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

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 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 luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ TRẦN THẮNG 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ KỸ THUẬT Hà Nội – 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ TRẦN THẮNG 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 Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 62520101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: GS TS Đinh Văn Phong Hà Nội - 2013 I LỜI CÁM ƠN Xun suốt q trình nghiên cứu, học tập hồn thành luận án này, nhận hướng dẫn, giúp đỡ quý báu thầy cô động viên, góp ý bạn đồng nghiệp, bạn bè gia đình Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: Viện Cơ khí, Bộ môn Cơ học ứng dụng, Viện đào tạo sau đại học trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ trình học tập hồn thành luận án GS TS Đinh Văn Phong, người thầy kính mến hết lịng giúp đỡ, truyền thụ kiến thức, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình học tập để hồn thành luận văn tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn thầy cô hội đồng chấm luận án cho tơi đóng góp quý báu để hoàn chỉnh luận án Các anh chị em phòng Cơ điện tử, Viện Cơ học, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho tơi q trình học tập nghiên cứu phát triển Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn bố mẹ bên cạnh động viên giúp đỡ học tập, làm việc hoàn thành luận án Cám ơn gia đình nhỏ tơi Hà Nội, tháng 12 năm 2013 Tác giả Đỗ Trần Thắng II LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình khoa học Các số liệu luận án trung thực có nguồn gốc cụ thể, rõ ràng Các kết luận án chưa công bố cơng trình khoa học Hà Nội, tháng 12 năm 2013 Tác giả Đỗ Trần Thắng III Mục lục LỜI CÁM ƠN I LỜI CAM ĐOAN II DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT VI DANH MỤC CÁC BẢNG VIII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ IX Tổng quan 1.1 Đặt vấn đề 1.1.1 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng nước 1.1.2 Ý nghĩa việc phân tích tương tác Robot với mơi trường 1.2 Mục đích luận án 1.3 Nội dung nghiên cứu luận án 1.4 Kết luận 11 Cơ sở cho nghiên cứu phát triển hệ thống Robot 12 2.1 Các vấn đề hệ thống Robot 12 2.2 Cơ sở nghiên cứu, mô tương tác Robot với môi trường 17 2.2.1 Cơ sở động học 17 2.2.2 Phân tích Jacobian cho Robot tay máy 23 2.2.3 Cơ sở động lực học 30 2.3 Cơ sở điều khiển lực tương tác Robot với môi trường 41 2.3.1 Điều khiển chuyển động điều khiển tương tác 41 2.3.2 Điều khiển lực bị động 43 2.3.3 Điều khiển lực chủ động 44 2.3.4 Các dạng mô hình tương tác 49 2.4 Công cụ MATLAB/SIMULINK 57 2.5 Kết luận 58 Robot tay máy bậc tự – eRobot 59 3.1 Cấu trúc, tính hoạt động 59 3.1.1 Cấu trúc thành phần 59 3.1.2 Cấu trúc chức 60 IV 3.1.3 Yêu cầu kỹ thuật hệ thống điều khiển eRobot 61 3.1.4 Cấu trúc hệ thống điều khiển eRobot 62 3.1.5 Đặc điểm khác eRobot 63 3.2 Hình học: khơng gian làm việc, điểm kỳ dị, thiết kế quỹ đạo 65 3.2.1 Không gian làm việc 65 3.2.2 Các cấu hình kỳ dị 69 3.2.3 Thiết kế quỹ đạo 74 3.3 Động học 92 3.3.1 Động học thuận 92 3.3.2 Tính tốn động học ngược giải tích 98 3.3.3 Jacobian 102 3.3.4 Tính tốn số động học với hiệu chỉnh gia lượng 106 3.4 Động lực học có tương tác với môi trường 108 3.4.1 Giải phương trình động lực học có ràng buộc lực tương tác 109 3.4.2 Ma trận quán tính 111 3.4.3 Xây dựng thiết kế nhiệm vụ tương tác lực với môi trường 121 3.5 Lập trình giao tiếp với phần cứng điều khiển 123 3.6 Chương trình mô eMRobot 125 3.6.1 Chức nhiệm vụ 125 3.6.2 Thuật toán chương trình 127 3.6.3 Đặc tính chương trình 127 3.6.4 Giao diện chương trình 128 3.7 Kết luận 133 Kết đạt 135 4.1 Thư viện thuật toán (các m file) 136 4.1.1 Xây dựng đối tượng eRobot 136 4.1.2 Động học ngược 137 4.1.3 Thuật tốn tính tốn hệ lực xoắn mơmen sinh có tương tác 141 4.2 Mơ hình, mơ điều khiển hệ thống eRobot eMRobot 143 4.2.1 Kết tính tốn động học ngược 144 4.2.2 Kết phân tích lực tương tác 145 4.3 Kết luận 147 V Kết luận chung hướng phát triển 148 Tài liệu tham khảo 149 VI DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT * vị trí, vận tốc, gia tốc véc tơ tọa độ suy rộng nhiệm vụ q* , q * , q chuyển động khơng có tương tác với mơi trường  q, q , q vị trí, vận tốc, gia tốc véc tơ tọa độ suy rộng nhiệm vụ chuyển động có tương tác với mơi trường G g véc tơ lực trọng trường Ii ma trận quán tính khâu thứ i quanh khối tâm biểu diễn hệ tọa độ cố định i ma trận quán tính khâu thứ i quanh khối tâm tính hệ tọa độ khâu thứ i Ii véc tơ gia tốc trọng trường Ji ma trận Jacobian khâu thứ i J vi ma trận ma trận Jacobian liên hệ với vận tốc khối tâm khâu thứ i J i ma trận ma trận Jacobian liên hệ với vận tốc góc khâu thứ i K động hệ L hàm Lagrange, L  K U M ma trận quán tính Robot M ij phần tử (i, j) M n số tọa độ suy rộng k véc tơ vị trí khối tâm khâu thứ i so hệ tọa độ khâu thứ k biểu diễn hệ tọa độ cố định p *ci Qi lực suy rộng tương ứng với tọa độ suy rộng thứ i Q: véc tơ lực suy rộng, Q  Q1 , Q2 , , Qn  qi tọa độ suy rộng thứ i q véc tơ tọa độ suy rộng, q  q1 , q2 , , qn  U hệ V véc tơ hợp tích cặp vận tốc W công ảo τ véc tơ mômen khớp n chiều phát động cấu chấp hành Fe véc tơ lực mômen tổng hợp thành phần tạo khâu thao tác x véc tơ dịch chuyển ảo khâu thao tác fr véc tơ mômen lực ma sát khớp T T VII  q  phương trình ràng buộc holonom dừng khâu thao tác Robot tay máy có tương tác tiếp xúc với mơi trường J ma trận Jacobian ràng buộc Robot môi trường τc véc tơ lực liên kết suy rộng λ véc tơ nhân tử Lagrange ker nhân G hàm Gauss đo độ lệch trọng số khối lượng gia tốc không bị ràng buộc gia tốc bị ràng buộc Λ q  ma trận qn tính khơng gian khớp Γ  q, q  ma trận ảnh hưởng lực Coriolis lực ly tâm η q  ma trận ảnh hưởng trọng trường hc lực khâu thao tác tương ứng với mômen phát động khớp he lực mômen từ môi trường tác động vào khâu thao tác cuối Robot KP độ cứng chủ động W ma trận trọng số J† ma trận tựa nghịch đảo ma trận J J* ma trận nghịc đảo ma trận J theo phương pháp DLS VIII DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 3.1 Các thành phần hệ thống eRobot 59 Bảng 3.2 Bảng chuyển đổi đơn vị góc vận tốc khớp xung độ 63 Bảng 3.3 Vị trí “KHƠNG” eRobot 63 Bảng 3.4 Giới hạn hành trình khớp so với vị trí KHƠNG 64 Bảng 3.5 Tham số D-H cho eRobot 94 Bảng 3.6 Thông số động lực học eRobot 111-112 138 Thực vòng lặp với số i   n  , từ giá trị x k lấy từ mảng X_Array tính tốn động học ngược giải tích phương pháp phần 3.3.2 Tính tốn động học ngược giải tích thu q k  f  x k  trường hợp khơng có tượng kỳ dị Nếu xẩy tượng kỳ dị, tính tốn 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 (chú ý: xẩy trường hợp nhiều cấu hình kỳ dị liên tiếp, lúc việc tính tốn q k 1  f  x k 1  kết thúc khơng cịn tượng kỳ dị) Sơ đồ khối thuật toán thể hình 4.3 4.1.2.2 Thuật tốn giải động học ngược số có tránh điểm kỳ dị Trong luận án xây dựng thuật giải động học ngược số có tránh điểm kỳ dị trình bày dạng sơ đồ khối hình 4.4 Trong trường hợp khơng phải tư có cấu hình kỳ dị Robot, thuật giải sử dụng ma trận nghịch đảo nghịch đảo ma trận Jacobian J in  J 1 để tính tốn q  J in x phương pháp hiệu chỉnh gia lượng trình bày chi tiết phần 3.3.4 Tính tốn số động học với hiệu chỉnh gia lượng Khi xẩy tượng kỳ dị, thuật giải sử dụng phương pháp Damped Least Squares 1 (DLS)-trang 122 để tính tốn ma trận SR-Inverse: J *  q    J T J   I  J T có phân tích SVD, tham khảo chi tiết phương pháp tài liệu [25], [44] Chú ý rằng: phải tính ma trận Jacobian khâu thao tác Robot, cách tính ma trận Jacobian trình bày chi tiết phần 3.3.3 Jacobian luận án 139 Bắt đầu Nhiệm vụ chuyển động không gian thao tác: - Mảng vị trí hướng khâu thao tác X_Array - n phần tử, i   n  - Cấu hình ban đầu (vị trí ban đầu): q x k  X_Array 0 , q k  q , Q_Array 0  q k i 1 sai in x k 1  X_Array i  i  i 1 Tính tốn động học ngược giải tích q k 1  f  x k 1  x  x k 1  x k q  J in x q k 1  q k  q J in  J 1 Q_Array i   q k 1 sai Xẩy kỳ dị Phân tích SVD ma trận J J in  J  1 J *  q    J T J   I  J T Kết thúc Hình 4.4 Sơ đồ thuật tốn tính tốn động học ngược số có tránh điểm kỳ dị 4.1.2.3 Thuật toán giải động học ngược tránh vật cản Thuật tốn tính tốn 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 Ngồi nhiệm vụ chuyển động khơng 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 140 Bắt đầu Nhiệm vụ chuyển động không gian thao tác: - Mảng vị trí hướng khâu thao tác X_Array - n phần tử, i   n  Kích thước lớn vật cản, vị trí vật cản x vc Khoảng cách va chạm Lmin i0 sai in i  i 1 x k  X_Array i  1 Tính tốn động học ngược Tính tốn động học ngược: qb   ,q f xb k    f xk Xẩy va chạm: x k  x vc  Lmin sai Đánh dấu: - Tư bắt đầu va chạm với vật cản x b - Tư kết thúc va chạm với vật cản x k Tổng hợp toàn quỹ đạo Nội suy quỹ đạo không gian khớp:  q  n qb , q k  Kết thúc Hình 4.5 Sơ đồ thuật tốn tính tốn động học ngược tránh vật cản Thuật tốn tính tốn động học ngược sơ đồ thuật tốn hình 4.5 thuật tốn tính tốn 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 q trình giải tốn động học ngược ln kiểm tra điều kiện va chạm khâu thao tác Robot vật cản x k  xvc  Lmin Khi bắt đầu xẩy tượng va 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 141 4.1.3 Thuật tốn tính tốn hệ lực xoắn mơmen sinh có tương tác Thuật tốn chi tiết trình bày theo bước phần 3.4.1 Thuật tốn tính tốn lực tương tác Thuật tốn viết thành hàm eRobot_dlg_InteractionAnalysis.m ngôn ngữ Matlab (tham khảo phần phụ lục) thể dạng sơ đồ khối hình 4.6 Đây thuật tốn trọng tâm luận án tính tốn hệ lực xoắn khâu thao tác tác dụng lên môi trường mô men khớp Robot sinh trình khâu thao tác có tương tác tiếp xúc với mơi trường Trong đó: tb : thời gian bắt đầu xẩy tương tác tk : thời gian kết thúc tương tác tc : thời gian thực nhiệm vụ chuyển động Robot Cách thức xây dựng ma trận nhiệm vụ lực S f cho Robot trình tương tác trình bày chi tiết mục 2.3.4.3 Biểu diễn nhiệm vụ Từ tìm mối quan hệ tương tác Robot với môi trường gián tiếp qua ma trận Jacobian ràng buộc J  STf J  q  Tính tốn ma trận J  dạng chữ sử dụng Toolbox simbolic Matlab tham khảo phần Phụ lục Mục 3.4.2 Ma trận qn tính trình bày chi tiết cách tính kết tính tốn dạng chữ ma trận qn tính khâu M i , i   eRobot ma trận quán tính Robot M  M1  M  M  M  M  M Luận án sử dụng tất thuật tốn trình bày thuật toán hỗ trợ giao diện sử dụng để xây dựng viết chương trình giao diện mơ điều khiển eRobot đặt tên eMRobot với nhiều kết trực quan đồ họa 142 Bắt đầu Xây dựng nhiệm vụ (  tb  tk  tc ): - Nhiệm vụ chuyển động không gian khớp q không gian thao tác x (thời gian - Nhiệm vụ tương tác: Ma trận nhiệm vụ lực S f (thời gian tương tác: tcd   tc ) tl  tb  tk ) t0 sai Nhiệm vụ chuyển động không gian thao tác Nội suy quỹ đạo trongkhông gian khớp: Nội suy quỹ đạo không gian thao tác:      x s  t  , x s  t  ,  x s t          s  t  q s  t  , q s  t  , q * * *  Động học ngược: q*  s  t   , q *  s  t   , q*  s  t   t t s t sai Khơng có tương tác: τ e  0, h e  tb  t  tk Tích lũy mảng ma trận: J , J   S f J  q  , J  , M , J  , M T T 1 t  tc sai Giải phương trình vi phân miền    M 1J T J  M 1J T q  1 T λ   JM J  1  1 tb  t  tk :    M 1J T J  M 1J T J  q  q *  1 T   J  M J  Jq *  1  1  Jq * J  q Tổng hợp lực tương tác toàn miền thời gian: T   τ e  J q λ , h e  J τ e  0, h e  0, T q  τ , e tb  t  t k  t  tb , t k  t  t c Kết thúc Hình 4.6 Sơ đồ thuật tốn tính tốn hệ lực xoắn mơ men sinh có tương tác 143 4.2 Mơ hình, mơ điều khiển hệ thống eRobot eMRobot Sử dụng chương trình eMRobot cho thiết kế nhiệm vụ, tính tốn động học, động lực học, mô phỏng, điều khiển hiển thị kết cho eRobot có nhiệm vụ tương tác với mơi trường nhiều trường hợp thu kết trực quan Luận án trình bày ví dụ q trình mơ trường hợp eRobot thực nhiệm vụ sau (Hình 4.7) mã nguồn Matlab xây dựng quỹ đạo chuyển động viết file CircleZ.m (chi tiết trang 142): - Khâu tác dụng cuối thực quỹ đạo hình trịn nằm mặt phẳng song song với trục z0 vng góc với với trục y0 hệ tọa độ cố định Trong trục z E hệ tọa độ khâu thao tác ln vng góc với mặt phẳng vòng tròn - Mặt phẳng vòng tròn vật rắn khâu thao tác eRobot ln tiếp xúc với mặt phẳng vịng trịn với lực tác dụng dọc theo trục z E eRobot z0 xE E yE zE O y0 x0 Hình 4.7 Thiết kế nhiệm vụ eRobot khơng 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 144 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 tốn 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 khơng gian làm việc eRobot Hình 4.9 đồ thị vị trí, vận tốc, gia tốc khâu thao tác theo thứ tự từ xuống Hình 4.9 Vị trí, vận tốc, gia tốc khâu thao tác (theo trục z0 hệ cố định) toán ngược Mã nguồn file CircleZ.m: t=linspace(0,100,25); angle=[0 pi/12 2*pi/12 3*pi/12 4*pi/12 5*pi/12 6*pi/12 7*pi/12 8*pi/12 9*pi/12 10*pi/12 11*pi/12 12*pi/12 13*pi/12 14*pi/12 15*pi/12 16*pi/12 17*pi/12 18*pi/12 19*pi/12 20*pi/12 21*pi/12 22*pi/12 23*pi/12 24*pi/12]; z=630.5+142.5*cos(angle);y=142.5*sin(angle);x=zeros(1,25);x(1,:)=142.5; 145 roll=zeros(1,25);roll(1,:)=pi;pitch=zeros(1,25);pitch(1,:)=pi/2;yaw=zeros(1,25); solution=zeros(1,25);solution(1,:)=2;velocity=zeros(1,25); ToolSpace=[x' y' z' roll' pitch' yaw' t' velocity' solution']; Hình 4.10 Vị trí, vận tốc, gia tốc biến khớp khớp tốn ngược Hình 4.10 kết tính tốn vị trí, vận tốc, gia tốc theo thứ tự từ xuống khớp thứ 4.2.2 Kết phân tích lực tương tác Với nhiệm vụ chuyển động thiết kế trên, nhiệm vụ tương tác lực eRobot xẩy đồng thời với trình thực nhiệm vụ chuyển động Sau tính tốn, phân tích lực tương tác, chương trình eMRobot hiển thị số kết hệ lực xoắn mơmen sinh tương tác hình Hình 4.11 đồ thị mơmen 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 vịng trịn hình 4.7) q trình tương tác Trong trường hợp lực Fx , Fy mômen M x , M y , M z = Vì vậy, mơ 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 mơ 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 mơ 100s 146 Hình 4.11 Mơmen sinh khớp hệ lực xoắn khâu thao tác tác dụng vào mơi trường có tương tác Hình 4.12 Mơmen sinh khớp hệ lực xoắn khâu thao tác tác dụng vào môi trường có tương tác Sau q trình mơ hoạt động eRobot, chương trình eMRobot truyền mảng lưu trữ vị trí, vận tốc, gia tốc khớp xuống điều khiển chuyển động cho Robot Các kết điều khiển chuyển động eRobot sử dụng eMRobot hồn tồn xác sử dụng phần mềm điều khiển eRobot 147 4.3 Kết luận Trong phần luận án 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 mơi trường; thuật tốn viết ngơn ngữ Matlab (dạng m file) động học (tính tốn động học thuận, tính tốn động học ngược phương pháp giải tích, tính tốn động học ngược phương pháp số), động lực học có tương tác Robot với mơi trường, xây dựng quỹ đạo, tìm kiếm tránh điểm kỳ dị, tránh vật cản cho Robot; xây dựng viết chương trình giao diện tính tốn, 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 3Robot tay máy bậc tự do-eRobot phần phụ lục Các kết mô hiển thị đồ họa trực quan kiểm chứng thực tế 148 Kết luận chung hướng phát triển Phần kết luận tổng kết lại nội dung mà luận án thực theo mục đích đề ban đầu Phần Tổng quan giới thiệu tình hình nghiên cứu ngồi 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 kiểu Kuka phục vụ mơ 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 mơ 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 do-eRobot cho phép xây dựng viết chương trình mơ eMRobot, mô 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 án sử dụng kết đạt phần Robot tay máy bậc tự do-eRobot để mô hoạt động hệ thống Robot thật hiển thị kết Các kết mô kiểm chứng để điều khiển eRobot Những kết luận án 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, tác giả tự nhận thấy 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 mơ hình giải số giải tích Robot hay mơ hình hỗn hợp giải số giải tích Robot, thuật tốn giải số hệ nhiều vật (có thể vật rắn vật biến dạng), tốc độ thuật giải độ xác mơ hình tốn với mơ hình Robot thật; vấn đề xây dựng, thiết lập quỹ đạo cho Robot, cần thêm thiết bị cảm biến, đo đại tin cậy; … Mặc dù nhiều khó khăn thử thách phía trước, tác giả hy vọng vào đam mê, tâm giúp đỡ bạn bè, thầy giáo, giáo, đồng nghiệp để biến ý tưởng thành thực phục vụ lợi ích người 149 Tài liệu tham khảo [1] Phillip John McKerrow: “Introduction to Robotics” Addison-Wesley Publishing Company 1991 [2] Ahmed A Shabana: “Dynamics of Multibody System” Cambridge University Press 1998 [3] Parviz E Nikravesh: “Computer-Aided Analysis of Mechanical Systems” PreticeHall A Division of Simon & Schuster Asia Pte Ltd., Singapore 1988 [4] Edward J Haug: “Computer Aided Kinematics and Dynamics of Mechanical Systems” Volume I: Basic Methods Allyn and Bacon A Division of Simon & Schuster, Massachusetts 1988 [5] Richard C Dorf and Robert H Bishop: “Modern Control Systems” Seventh Edition Addision - Wesley Publishing Company [6] Lung Wen Tsai: “Robot analysis - The Mechanics of Serial and Parallel Manipulators” A Wiley - Interscience Publication 1999 [7] Vũ Liêm Chính, Phan Ngun Di, Nguyễn Văn Khang: “Giáo trình động lực học máy” Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật 2001 (Quyển dịch) [8] Robert H Bishop - Editor-in-Chief: “The Mechatronics Handbook” CRC Press LLC 2002 [9] Hubert Hahn: “Rigid Body Dynamics of Mechanisms, Theoretical Basis” SpringerVerlag Berlin Heigelberg 2002 [10] Bajodah, A H., Hodges, D H., and Chen, Y., “Inverse Dynamics of ServoConstraints Based on the Generalized Inverse” Nonlinear Dynamics, vol 39,pp 179–196, 2005 [11] Blajer, W., “A Geometric Unification of Constrained System Dynamics” Multi-body System Dynamics, vol 1, pp 3–21, 1997 [12] Bruyninckx, H., and Khatib, O., “Gauss’ Principle and the Dynamics of Redundant and Constrained Manipulators” In Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics and Automation, vol 3, pp 2563–2568, SanFrancisco, April 2000 [13] De Sapio, V., and Khatib, O., “Operational Space Control of Multibody Systems with Explicit Holonomic Constraints” In Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation, vol 1, pp 470–475, Barcelona, April 2005 [14] Khatib, O., “A Unified Approach to Motion and Force Control of Robot Manipulators: The Operational Space Formulation” International Journal of Robotics Research, vol 3, no 1, pp 43–53, 1987 150 [15] Udwadia, F E., and Kalaba, R E.,: “Analytical Dynamics: A New Approach”, 1st ed., Cambridge: Cambridge Uinversity Press, 1996 [16] Đỗ Trần Thắng: “Hexapods for Mechanical Manufacturing Application in Vietnam” Proceedings: The 2nd Asia Youth Forum on Advanced Manufacturing AYFAM 2004, Tokyo, Japan 2004 [17] Đỗ Trần Thắng, Phạm Anh Tuấn: “Thiết kế Robot cấu song song ứng dụng gia cơng khí xác” Tuyển tập báo cáo Hội nghị Cơ học toàn quốc, kỷ niệm 25 năm thành lập Viện Cơ học, 2004 [18] Hoàng Nga, Đỗ Trần Thắng, Phạm Anh Tuấn: “Determination of Control data based on dynamics simulation for Hexapod” Proceedings: The 8th International Conference on Mechatronics Technology ICMT 2004, Hanoi, Vietnam 2004 [19] Lê Xuân Huy, Hoàng Nga, Đỗ Trần Thắng, Phạm Anh Tuấn: “Mô Thiết kế HEXAPOD cho gia công khí xác” Hội nghị Cơ điện tử tồn quốc lần thứ II Tp Hồ Chí Minh, 2004 [20] Nguyễn Cao Mệnh, Đỗ Trần Thắng: “On the technical diagnosis of ball-bearings by vibration measurement on non-rotating parts” Proceedings of the 5th Asian symposium on Applied Electromagnetics and Mechanics Science and Technology Publishing House, Hanoi, 2005 [21] Lê Xuân Huy, Đỗ Trần Thắng: “SACR - Một công cụ phần mềm mơ điều khiển Robot” Hội nghị tồn quốc lần thứ VI Tự động hoá VICA 6, 2005 [22] Lê Xuân Huy, Nguyễn Trường Thanh, Đỗ Trần Thắng: “SACR – A Software for Simulation and Control of the Parallel Robot PR6-01” Hội nghị Châu Á lần thứ Robot Tự động hố Cơng nghiệp Thái Lan, 2005 Hội nghị quốc tế lần thứ 50 Chế tạo máy xác từ cỡ micro đến cỡ nano CHLB Đức, 2005 [23] Sổ tay Cơ điện tử tập I, II (Mechatronics Handbook by Robert H Bishop) xuất Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, 2006-2008 [24] Đinh Văn Phong, Đỗ Trần Thắng: “Vấn đề tương tác Robot với môi trường khơng gian làm việc” Tuyển tập cơng trình Hội nghị Cơ học toàn quốc kỷ niệm 30 năm Viện Cơ học 30 năm Tạp chí Cơ học, 2009 [25] Đinh Văn Phong, Đỗ Trần Thắng, Nguyễn Hải Nguyên, Phạm Minh Quân: “Khảo sát động lực học cấu lân cận điểm kỳ dị” Tuyển tập hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ V, Hồ Chí Minh, 2010 [26] Dinh Van Phong, Do Tran Thang, Nguyen Hai Nguyen, Pham Minh Quan: “On a Robot controlling and simulation software” International Symposium on Dynamics and Control, Hanoi, 2011 151 [27] Đinh Văn Phong, Đỗ Trần Thắng: “Mô điều khiển lực tương tác Robot tay máy bậc tự với môi trường” Hội nghị Cơ học Toàn quốc VAM-2012, Hà Nội, 2012 [28] Gauss, K F.,: “ Uber ein neues allgemeines Grundgesetz der Mechanik (On a New Fundamental Law of Mechanics) Journal fă ur die Reine und Angewandte Mathematik, vol 4, pp 232–235, 1829 [29] Gibbs, J W.,: “On the Funfamental Formulae of Dynamics” American Journal of Mathematics, vol 2, pp 49–64, 1879 [30] Bruyninckx, H., and Khatib, O., “Gauss’ Principle and the Dynamics of Redundant and Constrained Manipulators” In Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics and Automation, vol 3, pp 2563–2568, San Francisco, April 2000 [31] Pars, L A.,: “A Treatise on Analytical Dynamics”, reprint, Woodbridge CT: OxBowPress, 1979 [32] Udwadia, F E., and Kalaba, R E.,: “Analytical DynamicsA New Approach”, 1st ed., Cambridge: Cambridge Uinversity Press, 1996 [33] Đỗ Trần Thắng cộng Báo cáo đề cấp Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo tay máy hàn thử nghiệm định hướng ứng dụng công nghiệp ôtô, xe máy”, 2012 [34] Bruno Siciliano, Luigi Villani, “Robot Force Control” , Kluwer Academic Publishers, 1999 [35] D.M Gorinevski, A.M Formalsky, A.Yu Schneider: “Force Control of Robotics Systems”.CRC Press, BocaRaton 1997 [36] Vincent De Sapio and Oussama Khatib: “Task-Level Approaches for the Control of Constrained Multibody Systems” Springer Science+Business Media B.V 2006 [37] K Salisbury: “Active stiffness control of a manipu-lator in Cartesian coordinates”, 19th IEEE Conf Decis Contr (Albuquerque, 1980) pp 95–100 [38] M.H Raibert, J.J Craig: “Hybrid position/force control of manipulators”, ASME J Dyn Syst Meas Contr 103,126–133 (1981) [39] A De Luca, C Manes: “Modeling robots in contact with a dynamic environment”, IEEE Trans Robot Autom 10, 542–548 (1994) [40] J De Schutter, T De Laet, J Rutgeerts, W De-cré, R Smits, E Aerbeliën, K Claes, H Bruyninckx: “Constraint-based task specification and estimation for sensor-based robot systems in the presence of geometric uncertainty”, Int J Robot Res 26(5), 433–455 (2007) 152 [41] Đinh Văn Phong, Đỗ Trần Thắng, Nguyễn Hải Nguyên, Phạm Minh Quân: “Mô động lực học cho điều khiển Robot chuỗi bậc tự do” Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ trường đại học kỹ thuật-Đại học Bách Khoa Hà Nội 2013 [42] Trần Hồng Nam: “Giải tốn ngược động học, động lực học điều khiển trượt Robot dư dẫn động dựa thuật toán hiệu chỉnh gia lượng véc tơ tọa độ suy rộng” Luận án Tiến sĩ kỹ thuật 2010 [43] Bruno siciliano: “Kinematic Control of Redundant Robot Manipulators: A Tutorial” Journal of lntelligent and Robotic Systems 3: 201-212, 1990 1990 Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands [44] Nakamura, Y.and Hanafusa, H.,: “Optimal redundancy control of robot manipulators”, Internat J Robot Res 6(I), 32-42 1987 [45] Oussama Khatib: “Real-time Obstacle Avoidance for Manipulators and Mobile Robots” The international Journal of Robotics Research Vol 5, No 1, Spring 1986 ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ TRẦN THẮNG 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 Chuyên... thức nghiên cứu chuyên sâu tương tác Robot với môi trường quan tâm giới là: vấn đề điểm kỳ dị tránh điểm kỳ dị không gian làm việc Robot, vấn đề Robot tìm kiếm tự tránh vật cản môi trường làm việc, ... việc mô phỏng, phân tích lực tương tác Robot với mơi trường nhiều ứng dụng  Xây dựng sở khoa học cho thiết kế chiến lược điều khiển lực tương tác Robot với môi trường 9  Ứng dụng kết đạt vào