Bộ điều khiển PARALLEL ROBOT

Khác với loạt Robot nối tiếp ( Serial Robot), Robot song song ( Parallel Robot) có những ưu điểm vượt trội như dô cứng vững, khản nagw thay đổi vị trí và định hướng linh hoạt, độ chính xác và ổn định

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 tínhKhối điều khiển trung tâmKhối điều khiển động học khâu 1 Khối điều khiển động học khâu 2 Khối điều khiển động học khâu 3 Khối điều khiển động học khâu 4Khối điều khiển động học khâu 6Khối điều khiển động học khâu 5Khối mạchkhuếch đại 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. VCCPA11PA12PA13PA14PA15PA16PA17PA18PB11PB12PB13PB14PB16PB17PB18PC11PC12PC13PC14PC15PC16PC17PC18PA31PA32PA33PA34PA35PA36PA37PA38PB31PB32PB33PB34PB35PB36PB37PB38PC31PC32PC33PC34PC35PC36PC37PC38PA61PA62PA63PA64PA65PA66PA68PB61PB62PB63PB64PB67PB68PC61PC64PC65PC66PC67PC68PA67PB55PC56PA27PA23PA58PA57PA51PB28PB24PA25PC51PB52PA54PC27PC25PB26PC53PA56PB21PC22PC24PB58PB54PC55PB56PA22PC57PB23PA24PB57PB51PA53PB25PA26PC58PC52PB53PA55PC28PC26PB27PC54PA28PA21PC21PB22PA52PC23PA21PC28PA25PB15PC22PB22PA23PA22PB23PA24PC21PB24PA27PA26PC26PB21PC23PA28PC27PB25PB26PB28PB27PC25PC24PB65PB66PC62PC63PA14PA15PA11PA16PC14PA17PA18PB11PC16PC18PB18PA12PB12PB16PC13PC15PB15PB17PB13PC17PC11PA13PB14PC12PA31PC33PB34PC36PA32PA34PA35PB35PC31PA36PC34PC35PA38PB32PB33PB36PC37PA37PB31PC32PC38PA33PB37PB38PA58PC53PC58PC56PC52PB56PB55PC55PB57PC51PB58PC54PC57PC62PA41PC63PA42PA65PB62PB43PA63PB66PC66PB45PA67PA68PC65PB65PB64PB63PB46PA61PC67PB61PC47PB67PC61PA62PC64PC68PA64PA66PB68PB54PB51PA56PB53PB52PA57PA54PA52PA55PA53PC45PC46PB41PC42PC43PA46PB44PA44PB48PB45PB48PA45PB47PB46PC44PC48PB42PC41PC44PB47PC46PA47PC42PC47PC48PA48PA41PC41PB43PA43PC43PC45PA42PB41PA47PA43PB44PA46PB42PA48PA44PA45 D1D1D4D3D7D5D7D4D5D0D6D2D3D0D6D2A7A8A5A6A9U1825534333231302928274321403938371819202122232425141516171312111026753698356D0D1D2D3D4D5D6D7PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7VCCGNDRDWRA0A1RESETCSU8A74HC0012374HC009108U2825534333231302928274321403938371819202122232425141516171312111026753698356D0D1D2D3D4D5D6D7PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7VCCGNDRDWRA0A1RESETCS74HC00456u5825534333231302928274321403938371819202122232425141516171312111026753698356D0D1D2D3D4D5D6D7PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7VCCGNDRDWRA0A1RESETCSP1CONNECTOR DB2513251224112310229218207196185174163152141R110ku3825534333231302928274321403938371819202122232425141516171312111026753698356D0D1D2D3D4D5D6D7PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7VCCGNDRDWRA0A1RESETCSU774HC13881514131211109712354616GNDY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7ABCG2BG2AG1VCCR210ku6825534333231302928274321403938371819202122232425141516171312111026753698356D0D1D2D3D4D5D6D7PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7VCCGNDRDWRA0A1RESETCSR310kR410kR510kJP1HEADER 12X21234567891011 1213 1415 1617 1819 2021 2223 24JP2HEADER 12X21234567891011 1213 1415 1617 1819 2021 2223 24JP6HEADER 12X21234567891011 1213 1415 1617 1819 2021 2223 24JP3HEADER 12X21234567891011 1213 1415 1617 1819 2021 2223 24JP5HEADER 12X21234567891011 1213 1415 1617 1819 2021 2223 24JP4HEADER 12X21234567891011 1213 1415 1617 1819 2021 2223 24R610kP2CONNECTOR DB251325122411231022921820719618517416315214174HC6881101920357912141618246811131517OEGNDP=QVCCQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7P0P1P2P3P4P5P6P7R710KSW4SW DIP-8/SMR810ku1074HC2452345678919118171615141312112010A0A1A2A3A4A5A6A7OEDIRB0B1B2B3B4B5B6B7VCCGNDu4825534333231302928274321403938371819202122232425141516171312111026753698356D0D1D2D3D4D5D6D7PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7VCCGNDRDWRA0A1RESETCSPA51D0D1D2D3D4D5D6D7D2D1D3D4D5D6D7D0D0D3D4D5D6D7D2D1D3D5D6D7D0D2D1D4D3D4D5D6D7D0D2D1CS2CS1CS5CS6CS4CS3CS2CS1CS5 CS6CS4CS3A0A1A0A1A0A1A0A1A0A1A0A1RDRDRDRD RDRDWRWRWRWRWRWRRESET RESETRESETRESETRESETRESETAENA2A3A4A2A4RDWRA02A03A04A05A06A07A08A09A1A0A3A5A6A7A8A9AENRDWRRESETVCCGNDVCCGNDVCCGNDVCCGNDVCCGNDVCCGNDVCCGNDA09A05A06A07A04A03A02A08RDVCCGNDVCCVCCGNDGNDGNDVCCGNDGNDGNDGNDPA41PA42PA43PA44PA11PA12PA13PA14PA21PA22PA23PA24PA31PA32PA33PA34PA61PA62PA63PA64PA51PA52PA53PA54 - 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 . 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. 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