Nghiên cứu, khảo sát các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành của robot công nghiệp

Nghiên cứu, khảo sát các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành của robot công nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

PHẠM THÀNH LONG

NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG CHẤP HÀNH

CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2009

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

PHẠM THÀNH LONG

NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG CHẤP HÀNH

CỦA ROBOT CÔNG NGHIỆP

Nơi công tác: Bộ môn Cơ điện tử, khoa Cơ khí, ĐHKT CN Thái Nguyên

Tên đề tài: Nghiên cứu, khảo sát các thông số làm việc của hệ thống chấp hành của robot công nghiệp

Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy Mã số: 2.01.09

Tôi xin cam đoan, đây là luận án của riêng tôi Các kết quả mới trình bày trong luận án là do tôi phát triển, và chưa từng được công bố trong bất kì một tài liệu nào

Thái Nguyên, ngày 27 tháng 11 năm 2008

Người viết

PHẠM THÀNH LONG

MỤC LỤC

Mục Nội dung Trang

1.1.1 Hệ thống chấp hành của robot công nghiệp 19 1.1.2 Tổng quan về cổ tay cầu truyền động song song dư 25 1.1.3 Robot và các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành 28 1.1.4 Khởi tạo, đo đếm và truyền thông số 29

4

CHƯƠNG 2 - GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƯỢC TRONG ĐIỀU KHIỂN ROBOT

2.2.1 Dữ liệu động học và vị trí của bài toán ngược trong điều khiển 41 2.2.2 Các phương pháp xây dựng dữ liệu động học 42

2.3 Bài toán động học trên quan điểm điều khiển thời gian thực 43 2.3.1 Một số vấn đề cơ bản về động học robot 43 2.3.2 Hiệu quả giải thuật trên quan điểm điều khiển thời gian thực 45

2.4.1 Cơ sở của việc thay đổi kiểu bài toán 46 2.4.2 Số bậc tự do của robot và các dạng bài toán tối ưu 49

2.5 Tự động hoá xác định các biến trong điều khiển động học robot 51 2.5.1 Giải thuật trên cơ sở bài toán tối ưu 51 2.5.2 Khả năng ứng dụng của giải thuật trên máy tính 52

2.6.1 Bài toán quy hoạch phi tuyến và nghiệm tối ưu của nó 53 2.6.2 Các phương pháp triển vọng với dạng hàm mục tiêu Banana 54 2.6.2.1 Phương pháp cầu phương tuần tự (SQP) 54 2.6.2.2 Phương pháp Giảm Gradient tổng quát (GRG) 55

2.6.3 Môi trường lập trình và lựa chọn hàm chức năng 57

2.7.1 Giới thiệu chung về giải thuật và phương pháp 61 2.7.2 Minh hoạ các thao tác chính với công cụ Solver 65

3.1.4 Tính thực dụng, khả năng lồng ghép các yêu cầu riêng 71

3.2.1 Cơ cấu ba khâu phẳng (Toàn khớp quay) 72 3.2.2 Robot Adept-One (Bốn bậc tự do, q3 tịnh tiến) 75 3.2.3 Robot Scorbot (Năm bậc tự do toàn khớp quay) 77 3.2.4 Robot Stanford (Sáu bậc tự do, q3 tịnh tiến) 79 3.2.5 Robot Elbow (Sáu bậc tự do toàn khớp quay) 82 3.2.6 Robot Puma (Sáu bậc tự do toàn khớp quay) 85 3.2.7 Robot Fanuc (Sáu bậc tự do toàn khớp quay) 88

3.3.6 Xây dựng đặc tính chuyển động trong không gian khớp

3.3.6.1 Biến khớp q6

3.3.6.2 Biến khớp q5

3.3.6.3 Biến khớp q4 3.3.6.4 Biến khớp q3 3.3.6.5 Biến khớp q2

3.3.6.6 Biến khớp q1

6

4.1.2.2 Các cổ tay tám khâu trên cơ sở cổ tay bảy khâu 126

4.3.1 Giới thiệu về cổ tay robot cầu có phần đóng mạch 128

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC

GIẢ (Các bài báo, các công trình đã công bố của tác giả về nội 142

dung của đề tài luận án)

Phụ lục 5: Mã nguồn chương trình điều khiển robot thí nghiệm

Phụ lục 6: Mã nguồn chương trình mô phỏng động học robot

Phụ lục 7: Phương trình đặc tính chuyển động của các biến khớp

Phụ lục 8: Khai triển sơ đồ cổ tay cầu truyền động song song

1 a( ) Approach (Véc tơ hướng tiếp cận vật thể của bàn kẹp)

2 ai Lượng tịnh tiến dọc theo trục ox (mm) 3 Ai Ma trận truyền giữa khâu (i-1) và khâu (i)

4 aij Hệ số thứ (i) của đa thức nội suy thứ (j) 5 AT Transpose (A)

7 CAD Computer Aided Design

8 CAM Computer Aided Manufacturing 9 Cijk Cos(qi + qj + qk)

10 CNC Computer Numerical Control

11 D Miền thỏa mãn các ràng buộc vật lí của các khớp 12 DH Denavit-Hartenbeg

13 di Lượng tịnh tiến dọc theo trục oz (mm) 14 E Véctơ mô tả mũi dụng cụ (hoặc tâm bàn kẹp) trong hệ quy chiếu chung 15  Sai lệch tuyệt đối cho phép của hàm mục tiêu

16 EUL Euler

17 GA Genetic algorithms

18 GRG Generalized Reduced Gradient 19 IR Industrial Robot

20 J Véctơ định vị điểm đặt robot so với hệ quy chiếu chung

21 Li Lower bound (i)

22 m Độ cơ động của tay máy 23 MRO Minimal Represent Orient

24 n( ) Normal (Véc tơ pháp tuyến của mặt phẳng chứa s, a) 25 n Số bậc tự do của robot

26 NC Numerical Control 27 qi Biến khớp thứ (i)

28 qi’ Vận tốc (dài/góc) khớp thứ (i) 29 qi” Gia tốc (dài/góc) khớp (i) 30 RPY Roll-Pitch-Yaw

31 s( ) Sliding (Véc tơ hướng đóng mở bàn kẹp) 32  Hệ số phục vụ của robot

33 Sijk Sin(qi + qj + qk)

34 SQP Sequential quadratic programming 35 0Tn Phương trình động học thuận

36 i1Ti Biểu diễn của hệ quy chiếu (i) trong hệ quy chiếu (i-1)

37 j Thời gian thực ứng với điểm cuối đoạn quỹ đạo thứ (j) (sec) 38 j1 Thời gian thực ứng với điểm đầu đoạn quỹ đạo thứ (j) (sec) 39 Ui Upper bound (i)

10

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

2.4 Ý nghĩa các thuật ngữ của Solver trên giao diện chương trình 62 2.5 Ý nghĩa các tùy chọn trong Option của công cụ Solver 63 3.1 Bảng kết quả bài toán ngược cơ cấu ba khâu phẳng 74 3.2 So sánh kết quả hàm mục tiêu cơ cấu ba khâu phẳng 74

3.22 Bảng DH của robot VR-006CII

3.23 Bảng toạ độ điểm chốt Pi trên quỹ đạo trong không gian Oc3.24 Bảng toạ độ điểm chốt Pi trên quỹ đạo trong không gian OB3.25 Kết quả bài toán ngược tại các điểm chốt trên quỹ đạo

12

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

1.4 Bàn tay sử dụng cơ bắp và bàn tay truyền động cơ khí 20

1.8 Ứng dụng HGT bánh răng sóng quay thân và quay cánh tay 22

1.12 Kết cấu và nguyên lí hoạt động của Encorder 30

2.4 Sơ đồ điều khiển trong không gian công tác 41

2.6 Sơ đồ thuật toán giải bài toán ngược động học 51

2.9 Giá trị hàm mục tiêu theo phương tìm kiếm 57

2.11 Khởi tạo bài toán tối ưu cho robot Puma 65

3.1 Sơ đồ động học cơ cấu ba khâu phẳng 73

3.8 Sơ đồ động robot VR-006CII

3.9 Vùng làm việc của robot VR-006CII

3.10 Mối ghép hàn giữ mặt nón và mặt trụ trong vận tải đường ống 3.11 Đường cong ghềnh trong không gian

3.12 Sơ đồ bố trí vật hàn trong không gian làm việc của robot 3.13 Hiển thị List sau khi dùng Divide

3.14 Sơ đồ định hướng giữa mỏ hàn và vật thể 3.15 Đồ thị chuyển vị q6 trong 1,5 chu kỳ 3.16 Đồ thị vận tốc q6 trong 1,5 chu kỳ 3.17 Đồ thị chuyển vị q5 trong 1,5 chu kỳ 3.18 Đồ thị vận tốc q5 trong 1,5 chu kỳ 3.19 Đồ thị chuyển vị q4 trong 1,5 chu kỳ 3.20 Đồ thị vận tốc q4 trong 1,5 chu kỳ 3.21 Đồ thị chuyển vị q3 trong 1,5 chu kỳ 3.22 Đồ thị vận tốc q3 trong 1,5 chu kỳ 3.23 Đồ thị chuyển vị q2 trong 1,5 chu kỳ 3.24 Đồ thị vận tốc q2 trong 1,5 chu kỳ 3.25 Đồ thị chuyển vị q1 trong 1,5 chu kỳ 3.26 Đồ thị vận tốc q1 trong 1,5 chu kỳ 3.27 Chuyển vị trong không gian khớp

3.28 Quỹ đạo mỏ hàn trong không gian công tác

14

3.33 Xác lập trạng thái chuyển động cho từng động cơ 93

4.4 Cơ cấu cổ tay 8 khâu trên cơ sở dẫn xuất 126

4.9 Sơ đồ nguyên tắc truyền động song song dư 129

4.15 Sơ đồ động cổ tay ba bậc tự do có phần đóng mạch 137

MỞ ĐẦU

Con người từ lâu đã muốn chế tạo một cỗ máy có thể bắt chước kỹ năng lao động

của đôi tay, thay mình làm những việc nặng và nguy hiểm Robot là đối tượng được con người gửi gắm nhiều tri thức về y khoa, cơ khí, điện-điện tử, công nghệ thông tin và điều khiển học Từ chỗ vô tri vô giác, chuyên đảm nhiệm những công việc lao động cơ bắp đơn thuần Robot ngày nay có khả năng quan sát, cảm nhận bản thân và môi trường xung quanh Việc thành công bước đầu trong những nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo, hứa hẹn robot trong tương lai có những hành xử giống như con người

Vào những năm 1920 khái niệm robot đã xuất hiện, đến cuối những năm 1940 có những robot thực sự đầu tiên Đến những năm 1980, kỹ thuật điều khiển số và tự động hóa làm cho các thiết bị điều khiển nhiều trục như robot và máy CNC có sự chuyển biến đáng kể về mặt công nghệ Những năm gần đây các thành tựu về cơ-tin-điện tử, các hệ chuyên gia, mạng nouron và công nghệ nano, làm cho lĩnh vực robot có một bước tiến dài, mở rộng phạm vi ứng dụng ra nhiều mặt và trở thành một chuyên ngành hấp dẫn nhất của kỹ thuật

1-Tính cấp thiết của đề tài

Ngành công nghiệp thế giới đã trải qua nhiều cuộc cách mạng trong quá khứ, những cuộc cách mạng làm thay đổi cả thế giới chúng ta đang sống Robot và tự động hóa là một cuộc cách mạng vĩ đại, vì mục đích của nó là giải phóng con người ra khỏi những lao động nặng nhọc Do đó, có thể thấy con người mong đợi sự xuất hiện của những robot hoàn hảo đến thế nào

Mặc dù robot và robot công nghiệp đã, đang được sử dụng rộng rãi song bản thân là giao thoa của nhiều lĩnh vực kỹ thuật mũi nhọn, không ngừng phát triển nên luôn có những giới hạn bị đẩy lên cao hơn Bên cạnh đó động học, động lực học robot vẫn được coi là còn nhiều yếu tố chưa rõ khi phân tích khảo sát theo phương pháp giải tích Điều đó thể hiện rằng những ứng xử của cấu trúc trong quá trình làm việc, chưa được hiểu biết đầy đủ Để có thể ứng dụng robot vào những công việc đòi hỏi thao tác tinh vi nhất, cần có thêm nhiều nỗ lực nhằm làm chủ các quá trình động học và động lực học

16

Ngày nay robot đã được sử dụng phổ biến trên thế giới nhưng vẫn chưa được khai thác đúng mức ở Việt Nam Ngoài nguyên nhân về đầu tư ban đầu lớn, thì một trong những nguyên nhân khác là do chưa có đầu tư nghiên cứu đầy đủ trong nước, khiến các kiến thức chuyên nghành của lĩnh vực này chưa được phổ cập cho lực lượng sử dụng thiết bị cũng như cán bộ nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật này Mặt khác có những kỹ thuật đang sử dụng rất phức tạp, việc tiếp cận đối với những vấn đề này có nhiều trở ngại, nếu có thể thay thế bằng một kỹ thuật đơn giản hơn sẽ tạo thuận lợi đáng kể

Các thông số điều khiển robot như quỹ đạo, vận tốc, gia tốc, lực…trên các robot nhập ngoại đã được các hãng sản xuất tích hợp và cài đặt sẵn trên thiết bị Trong khi đó để thực hiện các công việc phức tạp, các dữ liệu này cần can thiệp điều chỉnh theo ý đồ Điều đó đã gây khó khăn cho người sử dụng trong chuẩn bị dữ liệu Chẳng hạn vì lí do giá thành, nhà sản xuất chỉ trang bị bộ nội suy cung tròn và bộ nội suy đường thẳng cho robot hàn Việc gia công các đường cong ghềnh không gian nằm trong khả năng của cấu trúc chấp hành, song vượt ra ngoài khả năng của hệ điều khiển được trang bị

Các thông số động học, động lực học đã được nghiên cứu nhiều, nhưng chưa thực sự chú trọng đến tính thực dụng trong điều khiển thời gian thực Trong đó các thông số động học, chủ yếu nhận được thông qua giải hệ phương trình ràng buộc, chưa kể đến giới hạn cơ học của các khớp Do vậy việc chọn nghiệm điều khiển từ nghiệm toán học thường làm kéo dài thời gian vô ích

Nhằm đáp ứng phần nào các đòi hỏi trên đây, tác giả tập trung nghiên cứu giải quyết vấn đề:

“Nghiên cứu, khảo sát các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành của robot

công nghiệp”

2-Mục đích nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu về các đặc tính làm việc của robot công nghiệp Cũng như phương pháp xây dựng những đặc tính này, chuẩn bị cho lập trình điều khiển Đánh giá tính hiệu quả các phương pháp đó trên một số phương diện như thời gian

thực hiện, độ chính xác của dữ liệu và khả năng ứng dụng máy tính của từng phương pháp

Trọng tâm của đề tài là xây dựng một thuật toán mới giải bài toán động học ngược của tất cả các robot dạng chuỗi động học hở không giới hạn về số bậc tự do Thuật toán áp dụng với các cấu trúc robot khác nhau theo một trình tự chung và có thời gian thực hiện ngắn hơn, dễ sử dụng hơn so với các phương pháp hiện nay Trên cơ sở giải thuật đề xuất, xây dựng một chương trình máy tính hỗ trợ chuẩn bị dữ liệu điều khiển động học robot Thực hiện các phép thử cần thiết trên các đối tượng khác nhau để kiểm tra tính đúng đắn của giải thuật

3-Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các đặc tính động học của robot, có cấu trúc chuỗi động học hở Chủ yếu tập trung vào phương pháp giải bài toán động học ngược, xác định các thông số tọa độ suy rộng phục vụ điều khiển chuyển động Các thông số động học được xác định qua mô hình toán, việc xác định các thông số này bằng con đường lí thuyết, sau đó kiểm chứng lại kết quả với cách làm truyền thống, kết quả mô phỏng, sẽ đảm bảo tính khách quan của vấn đề

4-Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

+ Sử dụng máy tính giải bài toán động học ngược, làm cơ sở cho việc tự động hóa chuẩn bị dữ liệu điều khiển động học robot Xây dựng được các đặc tính làm việc của biến khớp, gồm đặc tính chuyển vị, vận tốc và gia tốc

+ Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở cho các hướng nghiên cứu mở rộng, nâng cao hơn nhằm tối ưu hóa hoạt động của cấu trúc chấp hành Từ bài toán này có thể nghiên cứu về việc giữ ổn định cho cấu trúc thông qua hạ thấp trọng tâm cơ cấu, tránh va đập, dịch chuyển tối thiểu, xác định vùng làm việc…

Chương 2: Giải bài toán động học ngược trong điều khiển robot

Chương 3: Ứng dụng máy tính giải bài toán ngược và xây dựng các đặc tính động

học của biến khớp

Chương 4: Tổng hợp động học cơ cấu cổ tay robot ba bậc tự do

Kết luận chung, kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo

Danh mục các công trình đã công bố của tác giả có liên quan đến đề tài luận án Tài liệu tham khảo

Phần phụ lục của luận án



CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG CHẤP HÀNH TRÊN ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Robot công nghiệp và các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành

Hệ thống chấp hành của robot công nghiệp bao gồm các khâu trên cánh tay như:

- Bệ đỡ (Waist); - Vai (Shoulder); - Khuỷu tay (Elbow); - Cẳng tay (Fore arm); - Cổ tay (Wrist); - Các khớp (joint);

- Bàn kẹp và các ngón kẹp (Hand);

Mỗi tư thế của robot được mô tả bằng một bộ thông số gọi là các toạ độ suy rộng, thường là giá trị của các biến khớp Tập hợp giá trị các thông số trong cả quá trình làm việc biến thiên theo một luật xác định gọi là đặc tính

Các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành gồm chuyển vị, vận tốc và gia tốc của các khâu nói trên trong không gian công tác và không gian khớp Để lập trình chuyển động cho robot, các đặc tính chuyển vị, vận tốc, gia tốc cần mô tả dưới dạng một biểu thức giải tích là hàm của thời gian thực

1.1.1 Hệ thống chấp hành của Robot công nghiệp

Khảo sát hầu hết các định nghĩa về robot công nghiệp hiện nay, có thể thấy một

điểm chung đều cho rằng “robot công nghiệp gồm phần chấp hành dạng tay máy có

một số bậc tự do công tác và một hệ thống điều khiển có khả năng tái lập trình để thực hiện các công việc khác nhau.”

Thực tế thì cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp có thể mô tả như sau:

19

Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp

Khái niệm hệ thống chấp hành để chỉ một tay máy, phần trực tiếp thao tác những công việc được lập trình sẵn bằng một cơ cấu gắp hoặc bằng các dụng cụ mang trong cơ cấu đó

Những robot công nghiệp hay tay máy ban đầu có kết cấu phỏng sinh nên có những phần tương tự như cánh tay người, tức là cũng có khớp bả vai, khớp khuỷu tay, khớp cổ tay

Hình 1.2: Robot, bộ dạy học và bộ điều khiển

Qua quá trình sáng tạo, cải tiến theo các định hướng sử dụng riêng phần cánh tay có thể có hình dáng khác xa với ban đầu mà điển hình là các robot song song

Hình 1.3: Một robot song song

Nếu như ban đầu robot chỉ gồm các khâu khớp cơ khí liên kết thành chuỗi động học thì ngày càng có nhiều robot sử dụng các phần tử truyền dẫn đa dạng hơn

Hình 1.4: Bàn tay sử dụng cơ bắp và bàn tay truyền động cơ khí

Hình 1.5: Bàn tay sử dụng giác hút chân không

Hình 1.6: Bàn tay sử dụng truyền động đai

Hình 1.7: Cổ tay cầu truyền động song song dư

B

21

Hệ thống chấp hành của robot công nghiệp cũng là nơi ứng dụng nhiều hình thức truyền dẫn đặc chủng như:

- Hộp giảm tốc bánh răng sóng; - Hộp giảm tốc chốt – con lăn; - Bộ truyền vít me – đai ốc bi; - Truyền động đai răng;

- Truyền động bánh răng Epicyclic

1312 1112

Hình 1.8: Hộp giảm tốc bánh răng sóng

ứng dụng truyền động quay thân và quay cánh tay

Hiện tại hệ thống chấp hành của Robot công nghiệp sử dụng nhiều dạng năng lượng:

- Truyền động điện (Robot lắp ráp cỡ nhỏ- Scara);

- Truyền động thuỷ lực (Các robot cần trục mang tải lớn);

- Truyền động khí nén (Yêu cầu tác động nhanh như các tay máy gạt, gắp, thay đổi dao cụ cho máy công tác)

Vì tỉ số

của các hình thức truyền động, mức độ phi tuyến của các đặc

tính khác nhau nên các thông số điều khiển lực cũng khác nhau

Để chủ động tạo ra một số yếu tố có lợi cho quá trình làm việc, các thiết kế có xu hướng đưa động cơ về gần phía giá và sử dụng truyền động đai nhằm hạ thấp trọng tâm của cấu trúc (Hình 1.1), hoặc sử dụng đối trọng cho phần cánh tay như (Hình 1.9) dưới đây, cả hai thiết kế trên nhằm giảm nhỏ công suất động cơ truyền dẫn

Hình 1.9: Đối trọng cho cánh tay

Các ví dụ nêu trên phần nào phản ánh sự đa dạng của hệ thống chấp hành không chỉ về kết cấu, hình thức dẫn động, vật liệu, mà còn cho thấy sự phức tạp trong việc điều khiển hệ thống đó của robot công nghiệp

Chương 4 của luận án phát triển hình thức truyền động đặc trưng của hệ thống chấp hành robot, là cổ tay cầu sử dụng truyền động song song dư Dưới đây giới thiệu tổng quan về dạng truyền động này

1.1.2 Tổng quan về cổ tay robot cầu truyền động song song dƣ

Các truyền động song song dư có đặc trưng độ cứng vững cơ học cao, khả năng tải lớn do sử dụng hai đường động lực Đồng thời còn có khả năng khử khe hở và khử chuyển động theo trong cấu trúc

Những đặc tính trên của truyền động song song dư nếu kết hợp với dạng truyền động bánh răng Epicyclic sẽ đạt được bố trí không gian nhỏ gọn, thích hợp với kết cấu của các cổ tay robot ba bậc tự do yêu cầu năng lực công tác lớn, độ tin cậy cao cho các ứng dụng quan trọng như chuyển tải vật liệu phóng xạ, thám hiểm không gian

Cổ tay là một phần trên cánh tay của robot, thông thường đây là khâu có chức năng định hướng phần công tác Trong thiết kế thường có xu hướng lấy chiều dài các khâu thuộc cánh tay lớn hơn các khâu thuộc cổ tay, những khâu này thường giữ chức năng đưa phần công tác sơ bộ đạt được định vị cần thiết

23

Trên thực tế độ chính xác và linh hoạt của thao tác phụ thuộc khá nhiều vào cổ tay Đây cũng là khâu có kết cấu phức tạp và đa dạng được nhiều tập đoàn lớn đầu tư nghiên cứu

Cổ tay (wrist) là khâu nằm giữa bàn tay (hand) và cẳng tay (forearm), đồng thời giữ vai trò liên kết các khâu này Thông thường vì yêu cầu giảm quán tính, ưu tiên không gian thao tác lớn và hạ thấp trọng tâm phần công tác nên nguồn động lực của cổ tay và cả bàn tay được bố trí xa tâm quay của nó

Cổ tay có tối đa ba bậc tự do và thường ít gặp các cổ tay chỉ có một bậc tự do Vì giữ chức năng định hướng nên các cơ cấu cổ tay chỉ cấu tạo từ các khớp bản lề, đó còn là lí do liên quan đến dẫn động

Cổ tay hai bậc tự do thường kết hợp với phần cơ sở có ba bậc tự do tạo thành robot năm bậc tự do Robot kiểu này có khả năng định vị và định hướng được một đường thẳng, thường dùng cho các ứng dụng phun sơn, hàn điểm, lắp ráp hoặc cấp phôi Chuyển động của cổ tay thường là chuyển động Roll-pitch, thiếu chuyển động Yaw Điển hình cho kiểu robot này là họ robot Scorbot

Hình 1.10: Cổ tay robot Scorbot hai bậc tự do

Các cổ tay robot ba bậc tự do nếu truyền động bánh răng Epicyclic đòi hỏi tính toán khá phức tạp Nếu cổ tay ba bậc tự do kết hợp với phần cơ sở có đủ ba bậc tự do robot sẽ có khả năng định vị và định hướng vật thể bất kì trong không gian Cổ tay robot có ba bậc tự do truyền dẫn bánh răng epicyclic có hai kiểu chính:

- Cổ tay nghiêng (nếu các trục quay của cổ tay không tạo với nhau những góc 900), loại cổ tay này có chuyển động góc không bị giới hạn, vùng làm việc của nó là mặt cầu lí tưởng

- Cổ tay thường (nếu các trục quay của cổ tay tạo với nhau góc 900), loại cổ tay này thường có 1 chuyển động pitch không toàn vòng, vùng làm việc là một phần mặt cầu

Các ứng dụng cho cổ tay kiểu này thường là phun sơn, hàn đường, lắp ráp

Cổ tay ba bậc tự do có một kết cấu đặc biệt là trường hợp ba trục khớp quay đồng quy tại một điểm gọi là tâm cổ tay, khi đó ba bậc tự do của khớp cổ tay tương đương với một khớp cầu không gian Kiểu cổ tay này cho phép giải bài toán động học theo phương pháp truyền thống dễ dàng hơn vì tách riêng được hai thao tác định vị và định hướng phần công tác riêng biệt

Trong thực hành, thiết kế cổ tay đạt hiệu quả khi hội đủ các đặc điểm: - Ba bậc tự do;

- Chuyển động cầu;

- Khoảng định hướng góc lớn; - Khả năng nhận truyền động từ xa;

- Kích thước gọn, trọng lượng nhẹ, quán tính thấp; - Độ lặp và độ chính xác cao;

- Độ cứng cơ học cao; - Giá thành sản xuất thấp;

- Thiết kế tin cậy và chắc chắn

Nếu điều khiển mạch hở cổ tay phải có khả năng khử rơ ban đầu trong cấu trúc và khử khe hở sinh ra do mòn, nhằm khắc phục độ trễ của khâu chấp hành

Nhận dạng cấu trúc phần đóng mạch của cổ tay robot truyền động song song dư đòi hỏi xây dựng một số mô hình toán học, dựa trên phương trình mạch cơ sở của bánh răng epicyclic Các vấn đề này được trình bày trong chương 4, kết cấu của cổ tay thí nghiệm trình bày trong phụ lục của luận án

1.1.3 Robot và các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành

Theo sơ đồ cấu trúc cơ bản của robot (H 1.1), các thông số mà robot tiếp nhận trong quá trình làm việc có thể chia thành hai nhóm cơ bản:

- Các thông số về trạng thái hệ thống;

- Các thông số về trạng thái môi trường làm việc;

25

Như vậy liên quan đến hệ thống chấp hành ở đây chỉ có các thông số về trạng thái

hệ thống Quan tâm đến thông số điều khiển hệ thống chấp hành gồm hai nhóm thông số chính:

- Các thông số điều khiển động học; - Các thông số điều khiển động lực học;

Cụ thể hơn, các thông số thuộc nhóm động học gồm:

(1) Vị trí và định hướng của khâu tác động cuối trong không gian công tác; (2) Vị trí và định hướng của khâu tác động cuối trong không gian khớp;

(3) Vận tốc và gia tốc của khâu tác động cuối trong từng động trình trên ngõ ra; (4) Vận tốc và gia tốc của khâu tác động cuối trong từng động trình trên ngõ vào; Các thông tin (2,4) thường là kết quả của việc giải bài toán ngược, chúng được sử dụng làm thông số điều khiển động học cấu trúc chấp hành

Các thông tin (1,3) thường được mô tả tại các điểm chốt của quỹ đạo, vì vậy để có thông số điều khiển cho cả động trình thông thường cần thêm một thao tác nội suy số liệu trung gian

Tóm lại bài toán động học đòi hỏi các thông tin về chuyển vị của từng khâu (qi) trong không gian khớp, và các đạo hàm cấp 1, cấp 2 của nó

Các thông số thuộc nhóm động lực học phục vụ điều khiển gồm:

(5) Lực suy rộng (Lực hoặc mômen tối thiểu đặt vào khớp để phát động chuyển động)

Thông thường robot công nghiệp hiện đại duy trì cả hai mạch điều khiển lực và điều khiển chuyển vị Vì vậy có thể nói 5 nhóm thông tin trên là các thông số cơ bản để điều khiển robot hoạt động

Trong quá trình làm việc vị trí và định hướng của robot có thể sai lệch do các nguyên nhân khác nhau, bản thân cấu trúc có thể bị biến dạng dưới tác dụng của ngoại lực trong quá trình làm việc Nhằm hiệu chỉnh các sai lệch này có thể sử dụng các giải thuật bù, điều này dẫn đến các thông số làm việc của robot có thể bao gồm cả các thông số bù:

(6) Các thông số bù sai lệch định vị; (7) Các thông số bù sai lệch định hướng;

(8) Các thông số bù sai lệch hình dáng do biến dạng dưới tác dụng ngoại lực

1.1.4 Khởi tạo, đo đếm và truyền thông số

Dữ liệu phục vụ điều khiển phụ thuộc vào phương thức điều khiển

Trong phân loại robot theo tiêu chuẩn Nhật, có một nhóm robot điều khiển bằng tay dựa trên nguyên lý tương tự Loại robot này chấp nhận dữ liệu điều khiển động học là chuyển vị của cơ cấu mẫu gắn với tay người thao tác Sự hồi tiếp lực cho phép người công nhân cảm nhận được tải trọng của cơ cấu chấp hành

Kỹ thuật dạy hoc (Teach - in), sử dụng một bộ điều khiển và một thiết bị Remote – control (Hình 1.1), xác nhận dữ liệu vị trí và định hướng của khâu chấp hành cuối thông qua các cảm biến gắn với cơ cấu chấp hành Trong khi đó kỹ thuật xử lí ảnh thường được ứng dụng để tìm đường đi cho các Mobile – robot

Các cơ cấu điều khiển bằng công tắc hành trình cứng không được chấp nhận là robot, vì vậy phương thức điều khiển tiếp theo ứng dụng cho robot là điều khiển số

- Nếu truyền động mạch hở (đòi hỏi độ trễ truyền động cơ khí nhỏ), lượng dịch chuyển được xác định ngay trên trục động cơ;

- Nếu điều khiển mạch kín, chuyển vị được xác định trên khâu chấp hành Thiết bị thông dụng để xác định chuyển vị là các Encorder dựa trên nguyên lí quang điện

Hình 1.12: Kết cấu và nguyên lí hoạt động của Encorder

Các giới hạn chuyển vị được nhận biết bằng các khoá chuyển mạch

Hình 1.13: Hai kiểu khoá chuyển mạch thông dụng

Trong điều khiển thông minh, dữ liệu được hình thành dựa trên các suy luận ảo của mạng nơron Lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy control) sẽ tự động xây dựng thông số làm việc dựa trên những luật điều khiển đã được huấn luyện trước Đây là phương thức điều khiển có nhiều triển vọng hiện đang được tiếp tục nghiên cứu Một hình thức khởi tạo tín hiệu đặc biệt khác bước đầu đã thu được kết quả rất khả quan là sử dụng xung điện của não bộ đã khuyếch đại điều khiển các chi nhân tạo của người tàn tật Nếu chi đó là tay máy gắn vào tay người sử dụng, cần hiểu rằng tay máy này không thuộc nhóm điều khiển bằng tay

Trong [8] còn trình bày hệ thống tự động linh hoạt Tipros-90 gồm các robot công nghiệp nhận tín hiệu điều khiển bằng tiếng nói

Để truyền dữ liệu hai chiều giữa robot và bộ điều khiển thường sử dụng sơ đồ kết nối:

Máy tính nối với Controller-USB thông qua modul USB, modul này lại nối với robot thông qua cable giao diện, có thể sử dụng các cổng tín hiệu số hoặc tương tự

1.2 Robot và các bài toán cơ học cơ cấu chấp hành

Các bài toán cơ học cơ cấu là căn cứ xác định các thông số làm việc của hệ thống

chấp hành, việc điều khiển robot không thể không dựa trên các mô hình động học và động lực học cơ cấu

Thông thường thông tin về quỹ đạo trong không gian khớp, nhận được khi giải bài toán động học ngược được sử dụng để điều khiển chuyển vị

Thông tin về lực tổng quát dựa trên các mô hình động lực học của Newton- Euler, Đalambe, hay Lagrange là cơ sở thiết kế các sơ đồ điều khiển lực

1.2.1 Động học

Động học nghiên cứu chuyển động nhưng không xét đến các lực hoặc các mômen gây ra chuyển động Động học chỉ xét vị trí, vận tốc, gia tốc và các đạo hàm cấp cao của các biến vị trí theo thời gian hoặc theo các biến khác Do đó động học chỉ đề cập các tính chất hình học và thời gian của chuyển động Các biến khớp của cơ cấu chấp hành liên quan đến vị trí và định hướng của đầu tác động theo các ràng buộc của các khớp đó Các quan hệ động học này là tiêu điểm nghiên cứu động học các cơ cấu chấp hành robot Nghiên cứu này có thể tiếp cận theo hai quan điểm giải tích động học và tổng hợp động học, hai quan điểm này có liên quan chặt chẽ với nhau

1.2.1.1 Bài toán giải tích động học

Giải tích động học nghiên cứu về đạo hàm, vi phân, tích phân của các chuyển

động tương đối Có hai kiểu bài toán giải tích động học là động học thuận và động học ngược Trong lập trình cơ cấu chấp hành, tập hợp các vị trí và định hướng mong muốn, các đạo hàm thời gian của vị trí và định hướng của đầu tác động, được chuyên biệt trong không gian Vấn đề là tìm mọi tập hợp khả dĩ của các biến khớp động, là các đạo hàm thời gian tương ứng của chúng để đầu tác động đạt vị trí và

29

định hướng mong muốn với các đặc tính chuyển động theo yêu cầu Vấn đề này được gọi là động học ngược Mặt khác, đôi khi các biến khớp động và các đạo hàm thời gian của chúng có thể nhận được từ các cảm biến lắp trong khớp, từ đó có thể tìm mọi tập hợp khả dĩ về vị trí và định hướng của đầu tác động và các đạo hàm thời gian tương ứng của chúng Điều này được gọi là động học thuận Vấn đề về động học thuận và động học ngược đều có thể giải quyết bằng nhiều phương pháp giải tích, chẳng hạn giải tích véc tơ hình học, đại số ma trận,…

1.2.1.2 Bài toán tổng hợp động học

Tổng hợp động học là quá trình ngược của giải tích động học Trong trường hợp này cần thiết kế cơ cấu chấp hành có các tính chất động học mong muốn Đặc biệt, với tập hợp các vị trí và định hướng của đầu chấp hành đã biết và các đạo hàm của chúng trong không gian, cần xác định các biến khớp động tương ứng, kiểu loại và dạng hình học của cơ cấu chấp hành Vấn đề tổng hợp động học có thể được chia thành ba giai đoạn liên quan là tổng hợp kiểu loại, tổng hợp số lượng và tổng hợp chiều

1.2.2 Tĩnh học

Tĩnh học nghiên cứu các quan hệ lực tạo ra sự cân bằng giữa các thành phần khác nhau cuả cơ cấu chấp hành Cơ cấu này có thể hoạt động do lực phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, chẳng hạn trọng lực, lực ma sát, lực quán tính, lực do tải…Các lực này phải được xem xét trong giai đoạn thiết kế cơ cấu chấp hành của robot Về nguyên tắc lực quán tính không được xem xét trong phân tích tĩnh học Các lực cân bằng phụ thuộc vào cấu hình của cơ cấu chấp hành nhưng không phụ thuộc vào thời gian

1.2.3 Động lực học

Động lực học nghiên cứu các lực, mômen cần thiết để gây ra chuyển động của hệ các vật thể Nghiên cứu về lực quán tính là một trong những vấn đề chính Động lực học cơ cấu chấp hành robot là vấn đề rất phức tạp Nói chung, bộ tác động cuối chuyển động theo đường dẫn cho trước với các đặc tính chuyển động theo yêu cầu tập hợp các chức năng lực, mômen được áp dụng tại các khớp động để tạo ra chuyển động đó Các lực và mômen này không chỉ phụ thuộc vào các thuộc tính

không gian và thời gian của quỹ đạo cho trước mà còn phụ thuộc vào các tính chất khối lượng của khâu, tải trọng, các ngoại lực…

Động lực học cơ cấu chấp hành robot có thể được xem xét theo hai quan điểm, giải tích động lực học và tổng hợp động lực học

1.2.3.1 Giải tích động lực học

Nghiên cứu các phương trình chuyển động của các cơ cấu cho trước Có hai kiểu bài toán giải tích động lực học là bài toán động lực học thuận, và bài toán động lực học đảo

Động lực học thuận có thể hiểu như sau:

Cho một tập hợp các hàm mômen và lực khớp kích hoạt, hãy tính chuyển động của đầu tác động theo hàm thời gian

Động lực học đảo có thể được hiểu như sau:

Cho quỹ đạo của đầu tác động theo hàm thời gian, hãy tìm tập hợp các hàm lực hoặc mômen khớp động tạo ra chuyển động đó

Hiệu suất tính toán của động lực học thuận không yêu cầu cao, do chủ yếu chỉ được dùng cho các mô phỏng cơ cấu chấp hành robot trên máy tính Mặt khác mô hình động lực học đảo hiệu quả là rất quan trọng với điều khiển thời gian thực

1.2.3.2 Tổng hợp động lực học

Là quy trình ngược của giải tích động lực học, đặc biệt là khi thiết kế các cơ cấu chấp hành robot với các đặc tính chuyển động động lực mong muốn Bài toán tổng hợp động lực phức tạp hơn giải tích động học

1.3 Một số nghiên cứu về tổng hợp thông số làm việc của hệ thống

Như trình bày ở trên số lượng các thông số làm việc của hệ thống chấp hành là rất lớn Việc xác định nhanh chóng, chính xác các thông số này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong điều khiển robot

Cấu trúc chấp hành của robot là một hệ có độ phức tạp cao, các nghiên cứu lý thuyết cổ điển bằng công cụ giải tích thường gặp khó khăn ở điểm này Chẳng hạn các mô hình động lực học dưới dạng giải tích thường quá dài nên thiếu đi ý nghĩa thực tế trong sử dụng Vì vậy với động lực học hiện thời có hai hướng giải quyết cho vấn đề này:

Hiện nay mô phỏng và thực nghiệm là hai hướng nghiên cứu phát triển mạnh trong lĩnh vực xác định các thông số làm việc của hệ thống chấp hành, điều này có nguyên nhân một phần từ sự bế tắc của các nghiên cứu lý thuyết khi áp dụng các mô hình giải tích vào một hệ cấu trúc phức tạp như robot

Do ý nghĩa đặc biệt quan trọng của thông số làm việc, nên đã và đang có khá nhiều công trình nghiên cứu tập trung vào làm rõ hơn các bài toán cơ học cơ cấu chấp hành Bài toán động học và động lực học cơ cấu song song được cho là vẫn còn nhiều vấn đề chưa rõ ràng khi khảo sát bằng giải tích

Có một số nghiên cứu tập trung cải thiện tốc độ đáp ứng của cơ cấu chấp hành với tín hiệu điều khiển, trong khi robot phải bám quỹ đạo tốt hơn và phản ứng nhanh hơn thì bộ điều khiển có yêu cầu nhỏ gọn hơn và sử dụng năng lượng hợp lí hơn

Các hướng nghiên cứu về cải tiến hệ truyền động cho robot, nhằm nâng cao hiệu suất và năng lực của hệ thống chấp hành, chẳng hạn các nghiên cứu về điều khiển động cơ tuyến tính để truyền động trực tiếp chuyển động tịnh tiến

Các hướng nghiên cứu về bù sai số bằng cách sử dụng hàm định dạng cho các

thiết bị điều khiển số nói chung như máy công cụ, robot công nghiệp

Trong lĩnh vực động học robot có thể nêu một số nghiên cứu tương cận với đề tài của luận án này như:

- Phương pháp hoạ đồ véc tơ vị trí có thể sử dụng cho các cơ cấu phẳng đơn giản - Nghiên cứu của Pieper sử dụng phép biến đổi đồng nhất xác định các phương trình ứng với các phần tử vuông góc, thể hiện ở hàm sin và cos thích hợp Từ đó tính góc thông qua hàm arctg hai biến, hàm này có thể nhận giá trị thực hoặc giá trị phức nếu hàm nhận giá trị phức tương ứng với trường hợp vô nghiệm Thông thường phương pháp này áp dụng tốt với những robot đơn giản

- Nghiên cứu của Nguyễn Thiện Phúc, năm 1996 “Về một phương pháp giải bài

toán ngược động học khi tổng hợp quỹ đạo chuyển động của người máy”

- Nghiên cứu của Nguyễn Thiện Phúc, năm 1997 “Điều khiển chuyển động của

robot hàn theo quỹ đạo định trước”

- Nghiên cứu của Nguyễn Thiện Phúc, năm 1999 “Phát triển phương pháp các

nhóm ba để giải bài toán ngược động học khi tổng hợp quỹ đạo chuyển động của tay máy- người máy”

- Trong [8], tác giả Nguyễn Thiện Phúc cũng trình bày về phương pháp giải gần đúng nghiệm của hệ phương trình động học ngược robot trên cơ sở khai triển Taylor, đây là một trong các phương pháp số tìm ra kết quả thông qua một quá trình lặp

- Nghiên cứu của Fu K S Gonzater R C., Lee C S G., năm 1987 “Giải bài toán

động học ngược của robot Puma theo phương pháp hình học”

- Nghiên cứu của Paul R P., năm 1981 “Phương pháp biến đổi ngược các ma trận

thuần nhất 4x4 giải bài toán động học ngược robot Stanford”

Nhược điểm của các phương pháp này là chưa có cách chung để xác định một lời giải có thể thích hợp ngay trong số khá nhiều lời giải có thể tồn tại

Cũng có thể thấy có rất nhiều học giả phát triển các phương pháp số mang tên mình để giải bài toán động học ngược robot như:

- Phương pháp loại trừ thẩm tách Sylvester; - Phương pháp Raghavan và Roth;

- Phương pháp Tsai-Morgan; - Phương pháp Newton-Raphson

Đặc điểm chung của các phương pháp số như [8], nhận xét là “Có thể không đưa

đến lời giải vì các hàm siêu việt không phải lúc nào cũng có độ hội tụ”

Nhận thấy phương pháp Newton-Raphson có chi phí tính toán lớn và không phải lúc nào cũng hội tụ vì phụ thuộc vào điều kiện đầu

Có thể sử dụng chuỗi Taylor và ma trận Jacobi để viết phương trình xấp xỉ toạ độ đầu, dùng phương trình xấp xỉ đó để xây dựng thuật toán hội tụ tới nghiệm yêu cầu Thuật toán hội tụ có 2 kiểu là sai phân tới và sai phân lùi Sử dụng lược đồ sai phân

33

tới khi muốn có kết quả nhanh song sai số tích lũy sẽ khá lớn qua nhiều bước lấy mẫu vì phương pháp này không cho kết quả chính xác theo yêu cầu cho trước Sử dụng lược đồ sai phân lùi có thể cho kết quả chính xác tùy ý (có thể đạt tới 1e-12), tuy nhiên phải giải lặp lại từng bước lấy mẫu

Gần đây xuất hiện thêm phương pháp dịch chuyển vi phân giải bài toán động học ngược, trong cách làm này các chuyển động giả thiết là rất nhỏ nhằm tuyến tính hoá các đại lượng siêu việt bằng cách xấp xỉ chúng với giá trị thực trong hàm khi tính góc bằng đơn vị Radian

Tại Vica 6 (2005) có một số công trình ứng dụng kỹ thuật xử lí ảnh để từ đó xây dựng thông tin điều khiển thay cho giải bài toán ngược Cách làm này có thể xử lí với 1 hay nhiều camera, song chưa có báo cáo nào ứng dụng kỹ thuật này cho robot công nghiệp

Tại các diễn đàn www.hitecvnonline.com;

http://dientuvietnam.net/forums/showthread.php?t=2108;

Các thành viên có nêu ra một phương pháp khác cho bài toán động học ngược: Đầu tiên đặt trục tọa độ lên các khớp theo phương pháp đã biến đổi (hệ tọa độ khớp i đặt trên trục khớp i, thay vì dùng phương pháp chính tắc hệ toạ độ i đặt trên trục i-1) Phương pháp này đơn giản ở chỗ khi tính ma trận xoay giữa các khớp, ở cột thứ 4 sẽ ko có biến xoay nên không có các hàm siêu việt cos hay sin

Sau đó lựa chọn khớp có đặc trưng nhất cho robot Khi tính phương trình động học thuận T6 = A1.A2 A6, từ đó nhân nghịch đảo các ma trận để tìm động học ngược, có thể thấy một đặc điểm là phải nhân nghịch đảo đến khi nào mà ở cột thứ 4 của ma trận kết quả của 1 trong 2 vế phương trình xuất hiện một thành phần là hằng số Tại đó, khớp đã nhân nghịch đảo ở phép tính trước được gọi là khớp đặc trưng nhất của Robot

Phương pháp này không giải thích được làm thế nào tìm khớp đặc trưng của robot, đây cũng là một yếu tố mang tính kinh nghiệm thực hành. Phương pháp này cũng có khó khăn với các tay máy mà có hệ quy chiếu O6 không trùng với các hệ trước đó (thường gặp ở tay máy Nhật)

Tất cả các nghiên cứu nêu trên dù có lịch sử khá lâu dài, với quan điểm và cách thực hiện khác nhau song có thể thấy việc tìm kiếm một phương pháp có tính tổng quát cho bài toán động học ngược robot vẫn chưa kết thúc

1.4 Hướng nghiên cứu của đề tài

Robot đầu tiên xuất hiện vào những năm 1940, sau 70 năm được các cường quốc về khoa học công nghệ phát triển, là tiêu điểm của nhiều tập đoàn công nghiệp đa quốc gia và xuyên quốc gia Có những vấn đề về robot tưởng như đã tiệm tiến đến sự hoàn hảo, song luôn có những giới hạn bị phá vỡ do trình độ khoa học công nghệ ngày càng cao

Nhằm có được những nghiên cứu mới để ứng dụng và khai thác triệt để những tính năng ưu việt của robot công nghiệp Đồng thời ứng dụng máy tính vào việc chuẩn bị dữ liệu điều khiển động học robot Tác giả luận án định hướng nghiên cứu theo những mục tiêu sau đây:

- Xây dựng một mô hình mới cho bài toán động học ngược robot, có tính tổng quát cao, có ưu thế về thời gian thực hiện so với các mô hình khác

- Lựa chọn giải thuật phù hợp với bài toán trên hai tiêu chí phù hợp về chức năng và thời gian thực hiện ngắn nhất

- Xây dựng một chương trình máy tính có chức năng giải bài toán ngược cho tất cả các robot cấu trúc chuỗi động học hở, trên cơ sở thuật toán đề xuất

- Kiểm nghiệm lại tính xác thực của bài toán với các robot được lựa chọn đặc trưng cho các nhóm cấu trúc hở khác nhau

- Nghiên cứu, thiết kế cơ cấu cổ tay robot cầu ba bậc tự do truyền dẫn song song dư để khử khe hở trong bộ truyền cơ khí, ứng dụng cho các mục đích đòi hỏi độ cứng vững cơ học cao và khả năng tải lớn

1.5 Kết luận chương 1

Xác định nhanh chóng và chính xác các thông số làm việc của hệ thống chấp hành phục vụ điều khiển robot là một vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn Chỉ có xây dựng được những thuật toán hiệu quả giải quyết vấn đề này mới giúp làm chủ thực sự các quá trình động học và động lực học robot, đặc biệt là các robot có nhiều bậc tự do

35

Vì số lượng các thông số làm việc như trình bày ở trên là khá lớn, trong luận án giới hạn vấn đề nghiên cứu ở lĩnh vực động học mà chủ yếu tập trung vào bài toán ngược

Một trong những điểm mấu chốt để robot phản ứng nhanh hơn với tín hiệu điều

khiển là rút ngắn thời gian xây dựng dữ liệu động học Khi tốc độ của các cụm điện toán bị giới hạn ở trình độ nhất định thì hướng can thiệp vào tốc độ giải bài toán động học là xây dựng một giải thuật mới, tính tổng quát và tốc độ hội tụ cao

Cách làm truyền thống là xác định tất cả các nghiệm toán học, sau đó lại loại bỏ các nghiệm không hợp lí Như vậy việc giải bài toán ngược động học bị kéo dài vô ích Trình tự giải bài toán ngược cho các robot khác nhau thường khác nhau, các bước lại có thể không tuân theo trật tự cố định

Nhằm khắc phục thiếu sót này luận án sẽ xây dựng một giải thuật có khả năng ứng dụng cho tất cả các cấu trúc robot hở khác nhau không bị giới hạn bởi số bậc tự do, với thời gian chạy ngắn hơn, dễ sử dụng hơn các phương pháp truyền thống Trên cơ sở giải thuật đề xuất, xây dựng một chương trình máy tính hỗ trợ chuẩn bị dữ liệu điều khiển động học robot

Các vấn đề kỹ thuật cao như robot công nghiệp vốn khó tiếp cận với tất cả mọi người nói chung, việc tạo ra những phương pháp xác định các thông số làm việc của hệ thống chấp hành đơn giản và hiệu quả, không chỉ có ý nghĩa khoa học và thực tiễn mà còn có tính cấp bách, nhất là trong điều kiện nền sản xuất tự động linh hoạt của Việt Nam mới bắt đầu hội nhập với thế giới



CHƯƠNG 2 - GIẢI BÀI TOÁN NGƯỢC TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC ROBOT 2.1 Chất lượng quá trình làm việc của robot công nghiệp

Chất lượng quá trình làm việc được dùng làm căn cứ, đánh giá ảnh hưởng theo những chiều hướng khác nhau khi can thiệp vào một thông số điều khiển Quá trình làm việc có chất lượng tốt được hiểu theo những nghĩa sau:

Sai lệch quỹ đạo trong giới hạn cho phép, đây là tiêu chí nói lên độ chính xác về mặt động học cơ cấu Sai số quỹ đạo có hai nguyên nhân chính là cơ cấu không đáp ứng độ chính xác cần thiết, hoặc điều khiển không đáp ứng độ chính xác cần thiết Nếu nguyên nhân thuộc về điều khiển thì cần được tiếp tục làm rõ do độ phân giải của thiết bị điều khiển không đủ (lí do về phần cứng), hoặc do giải thuật điều khiển không đáp ứng được (nguyên nhân do chuẩn bị điều khiển không đáp ứng yêu cầu gồm không đáp ứng được độ chính xác cần thiết hoặc không đáp ứng tốc độ tính toán cần thiết)

Hình 2.1: Các dạng sai số lặp lại

Hình 2.2: Trễ trong hệ thống truyền động nhiều trục

37

Robot có thể thực hiện chính xác một quỹ đạo nào đó lặp đi lặp lại nhiều lần hay không, liên quan đến độ chính xác động học khi đảo chiều chuyển động, chính xác là khả năng khử khe hở mặt bên của bộ truyền cơ khí

Chất lượng của quá trình làm việc còn đánh giá thông qua ổn định động lực học, trong những chế độ làm việc đặc trưng khác nhau, như vận tốc, gia tốc, xung động và va chạm

Robot công nghiệp hiện đại thường duy trì cả hai mạch điều khiển là điều khiển chuyển vị trên cơ sở bài toán động học ngược, và điều khiển lực trên cơ sở mô hình động lực học hệ thống Trong chương này đề cập đến việc xây dựng dữ liệu đầu vào cho bài toán điều khiển chuyển vị, trên cơ sở tìm kiếm một thuật toán mới cho bài toán động học ngược

2.2 Dữ liệu của bài toán động học robot

2.2.1 Vị trí của bài toán ngƣợc trong điều khiển

Nhiệm vụ của phần công tác được thiết lập trong không gian công tác, trong khi

tác động điều khiển lại đặt vào khớp, nên biến khớp là đối tượng điều khiển trực tiếp Vì vậy bài toán động học ngược bao giờ cũng phải được giải, nhưng vị trí của nó khác nhau giữa trường hợp điều khiển trong không gian khớp và điều khiển trong không gian công tác

Khi điều khiển trong không gian khớp, bài toán động học ngược được giải trước để chuyển các thông số từ không gian công tác sang không gian khớp

Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển trong không gian khớp

Hình 2.4: Sơ đồ điều khiển trong không gian công tác

Ở sơ đồ điều khiển trong không gian công tác, bài toán ngược được giải trong mạch phản hồi

Có thể thấy dữ liệu của bài toán động học chia thành hai nhóm:

Nhóm thông số gồm các yếu tố có thể xác định được dựa trên thiết kế của robot như:

- Chiều dài khâu (đo theo đường nối tâm hai khớp của nó, kích thước kí hiệu d trên bảng DH)

- Khoảng cách giữa hai gốc hệ quy chiếu kề nhau không cùng 1 khâu (đo theo phương trục khớp, kích thước kí hiệu a trong bảng DH)

- Góc xoắn của khâu (kích thước kí hiệu  trong bảng DH)

Các thông tin này đều đã biết trước trong cả bài toán thuận và bài toán ngược Nhóm thứ hai là biến khớp: Bao gồm lượng tịnh tiến của khớp tịnh tiến hoặc góc quay của khớp quay các giá trị này là đầu ra của bài toán động học ngược Trong bài toán thuận đây là thông tin biết trước

Để giải bài toán ngược cần xác định thêm thông tin về phần chấp hành (vị trí và hướng), dữ liệu này do người sử dụng đưa ra trong bài toán ngược

2.2.2 Các phương pháp xây dựng dữ liệu động học

Trong quá trình sử dụng một robot công nghiệp, các khả năng công nghệ tiêu chuẩn có thể không thỏa mãn những yêu cầu thực tế Nếu gặp trường hợp cần điều khiển robot di chuyển theo một quỹ đạo phức tạp hơn so với khả năng của bộ nội suy, việc xây dựng dữ liệu điều khiển là cần thiết Giao diện qua cổng USB với file NC code viết theo chuẩn lập trình do nhà sản xuất quy định thường là lựa chọn trong trường hợp này

Cấu trúc kết cấu của robot cho phép nó thực hiện các chuyển động không gian phức tạp, đồng thời cấu trúc điều khiển cho phép nhận tín hiệu chỉ huy từ nhiều nguồn khác nhau Do vậy khả năng công nghệ của robot chỉ phụ thuộc vào phương thức chuẩn bị và truyền dữ liệu