Tùy thuộc vào đặc tính môi trường mềm (có thể “co giãn”) hay cứng mà môi trường phát sinh lực mômen tương ứng tác dụng lại Robot Thực tế, sai số trình thiết kế quỹ đạo làm thay đổi lực tương tác (sai lệch quỹ đạo khâu thao tác với quỹ đạo thiết kế), ngược lại hệ thống điều khiển phản ứng làm giảm sai lệch này, điều dẫn tới tượng phá hỏng chi tiết tiếp xúc Hay ta nói ảnh hưởng lực nguyên nhân làm thay đổi nhiệm vụ chuyển động Robot thiết kế trước Trong nhiều trường hợp lực phá hủy cấu trúc cấu Robot Với môi trường có độ cứng cao điều khiển chuyển động xác, tượng dễ xẩy Đây trở ngại ứng dụng đòi hỏi Robot phải cảm nhận môi trường có ứng xử phù hợp (đáp ứng on-line) Khó khăn giải đảm bảo “co giãn” hệ thống Robot thời gian có tương tác Người ta sử dụng kiểu bị động cách ghép xen vào khâu tác dụng cuối Robot môi trường thiết bị khí “co giãn” phù hợp, kiểu chủ động cách thiết kế, xây dựng chiến lược điều khiển tương tác phù hợp 2.3.2 Điều khiển lực bị động Tiếp cận điều khiển tương tác bị động, lực tương tác tính “co giãn” nội Robot làm thay đổi quỹ đạo thiết kế khâu tác dụng cuối Robot Tính “co giãn” tính chất mềm khâu, khớp khâu tác dụng cuối, tính mềm chế servo vị trí Trong ứng dụng Robot có tương tác với người, mục đích tiên thiết kế Robot phải an toàn, cánh tay Robot mềm với khâu khớp có tính đàn hồi Trong ứng dụng công nghiệp, người ta thiết kế chế tạo loại thiết bị khí có khả điều chỉnh tính “co giãn” có tác động lực từ bên ứng dụng rộng rãi (RCC-remote center of compliance device) Một RCC khâu tác dụng cuối mềm tích hợp Robot cứng, thiết kế tối ưu cho công việc lắp ghép chi tiết (minh họa hình 2.10) Dễ dàng nhận thấy tiếp cận bị động để điều khiển tương tác tương đối đơn giản tiết kiệm giá thành, không yêu cầu có cảm biến đo lực/mômen, đáp ứng chế “co giãn” bị động thường nhanh nhiều so với trình chủ động cách ứng dụng thuật toán điều khiển máy tính Tuy nhiên phải đảm bảo yêu cầu không thay đổi quỹ đạo thiết kế lập trình trước khâu tác dụng cuối thời gian thực thi nhiệm vụ Nhược điểm cách tiếp cận ứng dụng công nghiệp thiếu tính mềm dẻo với nhiệm vụ Robot, cần phải thiết kế tích hợp khâu tác dụng cuối mềm chuyên dụng tương ứng Tiếp cận giải với thay đổi 16 quỹ đạo dùng làm đầu vào để tính toán cho điểm Vì thế, sau gặp điểm kỳ dị đầu tiên, phần lại quỹ đạo tính toán Ta có phương pháp dựa vào định thức ma trận Jacobian để xét đoán Robot vào vùng kỳ dị Trường hợp 1: Robot dư dẫn động, sử dụng ma trận tựa nghịch đảo J † Trường hợp xảy cấu hình kỳ dị, xảy khả xử lý Trường hợp 2: Robot đủ bậc tự do, sử dụng dạng nghịch đảo thông thường ma trận Jacobian, J 1 Trường hợp khả xử lý cấu hình kỳ dị Trường hợp 3: Robot đủ bậc tự do, sử dụng phương pháp DLS với dạng nghịch đảo SR-Inverse ma trận Jacobian, J* Xét công thức tính ma trận SR-Inverse 1 J *  q    J T J   I  J T Ta có nhận xét, hệ số   , SR-Inverse trở với dạng nghịch đảo thông thường J *  J 1 Vậy, ma trận J* phát huy vai trò   Khi đó:    1   / 0    0 Với:   det  JJT  Như thấy, 0 có vai trò ranh giới vùng lân cận điểm kỳ dị Khi quỹ đạo Robot vào vùng này, nghĩa   0 ,  nhận giá trị khác ma trận Jacobian nghịch đảo chuyển từ dạng J 1 sang dạng J* Kết tính toán thu thực tế điểm gần với điểm yêu cầu Sai lệch thường chấp nhận giúp cho bước tính trở lại với quỹ đạo sau khỏi vùng kỳ dị 3.2.3 Thiết kế quỹ đạo 3.2.3.1 Quỹ đạo hình học dạng đường 3.2.3.2 Quỹ đạo hình học dạng đa thức 3.2.3.3 Quỹ đạo hình học qua điểm nút 3.2.3.4 Các luật chuyển động 3.3 Động học 3.3.1 Động học thuận 3.3.2 Tính toán động học ngược giải tích 3.3.3 Jacobian 3.3.4 Tính toán số động học với hiệu chỉnh gia lượng 3.4 Động lực học có tương tác với môi trường 3.4.1 Giải phương trình động lực học có ràng buộc lực tương tác 17 Hình 4.6 Sơ đồ thuật toán tính toán hệ lực xoắn mô men sinh có tương tác Khi Robot tay máy thực nhiệm vụ chuyển động không gian chiều (điều khiển chuyển động đồng thời tham số vị trí tham số hướng) có tượng tiếp xúc với đối tượng vật rắn môi trường (trong không gian làm việc Robot) theo ràng buộc động học Giả sử thêm trình tiếp xúc này, Robot đối tượng môi trường không bị phá vỡ cấu trúc nhiệm vụ chuyển động Robot tuân thủ, lúc tìm phát triển hệ lực xoắn mà khâu thao tác Robot tác dụng tới môi trường lực/mômen khớp sinh có tương tác từ phương trình vi phân chuyển động Robot có ràng buộc với môi trường 2.78 mục sở động lực học Khai triển phương trình (2.78) theo q q* ta thu phương trình: 1 1   M1J T J  M 1J T  J  q  q *  M 1J T J  M 1J T  J  q * q 1 1 *  J  M 1J T  J  q λ  J  M 1J T  J  q Trong đó: (3.93) 18 * : vị trí, vận tốc, gia tốc véc tơ tọa độ suy rộng q* , q * , q nhiệm vụ chuyển động tương tác với môi trường  : q, q , q vị trí, vận tốc, gia tốc véc tơ tọa độ suy rộng nhiệm vụ chuyển động có tương tác với môi trường M: Ma trận quán tính Robot J : Ma trận Jacobian ràng buộc Robot môi trường λ: Véc tơ nhân tử Lagrange Chú ý: coi thời gian xẩy tương tác, Robot tay máy tham gia đồng thời hai nhiệm vụ: nhiệm vụ chuyển động nhiệm vụ tương tác lực, nhiên có nhiệm vụ chuyển động điều khiển ứng với số bậc tự chuyển động Sơ đồ thuật toán tính toán lực tương tác thể hình 4.6 3.4.2 Ma trận quán tính 3.4.3 Xây dựng thiết kế nhiệm vụ tương tác lực với môi trường Giả sử rằng: Robot môi trường cứng hoàn toàn, đồng thời môi trường đặt lên Robot ràng buộc độc học biểu diễn dạng phương trình (2.87) Với giả thiết véc tơ vế trái (2.87) có đạo hàm liên tục cấp cấp 2, đạo hàm cấp Jacobian ràng buộc môi trường đặt lên khâu thao tác Robot Khi chọn hệ tọa độ quy chiếu nhiệm vụ lực (trong luận án chọn hệ tọa độ trùng với hệ tọa độ khâu thao tác-hệ tọa độ nhiệm vụ lực trùng với hệ tọa độ nhiệm vụ chuyển động), ma trận nhiệm vụ lực tương tác S f xác định theo công thức (2.91) tổng quát ma trận cỡ 6 :  Fx  0  0 S f   0 0    0 0 Fy 0 0 Fz 0 0 Mx 0 0 My 0         M z  (3.110) Trong phần tử Fx , Fy , Fz , M x , M y , M z đại diện cho trạng thái tương tác lực dọc theo trục mômen quanh trục Ox , Oy , Oz hệ tọa độ nhiệm vụ lực Các phần tử có giá trị ứng với trường hợp có ràng buộc ràng buộc 19 Khi xây dựng ma trận nhiệm vụ lực tương tác S f , từ công thức (2.91) tính ma trận Jacobian ràng buộc J  q sau: J  STf J  q  (3.111) 3.5 Lập trình giao tiếp với phần cứng điều khiển 3.6 Chương trình mô eMRobot 3.6.1 Chức nhiệm vụ 3.6.2 Thuật toán chương trình 3.6.3 Đặc tính chương trình 3.6.4 Giao diện chương trình 3.6.4.1 Tab điều khiển Control tap gồm phần (hình 3.32): Xây dựng quỹ đạo (trong không gian khớp không gian thao tác); Quản lý hiển thị kết mô sau bước xây dựng quỹ đạo (bằng đồ thị); Thay đổi thuộc tính hiển thị cửa sổ mô phỏng; Tải quỹ đạo Robot xuống điều khiển chạy điều khiển Hình 3.32 Giao diện chương trình eMROBOT 20 Hình 3.34 Giao diện thiết kế quĩ đạo không gian thao tác Hình 3.35 Giao diện Simulation module 21 3.6.4.2 Thiết kế quỹ đạo không gian khớp 3.6.4.3 Thiết kế quỹ đạo không gian thao tác 3.6.4.4 Mô đun mô Sau có quĩ đạo thiết kế, người sử dụng bắt đầu trình tính toán động học, động lực học mô trình hoạt động Robot hiển thị kết quả, quản lý kết quả, lưu trữ kết mô Simulation Module (hình 3.35) 3.6.4.5 Hiển thị kết 3.6.4.6 Mô đun điều khiển Hình 3.38 Giao diện truyền liệu điều khiển tay máy Hình 3.38 minh họa giao diện truyền thông điều khiển chế độ offline eRobot Kết đạt Bám sát mục tiêu luận án, tác giả tự tổng hợp có chọn lọc tình hình nghiên cứu, phát triển Robot giới Việt Nam, vấn đề tương tác Robot môi trường phần Tổng quan Tiếp theo, phần Cơ sở cho nghiên cứu phát triển hệ thống Robot, luận án giới thiệu vấn đề liên quan tới hệ thống Robot, trình bày phát triển sở động học, phân tích Jacobian, sở động lực học cho Robot dạng tay máy, sở điều khiển lực tương tác Robot với môi trường, giới thiệu công cụ Matlab/Simulink Luận án sâu nghiên cứu, tìm hiểu vấn đề tương tác Robot với môi trường xây dựng hệ phương trình vi phân chuyển động Robot (Phương trình 22 2.78) trình tương tác với môi trường Bước tiếp theo, luận án xây dựng thuật giải động học cho đối tượng Robot 06 bậc tự do: tính toán động học thuận, tính toán động học ngược phương pháp giải tích, tính toán ma trận Jacobian Robot (ma trận Jacobian khâu thao tác), tính toán động học ngược phương pháp số với hiệu chỉnh gia lượng, xây dựng nội suy quỹ đạo Robot không gian khớp không gian thao tác; xây dựng thuật giải nâng cao động học: tính toán ma trận Jacobian cho khâu Robot, phương pháp xây dựng ma trận nhiệm vụ lực, tính toán ma trận Jacobian ràng buộc khâu thao tác Robot có ràng buộc động học giữ dừng holonom với môi trường, thuật giải tránh điểm kỳ dị cho Robot, thuật giải tránh vật cản cho Robot; xây dựng thuật giải động lực học: tính toán ma trận quán tính cho khâu Robot Robot, giải phương trình vi phân chuyển động Robot có tương tác với môi trường để tìm nghiệm vấn đề động lực học tương tác Robot với môi trường, …; xây dựng thuật giải nâng cao động lực học: tính toán hệ lực xoắn mômen sinh có tương tác Robot môi trường; xây dựng thuật giải truyền thông máy tính thiết bị điều khiển chấp hành; xây dựng thuật giải điều khiển chuyển động cho Robot; nhiều thuật giải hỗ trợ giao diện khác Sử dụng tất kiến thức, sở lý thuyết thuật giải phần trên, luận án xây dựng đối tượng Robot tay máy 06 bậc tự tham số hoá phần mềm MATLAB viết hàm giải vấn đề học Robot dạng m file chạy môi trường MATLAB/SIMULINK phục vụ việc tính toán, mô phân tích tượng Robot tay máy có tương tác tiếp xúc với môi trường (các đối tượng khác Robot môi trường xung quanh Robot) Đây mục đích tác giả mong muốn xây dựng phát triển thư viện hàm liên quan tới Robot tay máy phục vụ mục đích nghiên cứu chuyên sâu nhằm phát triển hệ thống Robot Thư viện phục vụ cho bước nghiên cứu Tác giả sử dụng hàm thư viện để xây dựng mô hình Robot tay máy cụ thể eRobot môi trường MATLAB/SIMULINK Sau tiến hành tính toán, mô động học, động lực học Robot có tương tác với môi trường, lấy, hiển thị so sánh kết với kết lấy từ phần mềm điều khiển hệ thống Robot thật Luận án đóng góp phần lớn vào việc thiết kế, chế tạo, tích hợp điều khiển Robot eRobot, sản phẩm đề tài: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo tay máy hàn thử nghiệm định hướng ứng dụng công nghiệp ôtô, xe máy” - cấp Viện hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam năm 2010-2011 4.1 Thư viện thuật toán (các m file) 4.1.1 Xây dựng đối tượng eRobot 4.1.2 Động học ngược 4.1.2.1 Thuật toán giải động học ngược giải tích có tránh điểm kỳ dị 23 Hình 4.3 Sơ đồ thuật toán tính toán động học ngược giải tích có tránh điểm kỳ dị Sử dụng tính chất nội suy quỹ đạo không gian khớp quỹ đạo Robot không gặp phải tượng kỳ dị, thuật toán giải toán động học ngược phương pháp giải tích có tránh điểm kỳ dị dựa tính chất Nhiệm vụ không gian thao tác Robot đầu vào lưu trữ mảng vị trí hướng khâu thao tác X_Array , gồm n phần tử i   n  Thực vòng lặp với số i   n  , từ giá trị x k lấy từ mảng X_Array tính toán động học ngược giải tích phương pháp phần 3.3.2 Tính toán động học ngược giải tích thu q k  f  x k  trường hợp tượng kỳ dị Nếu xẩy tượng kỳ dị, tính toán q k 1  f  x k 1  , thực nội suy không gian khớp (sử dụng luật chuyển động phần 3.2.3 Thiết kế quỹ đạo) từ q k 1 đến q k 1 thu q k  n  q k 1 , q k 1  cần tìm 4.1.2.2 Thuật toán giải động học ngược số có tránh điểm kỳ dị Khi không xẩy tượng kì dị Robot, thuật giải sử dụng ma trận nghịch đảo ma trận Jacobian J in  J 1 để tính toán q  J in x phương pháp hiệu chỉnh gia lượng 24 Khi xẩy tượng kỳ dị, thuật giải sử dụng phương pháp Damped Least Squares 1 (DLS)-trang 122 để tính toán ma trận SR-Inverse: J *  q    J T J   I  J T có phân tích SVD Hình 4.4 Sơ đồ thuật toán tính toán động học ngược số có tránh điểm kỳ dị 4.1.2.3 Thuật toán giải động học ngược tránh vật cản Thuật toán tính toán động học ngược cho khâu thao tác Robot tránh va chạm với vật cản biết trước không gian làm việc Robot thể sơ đồ khối hình 4.5 Ngoài nhiệm vụ chuyển động không gian thao tác Robot biết, cần phải biết vị trí kích thước lớn vật cản (trong phạm vi luận án coi vật cản dạng hình cầu) khoảng cách bé coi va chạm khâu thao tác vật cản Lmin Thuật toán tính toán động học ngược sơ đồ thuật toán hình 4.5 thuật toán tính toán giải tích có tránh điểm kỳ dị trình bày phần 4.1.2.1 Thuật toán giải động học ngược giải tích có tránh điểm kỳ dị Trong trình giải toán động học ngược kiểm tra điều kiện va chạm khâu thao tác Robot vật cản x k  xvc  Lmin Khi bắt đầu xẩy tượng va 25 chạm, thuật toán đánh dấu tư bắt đầu va chạm xb bắt đầu đếm tư kết thúc va chạm x k Đoạn thời điểm xẩy va chạm sau nội suy không gian khớp cuối tổng hợp lại toàn quỹ đạo Hình 4.5 Sơ đồ thuật toán tính toán động học ngược tránh vật cản 4.2 Mô hình, mô điều khiển hệ thống eRobot eMRobot Luận án trình bày ví dụ trình mô trường hợp eRobot thực nhiệm vụ sau (Hình 4.7): - Khâu tác dụng cuối thực quỹ đạo hình tròn nằm mặt phẳng song song với trục z0 vuông góc với với trục y0 hệ tọa độ cố định Trong trục zE hệ tọa độ khâu thao tác vuông góc với mặt phẳng vòng tròn - Mặt phẳng vòng tròn vật rắn khâu thao tác eRobot tiếp xúc với mặt phẳng vòng tròn với lực tác dụng dọc theo trục zE eRobot 26 z0 xE E yE zE O y0 x0 Hình 4.7 Thiết kế nhiệm vụ eRobot không gian thao tác Chú ý hệ tọa độ nhiệm vụ lực hệ tọa độ nhiệm vụ chuyển động trùng hệ tọa độ khâu thao tác Trên hình 4.8 giao diện xây dựng nhiệm vụ tương tác eRobot với môi trường chương trình eMRobot eRobot thực nhiệm vụ tương tác lực với môi trường từ điểm nút thứ đến điểm nút 25 tổng số 25 điểm nút nhiệm vụ chuyển động Trong thời gian tương tác Fz   , lực mômen theo phương khác Hình 4.8 Giao diện xây dựng nhiệm vụ tương tác eRobot 4.2.1 Kết tính toán động học ngược Khi thiết kế quỹ đạo trực tiếp cho điểm tác dụng cuối eRobot, chương trình eMRobot nhập mảng điểm nút nhiệm vụ quỹ đạo, nội suy giải toán ngược không gian làm việc eRobot Hình 4.10 kết tính toán vị trí, vận tốc, gia tốc theo thứ tự từ xuống khớp thứ 27 Hình 4.9 Vị trí, vận tốc, gia tốc khâu thao tác (theo trục z0 hệ cố định) Hình 4.10 Vị trí, vận tốc, gia tốc biến khớp khớp toán ngược 28 4.2.2 Kết phân tích lực tương tác Hình 4.11 đồ thị mômen sinh khớp thứ tư Robot trình tương tác (đồ thị phía hình 4.11) Đồ thị phía hình 4.11 đồ thị hệ lực xoắn mà khâu thao tác tác dụng lên môi trường (mặt phẳng vòng tròn hình 4.7) trình tương tác Trong trường hợp lực Fx , Fy mômen M x , M y , M z = Vì vậy, mô men thành phần hệ lực xoắn = thể hình 4.12 (đồ thị dưới) Chú ý rằng: nhiệm vụ chuyển động không gian thao tác Robot 25 điểm nút, nhiên mô phỏng, chương trình eMRobot cho phép người sử dụng nhập số điểm trung gian (điểm nội suy) điểm nút, trường hợp số điểm trung gian điểm nút 15 thời gian mô 100s Sau trình mô hoạt động eRobot, chương trình eMRobot truyền mảng lưu trữ vị trí, vận tốc, gia tốc khớp xuống điều khiển chuyển động cho Robot Hình 4.11 Mômen sinh khớp hệ lực xoắn khâu thao tác tác dụng vào môi trường có tương tác 29 Hình 4.12 Mômen sinh khớp hệ lực xoắn khâu thao tác tác dụng vào môi trường có tương tác Kết luận chung hướng phát triển Phần kết luận tổng kết lại nội dung mà luận văn thực theo mục đích đề ban đầu Phần Tổng quan giới thiệu tình hình nghiên cứu nước, nêu ý nghĩa việc phân tích lực tương tác Robot với môi trường Tiếp theo luận án trình bày phần Cơ sở cho nghiên cứu phát triển hệ thống Robot bao gồm: vấn đề hệ thống Robot, sở cho việc nghiên cứu, mô điểu khiển lực tương tác Robot môi trương Trong sở luận án tập trung vào sở động học, phân tích Jacobian, sở động lực học, sở điều khiển lực tương tác Robot tay máy với môi trường Luận án chọn dạng cấu trúc Robot có thực tế tiến hành sâu thêm vào vấn đề hình học, động học, động lực học, thiết kế quỹ đạo điều khiển loại Robot này-Robot Robot tay máy phục vụ mô hình hóa động học động lực học Robot cho nghiên cứu tương tác Robot với môi trường Tiếp theo, tác giả tiến hành tự xây dựng mô hình Robot tay máy tham số hoá, xây dựng thuật toán thư viện hàm giải vấn đề hình học động học, động lực học tương tác Robot với môi trường điều khiển cho loại Robot dạng m file chạy môi trường MATLAB/SIMULINK Sử dụng mô hình Robot thư viện hàm giải vấn đề hình học, động học, động lực học, điều khiển phần Robot tay máy bậc tự doeRobot cho phép xây dựng viết chương trình mô eMRobot, mô 30 hoạt động Robot tham gia hai nhiệm vụ: nhiệm vụ chuyển động nhiệm vụ tương tác lực với môi trương, hiển thị kết phần mềm MATLAB/SIMULINK Trong phần Kết đạt được, luận văn sử dụng kết đạt phần Robot tay máy bậc tự do-eRobot để mô hoạt động hệ thống Robot thật hiển thị kết Những kết luận văn sở ban đầu giúp tác giả tiếp tục sâu vào nghiên cứu Robot tương lai Tuy nhiên, với mong muốn đưa nghiên cứu vào ứng dụng thực tế hiệu quả, nhiều vấn đề phức tạp cần quan tâm nghiên cứu nghiêm túc là: vấn đề động lực học Robot để phục vụ điều khiển nâng cao hệ thống Robot thiết kế khí Robot; vấn đề mô hình giải số giải tích Robot hay mô hình hỗn hợp giải số giải tích Robot, thuật toán giải số hệ nhiều vật (có thể vật rắn vật biến dạng), tốc độ thuật giải độ xác mô hình toán với mô hình Robot thật; vấn đề xây dựng, thiết lập quỹ đạo cho Robot, … Mặc dù nhiều khó khăn thử thách phía trước, tác giả hy vọng vào đam mê, tâm giúp đỡ bạn bè, thầy giáo, cô giáo, đồng nghiệp để biến ý tưởng thành thực phục vụ lợi ích người ... nghĩa việc phân tích tương tác Robot với môi trường Môi trường yếu tố bên có ảnh hưởng qua lại tới hoạt động Robot Sự ảnh hưởng qua lại tương tác Robot với môi trường tuỳ theo đặc thù công việc Robot. .. có tương tác qua lại với môi trường Chuyển động Robot tác dụng lực mômen lên môi trường Tùy thuộc vào đặc tính môi trường mềm (có thể “co giãn”) hay cứng mà môi trường phát sinh lực mômen tương. .. cản đặc biệt vấn đề tương tác lực Robot với môi trường không gian làm việc Robot - vấn đề trọng tâm mà luận án giải Luận án nêu ý nghĩa việc phân tích lực tương tác Robot với môi trường mang tính