Phân tích và đề xuất phương pháp điều khiển tay máy công nghiệp trong tình trạng tổn thất cơ chế chấp hành

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hà Nội – 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang

Hà Nội – 2021

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sựhướng dẫn của người hướng dẫn khoa học Tài liệu tham khảo trong luận án đượctrích dẫn đầy đủ Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từngđược các tác giả khác công bố

Người hướng dẫn khoa học Hà Nội, ngày tháng 10 năm 2021Tác giả luận án

i

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến sự hướng dẫn tận tình củaThầy GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang trong suốt quá trình thực hiện luận án từgiai đoạn hình thành ý tưởng của đề tài đến xây dựng kế hoạch từng bước thực hiệnđể hoàn thành luận án

Tôi xin được cảm ơn Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa (Đại học Báchkhoa Hà Nội) đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi có môi trường nghiên cứu cởi mở vànghiêm túc cùng cơ sở vật chất cần thiết để thực hiện luận án Và quan trọng hơn cảđó là đã có những đóng góp trao đổi sâu sắc và thiết thực về nội dung nghiên cứucủa tôi trong quá trình thực hiện luận án

Tôi xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Bộ môn Tự động hóacông nghiệp, Bộ môn Điều khiển tự động (Viện Điện, Đại học Bách khoa Hà Nội)đã có những hướng dẫn chuyên môn hết sức cần thiết và giá trị

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật HưngYên, Ban lãnh đạo Khoa Cơ khí Động lực, và các thầy cô đồng nghiệp trong KhoaCơ khí Động lực đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian làm nghiêncứu sinh

Tôi xin được cảm ơn các anh/chị/em nghiên cứu sinh của Viện Kỹ thuật Điềukhiển và Tự động hóa, và Viện Điện (Đại học Bách khoa Hà Nội) đã động viên,khích lệ, và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình nghiên cứu

Tôi xin cảm ơn những người bạn thân thiết với chương trình ANOT đã giúp tôicó thêm nghị lực trong giai đoạn quan trọng của luận án

Cuối cùng, tôi dành tình cảm và lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình tôi, đặcbiệt là vợ tôi, EYVTTJ, đã ủng hộ, chia sẻ cả về tinh thần lẫn vật chất để tôi có thểhoàn thành được luận án này

Tác giả luận ánLê Ngọc Trúc

ii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tham số D-H của robot ABB IRB 2400 14

Bảng 1.2 Tay máy 6-DOF trở thành 5-DOF khi bị bó cứng khớp i 16

Bảng 1.3 Phân tích động học và khả năng điều khiển tay máy công nghiệp 6-DOFđiển hình khi bị tổn thất cơ chế chấp hành dạng bó cứng một khớp 23

Bảng 1.4 Phân tích động học và khả năng điều khiển tay máy công nghiệp 6-DOFđiển hình khi bị tổn thất cơ chế chấp hành dạng một khớp chuyển độngtự do 23

Bảng 1.5 Tổng hợp khả năng điều khiển tay máy công nghiệp điển hình khi bị tổnthất một cơ chế chấp hành 26

Bảng 2.1 Tham số D-H của robot IRB 120 38

Bảng 2.2 Các khối cơ bản phục vụ xây dựng mô hình bán vật lý cho tay máy robot42Bảng 2.3 Tham số của ma sát quay ở các khớp 50

Bảng 4.1 Tham số D-H của robot Serpent 1 100

Bảng 4.2 Tham số của ma sát quay ở các khớp của robot Serpent 1 106

Bảng 4.3 Thiết kế quỹ đạo chuyển động của robot 111

Bảng 4.4 Thông số động cơ HF-KP-13 của hãng Mitsubishi 125

xiv

MỞ ĐẦU

Robot là một trong những nền tảng của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư.Sự phát triển từng ngày của robot nhờ vào những tiến bộ của công nghệ kỹ thuật số,công nghệ vật liệu, và trên hết là công nghệ thông tin Robot công nghiệp có độ ổnđịnh cao, an toàn, linh hoạt, và có thể hoàn thành nhiệm vụ một cách thông minh.Trong tương lai, khó có thể hình dung một quy trình sản xuất nào mà không có sựtham gia của robot Nhà máy thông minh (smart factory) hoàn toàn tự động hóa vàđược robot hóa sẽ là tương lai Tay máy công nghiệp (hay robot công nghiệp) đã vàđang được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực ở nhiều nước, mang lại hiệuquả to lớn trong sản xuất công nghiệp, quốc phòng, y tế, xã hội, khai thác thềm lụcđịa, và chinh phục vũ trụ Theo báo cáo của Liên đoàn thế giới về robot (IFR) côngbố vào tháng 9 năm 2020 tại hội nghị diễn ra ở Đức, tổng số robot công nghiệp đangđược sử dụng trên toàn cầu tính đến năm 2019 là hơn 2,7 triệu robot (tăng 12% sovới năm 2018) Trong vài năm gần đây, số lượng robot công nghiệp được bán ratheo từng năm lần lượt là 304.000 (2016), 400.000 (2017), 422.000 (2018), và373.240 (2019) Lĩnh vực sử dụng nhiều nhất là công nghiệp sản xuất ô tô và côngnghiệp điện-điện tử Trong 15 thị trường lớn nhất năm 2019, báo cáo đã cho thấy 5nước dẫn đầu trong danh sách chiếm 73% thị phần toàn cầu Trong đó, Trung Quốclà thị trường đứng đầu với hơn 140.000 robot, tiếp theo là Nhật Bản (49.900 robot)và Mỹ (33.300 robot)

Từ khi mới ra đời, tay máy công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh vực dướigóc độ thay thế sức người Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức lại, năngsuất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt Tay máy công nghiệp là một loại thiết bị códáng dấp và một vài chức năng như tay người được điều khiển tự động để thực hiệnmột số thao tác sản xuất Chúng có thể lặp lại các chương trình được thiết kế để dichuyển vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc trực tiếp gia công sản phẩm Khả năng thayđổi chương trình và tính linh hoạt cho phép tay máy công nghiệp thích ứng nhanhkhi nhiệm vụ sản xuất thay đổi Các tay máy có thể được lắp cố định hoặc di chuyểnđược trên nền xưởng hoặc giá treo Trong hệ thống sản xuất tự động linh hoạt(FMS: Flexible Manufacturing System), tay máy là một trong những thiết bị chủyếu để đạt được tính linh hoạt của dây chuyền sản xuất Trong ngành sản xuất ô tô,tay máy thực hiện các công việc sơn, hàn, lắp ráp, Trong sản xuất vật liệu xâydựng, tay máy được sử dụng cho dây chuyền nghiền than tại các lò luyện cốc Trongdây chuyền sản xuất kính, tay máy thay thế công nhân ở công đoạn lấy và sắp xếpsản phẩm Tay máy được sử dụng chủ yếu ở các khâu rót kim loại và tháo dỡ khuôntrong công đoạn đúc kim loại ở các nhà máy cơ khí và luyện kim Trong côngnghiệp đóng tàu, tay máy chiếm tỷ trọng lớn, có ý nghĩa quyết định đến năng suấtvà chất lượng sản phẩm trong công đoạn hàn và cắt vỏ tàu Trong lĩnh vực sản xuấtnhựa, các tay máy được sử dụng để lấy sản phẩm đang ở nhiệt độ cao từ trongkhuôn ra ngoài Trong ngành công nghiệp điện tử, tay máy SCARA (SelectiveCompliance Assembly Robot Arm) di chuyển các bộ phận vi điện tử từ khay và đặtchúng vào bo mạch in với độ chính xác gần như tuyệt đối và tốc độ lắp đặt nhanh

1

Tay máy công nghiệp được đưa vào phục vụ sản xuất là nhằm đạt mục tiêu tăngnăng suất lao động, hạ giá thành sản phẩm, và nâng cao chất lượng sản phẩm Tuynhiên, tình hình sử dụng các tay máy công nghiệp trong sản xuất ở nước ta hiện nayvẫn còn hạn chế Trong xu hướng phát triển chung, việc nghiên cứu, sử dụng robotở Việt Nam chắc chắn sẽ phát triển mạnh mẽ.

1 Sự cần thiết của đề tài

Trong quá trình tay máy công nghiệp hoạt động, vì lý do nào đó vẫn xảy ratrường hợp bị lỗi, hỏng cơ chế chấp hành khi đang thực hiện nhiệm vụ Khi đó taymáy sẽ không thể thực hiện công việc đang làm một cách bình thường và làm ảnhhưởng tới chất lượng sản phẩm hoặc gây nguy hiểm cho người vận hành Để xử lývấn đề trên, các tay máy thường được cài đặt tự động dừng hoạt động ngay khi cólỗi xảy ra Trường hợp tay máy không chỉ thực hiện một công việc độc lập mà cònliên quan đến các công đoạn khác trong cả dây chuyền sản xuất, dẫn đến cả dâychuyền cũng phải dừng hoạt động và gây ra những thiệt hại nhất định do thời gianchờ sửa chữa, thay thế Với những tay máy làm việc trong môi trường có tính chấtđặc biệt như: độc hại, quá nóng, quá lạnh, dưới nước, ngoài không gian, có phóngxạ, thì việc sửa chữa thay thế lại càng khó khăn

Xuất phát từ thực tế đó, nghiên cứu sinh đã lựa chọn hướng đề tài “Phân tích vàđề xuất phươn pháp điều khiển tay máy công nghiệp trong tình trạng tổn thấtơhế chấp hành” Phương hướng nghiên cứu là dựa vào một dạng tay máy nào

đó, xây dựng mô hình tay máy khi hoạt động bình thường và khi bị tổn thất cơ chếchấp hành Tiến hành phân tích, sau đó đề xuất phương pháp điều khiển phù hợp nhằmhạn chế ảnh hưởng của sự cố tổn thất cơ chế chấp hành và cố gắng duy trì cho tay máycó khả năng tiếp tục thực thi tác vụ cho đến khi cơ chế chấp hành bị lỗi/hỏng được sửachữa, thay thế Làm được điều này sẽ góp phần hạn chế các thiệt hại gây ra bởi sự cốtổn thất cơ chế chấp hành

2.Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học và mô hình bán vật lý cho tay máy côngnghiệp có xét đến tổn thất cơ chế chấp hành Trên cơ sở đó tiến hành phân tích khảnăng điều khiển tay máy khi bị tổn thất cơ chế chấp hành Đề xuất phương phápđiều khiển tay máy ở chế độ tổn thất cơ chế chấp hành, cố gắng duy trì hoạt độngcủa tay máy đảm bảo yêu cầu chất lượng

3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Một tay máy robot dạng chuỗi có nhiều bậc tự do.Phạm vi nghiên cứu:

- Các cơ chế chấp hành của tay máy robot dùng động cơ điện có vòng điều khiển mô men lý tưởng;

- Các khớp của tay máy robot là khớp quay theo kiểu bản lề (revolute joint);- Các khâu của tay máy robot được giả thiết có độ cứng lý tưởng;

- Sử dụng cấu trúc điều khiển tầng với vòng trong là vòng điều khiển mô mencủa động cơ, vòng ngoài là vòng điều khiển vị trí và tốc độ khớp Thời gian quá độ củavòng trong được đảm bảo nhanh và bé hơn so với thời gian trích mẫu của vòng ngoài.Do đó các đặc tính động học của vòng trong (bao gồm cả động cơ) được giả thiết bỏqua khi thiết kế điều khiển cho vòng ngoài;

2

- Thực nghiệm trên robot có động cơ và motor-drives sử dụng mạch điều khiểnvòng trong đã được tích hợp sẵn của nhà sản xuất Nên thuật toán điều khiển ở vòngtrong sẽ không được xét đến, luận án tập trung mô hình hóa và thiết kế điều khiển chovòng ngoài;

- Bài toán điều khiển robot được giới hạn cho trường hợp robot trong tình trạngtổn thất cơ chế chấp hành, và có thể xử lý được cho ít nhất một dạng tổn thất

4.Phươn pháp n hiên ứu

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.- Nghiên cứu lý thuyết mô hình hóa và điều khiển cho tay máy;- Nghiên cứu và kiểm nghiệm các tính toán lý thuyết bằng mô phỏng;- Nghiên cứu và kiểm chứng các kết quả lý thuyết bằng thực nghiệm

5.Ý n hĩa khoa học và thực tiễn của đề tàia)Ý n hĩa khoa học

Luận án nghiên cứu về sự cố tổn thất cơ chế chấp hành xảy ra trong tay máyrobot Các kết quả nghiên cứu bao gồm việc phân tích khả năng điều khiển, phântích ảnh hưởng, từ đó đề xuất thuật toán điều khiển cho trường hợp tổn thất cơ chếchấp hành dạng suy giảm mô men theo tỉ lệ nhằm nâng cao chất lượng hệ thốngrobot Các phân tích về các dạng tổn thất cơ chế chấp hành sẽ làm cơ sở tham khảocho các nghiên cứu tiếp theo trong việc tiếp tục nâng cao chất lượng của hệ thốngrobot trong tình trạng tổn thất cơ chế chấp hành Dựa trên cơ sở lý thuyết điềukhiển, đã đề xuất và thiết kế một bộ điều khiển có khả năng hạn chế ảnh hưởng củamột dạng tổn thất cơ chế chấp hành Phương pháp sử dụng mô hình bán vật lý dựatheo cách tiếp cận dùng mạng vật lý không chỉ làm tăng độ tin cậy cho mô hình taymáy robot mà còn hỗ trợ việc kết nối, mô phỏng trên các thiết bị mô phỏng thờigian thực (Hardware-In-the-Loop: HIL) cho hệ thống robot Do đó mô hình này sẽtạo thuận lợi cho các nghiên cứu có sử dụng thiết bị mô phỏng HIL

b)Ý n hĩa thực tiễn

Chất lượng và tính khả thi của thuật toán điều khiển đã được kiểm chứng thôngqua các kết quả mô phỏng số áp dụng cho robot công nghiệp 6 bậc tự do, 3 bậc tựdo, và thực nghiệm trên một dạng robot công nghiệp Khi áp dụng vào thực tiễn, sẽhạn chế được những ảnh hưởng của sự cố tổn thất cơ chế chấp hành dạng suy giảmmô men theo tỉ lệ Điều này giúp giảm thiệt hại cho doanh nghiệp sản xuất cũng nhưcác đơn vị chế tạo tay máy robot

6 Nhữn đón ópủa luận án

Luận án của tác giả đã đóng góp các kết quả mới như sau:(1) Đã xây dựng được mô hình bán vật lý cho robot 6 bậc tự do dựa trên MATLAB/Simscape có bổ sung ảnh hưởng của các thành phần ma sát.(2) Đã phân tích được ảnh hưởng của tổn thất các cơ chế chấp hành đến hoạt độngcủa robot và chỉ ra khả năng điều khiển robot khi xảy ra tổn thất cơ chế chấp hành.(3) Đã xây dựng được phương pháp điều khiển trượt thích nghi để điều khiển robot trong từng trường hợp suy giảm mô men theo tỉ lệ

3

Chương 2 Mô hình động lực học của tay máy robot

Trình bày toàn bộ quá trình xây dựng dạng ma trận của mô hình động lực học củatay máy robot Giới thiệu phương pháp dùng mạng vật lý để mô hình hóa đối tượngvật lý và tiến hành xây dựng mô hình bán vật lý cho tay máy robot

Chương 3 Tổn thất cơ chế chấp hành và phương pháp điều khiển

Phân tích ảnh hưởng của sự cố tổn thất cơ chế chấp hành dạng suy giảm mô menđến chất lượng đáp ứng của tay máy robot Thiết kế phương pháp điều khiển nhằmhạn chế ảnh hưởng của tình trạng này và cố gắng duy trì chất lượng

Chương 4 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho một dạng tay máy robot

Thuật toán điều khiển đưa ra ở chương 3 được kiểm chứng thông qua mô phỏngvà thực nghiệm cho một dạng tay máy robot Các kết quả mô phỏng cũng như thựcnghiệm sẽ được phân tích và đưa ra các nhận xét

Kết luận và kiến nghị: Trình bày tóm lược những kết quả đã đạt được của luậnán, những hạn chế, và đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo

4

1 Tổng quan

1.1 Giới thiệu về robot công nghiệp

Robot công nghiệp (hay tay máy công nghiệp) là một hệ thống cơ điện phức tạp,hoạt động dưới sự điều khiển của chương trình máy tính Robot công nghiệp có thểthực hiện các yêu cầu chuyển động đã được lưu sẵn trong bộ nhớ chương trình hoặcđược tạo ra một cách trực tuyến Phần khung cơ khí tạo nên cấu hình tay máy robotbao gồm các khâu được liên kết với nhau bởi các khớp Các khớp có thể là khớpquay hoặc khớp tịnh tiến Các khâu được điều khiển chuyển động bởi mô men lực(hay lực) sinh ra từ các cơ chế chấp hành gắn với các khớp tương ứng, từ đó tạo rachuyển động của cả cánh tay robot

Theo định nghĩa vào năm 1979 của Viện Robot Hoa Kỳ (RIA) và hiện nay vẫnđang được sử dụng trong một số tài liệu: “Robot công nghiệp là một cơ cấu thao tácđa chức năng khả trình, được thiết kế để di chuyển vật liệu, bộ phận, công cụ hoặcthiết bị chuyên dụng theo các quỹ đạo chuyển động được lập trình nhằm thực hiệncác nhiệm vụ khác nhau” [1] Theo Viện tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ (ANSI) [2],Liên đoàn thế giới về robot (IFR) [3], và Tiêu chuẩn quốc tế ISO 8373:2012 [4]:“Robot công nghiệp là một tay máy đa năng được điều khiển tự động, có khả năngtái lập trình, và có thể lập trình chuyển động từ ba trục trở lên, được gắn cố địnhhoặc di động để sử dụng trong các ứng dụng tự động hóa công nghiệp”

1.2 Các cấu hình cơ bản của robot công nghiệp

Robot công nghiệp có nhiều kích cỡ, hình dạng, cấu hình, và số lượng các trụchoặc bậc tự do khác nhau Những yếu tố này ảnh hưởng đến không gian làm việccủa robot Dựa theo tài liệu của Cục quản lý sức khỏe và an toàn lao động Hoa Kỳ(OSHA) [1], căn cứ vào cấu hình thiết kế thì robot công nghiệp có 6 loại sau:

- Rectangular coordinate robot: là loại robot chỉ có ba khớp tịnh tiến theo ba trục của một hệ tọa độ Đề-các;

- Cylindrical robot: là loại robot có một khớp quay ở chân đế và các khớp tịnhtiến Khâu chấp hành cuối có thể trượt theo chiều dọc và chiều ngang trong không gianlàm việc;

- Spherical/Polar coordinate robot: là loại robot có hai khớp quay và một khớp tịnh tiến Các trục khớp tạo ra không gian làm việc có dạng hình cầu;

- Articulated arm robot: là loại robot có hình dáng được mô tả theo dạng cánh tay người;

- Gantry Robot: là loại robot có dạng giống cầu trục với kích cỡ lớn, có ba khớp tịnh tiến theo ba trục của một hệ tọa độ Đề-các;

- SCARA Robot (Selective Compliance Assembly Robot Arm): là loại robot cóhai khớp song song tạo ra chuyển động trên một mặt phẳng, và một trục quay địnhhướng được đặt theo chiều dọc của dụng cụ thao tác

5

Theo báo cáo thường niên của Liên đoàn thế giới về robot (IFR) [3], kể từ năm2004, chỉ nên dựa theo cấu trúc cơ khí để phân loại robot công nghiệp nhằm phùhợp với các nhà cung cấp Do đó, robot công nghiệp được chia thành 5 loại sau:- Cartesian (linear/gantry) robot: là loại robot có ba khớp tịnh tiến, và các trục khớp tương ứng song song với các trục của một hệ tọa độ Đề-các;

- Cylindrical robot: là loại robot có ít nhất một khớp quay và ít nhất một khớp tịnh tiến Các trục khớp tạo thành một hệ tọa độ trụ;

- Articulated robot: là loại robot có ít nhất ba khớp quay;- SCARA robot: là loại robot có hai khớp quay song song để tạo ra chuyển động định vị một cách phù hợp trên một mặt phẳng;

- Parallel/Delta robot: là loại robot có các nhóm khâu song song, kết nối tớicùng một đế và cùng một khâu chấp hành cuối Các khâu tạo thành chuỗi

động học kín.Ngoài những loại robot công nghiệp được mô tả bởi OSHA và IFR, trong Tiêu chuẩn quốc tế ISO 8373:2012 [4] còn đưa ra thêm một số loại sau:

- Pendular robot: là một loại robot dựa trên loại spherical/polar robot nhưng có thêm một khớp nối đa chiều “universal joint” (còn gọi là khớp Cardan);

- Spine robot: là loại robot có từ hai khớp nối đa chiều trở lên.Theo đó, mobile robots (wheeled, legged, biped, crawler robots), humanoidrobots, flying robots, swimming robots không được xét là robot công nghiệp

1.3 Các thành phần chính của robot công nghiệp

Robot công nghiệp bao gồm các thành phần chính như: (i) cánh tay robot; (ii) cáccảm biến; (iii) cơ chế chấp hành; (iv) bộ điều khiển; (v) máy tính và thiết bị lập trình

bằng tay (Hình 1.1).

Máy tính, thiết bị lập trình bằng tay

Bộ điều khiển

(Controller)(iv)

Tín hiệu trạng thái của robot

và môi trường làm việc

Các cảm biến

(Sensors)(ii)

Hình 1.1 Các thành phần chính của một robot công nghiệp

(i) Cánh tay robot là một liên kết cơ học tạo bởi các khâu, khớp nối, và dụng cụ thao tác;

(ii) Các cảm biến là các thiết bị có chức năng đo và thu nhận dữ liệu trạng thái

6

thực tế của robot và môi trường làm việc;(iii) Cơ chế chấp hành bao gồm các động cơ điện (hay bộ phận thủy lực, khí nén), hộp số, và cơ cấu truyền động;

(iv) Bộ điều khiển bao gồm mạch phần cứng và phần mềm điều khiển;(v) Máy tính và thiết bị lập trình bằng tay được kết nối với bộ điều khiển Máytính có chức năng tạo và gửi yêu cầu điều khiển, thu thập dữ liệu, giám sát, và hiển thịcác trạng thái của robot Thiết bị lập trình bằng tay được dùng để

thiết lập tác vụ cho robot bằng kỹ thuật dạy thủ công và robot có khả năng lặp lại các hoạt động đã được dạy

Bên cạnh những thành phần chính ở trên, một hệ thống robot công nghiệp sẽ baogồm các thành phần khác liên quan đến hệ thống nguồn cung cấp, xử lý thông tin và

truyền thông, Trong sơ đồ ở Hình 1.1, các mô men lực (hay lực) được tạo ra bởi

các cơ chế chấp hành có vai trò là các tín hiệu đầu vào của robot, còn các tín hiệuthu nhận được từ các cảm biến là các tín hiệu đầu ra của robot

1.4 Cơ chế chấp hành

Cơ chế chấp hành của robot được định nghĩa là cơ cấu có chức năng biến đổinăng lượng từ các nguồn điện, thủy lực, hoặc khí nén thành các chuyển động củarobot [2], [4] Để có thể hoạt động thì cơ chế chấp hành cần được cấp một nguồnnăng lượng và một tín hiệu điều khiển Tín hiệu điều khiển có thể là tín hiệu điện áphoặc dòng điện, tín hiệu áp suất thủy lực hoặc khí nén Nguồn cấp năng lượng cóthể là điện áp, áp suất thủy lực hoặc áp suất khí nén Khi nhận được tín hiệu điềukhiển, cơ chế chấp hành sẽ chuyển đổi năng lượng của nguồn cấp thành chuyểnđộng cơ học ở các khớp và tạo ra chuyển động của robot theo yêu cầu điều khiển

Các dạng cơ chế chấp hành:- Cơ chế chấp hành khí nén: là cơ chế chấp hành sử dụng xylanh (một ống

hình trụ rỗng), piston (bên trong xylanh), và một số phần tử khác như van, lò xo, hệthống khí nén, Khí nén từ nguồn khí nén được đưa vào xylanh làm cho piston dichuyển dọc trục Chuyển động này của piston được truyền ra ngoài thành chuyển độngthẳng hoặc chuyển đổi thành chuyển động quay Cơ chế chấp hành khí nén có tốc độđáp ứng nhanh, chính xác Khí nén có thể

được lưu trữ ở bình chứa ngay cả khi không được cung cấp điện Nhược điểmđó là tổn hao áp suất lớn Cũng có dạng động cơ khí nén gọi là động cơ cánhgạt, trực tiếp tạo ra chuyển động quay Tuy nhiên, chúng thường được dùngtrong các dụng cụ cầm tay, cờ lê bánh cóc, máy khoan, máy mài, máy chànhám, máy cắt, và ít được dùng trong robot công nghiệp

- Cơ chế chấp hành thủy lực: là cơ chế chấp hành sử dụng xylanh (một ống

hình trụ rỗng), piston (bên trong xylanh), và các phần tử khác Khi đưa chất lỏng vàoxylanh sẽ làm cho piston trượt dọc trục Nguyên lý hoạt động của cơ chế chấp hànhthủy lực tương tự như cơ chế chấp hành khí nén Tuy nhiên, cơ chế chấp hành thủy lựcsử dụng chất lỏng thay vì khí nén ở cơ chế chấp hành khí nén Chất lỏng sử dụng gầnnhư không bị nén, nên cơ chế chấp hành thủy lực có thể cung cấp và duy trì một lựcđẩy lớn ngay cả khi bơm thủy lực không hoạt động Nên thường được sử dụng trongcác máy hoặc robot làm

7

việc với tải nặng, yêu cầu lực lớn Nhược điểm là khả năng gia tốc bị hạn chế.Ngoài ra, có một số dạng động cơ thủy lực có khả năng tạo chuyển động quaytừ dòng chuyển động của chất lỏng và được sử dụng nhiều trong hệ thống cầntrục, máy xúc, băng tải, máy trộn, máy cuộn, máy cắt, máy ép,

- Cơ chế chấp hành điện: là cơ chế chấp hành sử dụng động cơ điện có khả

năng biến đổi điện năng thành cơ năng ở dạng chuyển động quay hoặc tịnh tiến Độngcơ điện được chia thành hai nhóm chính, đó là nhóm động cơ điện một chiều và nhómđộng cơ điện xoay chiều Mỗi nhóm lại được chia thành nhiều loại động cơ khác nhautùy thuộc vào nguyên lý hoạt động, cấu tạo, chức năng và phạm vi ứng dụng

Hiện nay, phần lớn các robot công nghiệp sử dụng cơ chế chấp hành điện dùng

động cơ servo (Hình 1.2), do đó phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung vào dạng

cơ chế chấp hành điện dùng động cơ servo và chuyển động của khớp là chuyểnđộng quay

Thiết bị điều khiển động cơ

Servomotor, hộp số, bộ truyền Khớp thứ i

Cơ chế chấp hành thứ i

Hình 1.2 Mô hình truyền động cho khớp bằng cơ chế chấp hành đ ện dùng AC servomotor

1.5 Vấn đề tổn thất cơ chế chấp hành và khả năng điều khiển

Các cơ chế chấp hành không phải lúc nào cũng hoạt động bình thường mà có thểbị lỗi/hỏng khiến cho tín hiệu điều khiển không được thực thi đúng Điều này dẫnđến chất lượng điều khiển không như mong muốn và thậm chí không đảm bảo tínhổn định của hệ thống Sự cố tổn thất CCCH xảy ra do nhiều nguyên nhân liên quanđến phần điện hoặc phần cơ khí, làm cho cơ chế chấp hành chỉ cung cấp được phầnnào hoặc thậm chí mất hoàn toàn về mô men/lực Nếu không có chế độ bảo dưỡngthích hợp, các thiết bị truyền động vẫn có thể xuống cấp dần sau một thời gian hoạtđộng Bên cạnh đó, có thể xảy ra sự cố đột ngột, bất ngờ, khó có thể tránh khỏi

1.5.1 Các dạng tổn thất cơ chế chấp hành

Trong thực tiễn, sau một thời gian dài làm việc, các bộ phận của robot có thể bịlỗi và gây ảnh hưởng đến chất lượng của robot khiến các nhiệm vụ không thể đượcthực hiện tốt như mong muốn Các thành phần của robot có thể kể đến như khâu,khớp nối, cơ chế chấp hành, bộ truyền động, phần cứng và phần mềm của bộ điềukhiển, cảm biến, và các bộ phận khác Trong đó, các tổn thất của cơ cấu chấp hànhđược xếp vào nhóm các tổn thất khớp Các ràng buộc vật lý khiến cho giá trị mômen và tốc độ biến thiên mô men được tạo ra bởi cơ chế chấp hành không thể lớnmột cách tùy ý mà bị giới hạn trong một phạm vi nhất định [5]–[7]

8

Các cơ chế chấp hành bị tổn thất một phần hoặc toàn bộ thì không thể tạo ra đượcmô men cần thiết Mô men được tạo ra ít hơn và rất có thể nhỏ hơn giá trị cần thiếtđể hoàn thành nhiệm vụ Trong phần sau đây, các loại lỗi suy giảm mô men của cơchế chấp hành sẽ được phân loại và làm rõ.

Bộ điều khiển

ciCCCH thứ i ai

Khớp thứ i

qi , qi , qi

Hình 1.3 Sơ đồ khối của vòn đ ều khiển cho cơ chế chấp hành thứ i

Trong Hình 1.3, là tín hiệu mô men yêu cầu từ bộ điều khiển và là mômen của cơ chế chấp hành tạo ra Sau khoảng thời gian đáp ứng quá độ nhất định,khi cơ chế chấp hành hoạt động bình thường sẽ đảm bảo , và khi cơ chếchấp hành bị sự cố thì Vận dụng cách mô tả tín hiệu vào của một lớp cáchệ thống phi tuyến bất định ở [8], mô men của cơ chế chấp hành được mô tả bởi:

Trường hợp này xảy ra khi cơ chế chấp hành bị bó, kẹt ở một vị trí nào đó vàkhông thể quay được Hoặc do một sự cố nào đó đã làm hệ thống kích hoạt bộ phậnphanh an toàn dẫn đến khớp đó bị bó cứng Kết quả là hình thành một tay máy robotvới cấu trúc mới tùy theo vị trí khớp bị bó cứng, có ít bậc tự do hơn, ít cơ chế chấphành hơn, và một khâu mới được hình thành từ cặp khâu nối với khớp bị bó cứng

tạo ra được mô men và hệ thống không

, và mô men sinh ra bằng không

Theo [9], [10], tình trạng tổn thất này được gọi là “tổn thất toàn phần” (TLOE).Tay máy robot trở thành dạng hụt cơ chế chấp hành Tuy nhiên, điểm khác biệt làrobot hụt cơ chế chấp hành đã được thiết kế và biết trước vị trí khớp bị hụt cơ chế

chấp hành Trong trường hợp tổn thất cơ chế chấp hành dạng chuyển động tự do,chuyển động của khớp bị lỗi sẽ chịu ảnh hưởng lớn bởi trọng lực của chuỗi các khâunối với khớp đó Các khâu nối với khớp bị lỗi có xu hướng bị kéo xuống bởi trọnglực, đặc biệt là khi khớp bị lỗi có trục khớp luôn song song với mặt đất (nếu là khớpquay) hoặc có trục khớp luôn vuông góc với mặt đất (nếu là khớp tịnh tiến).

3) Tổn thất ơ hế chấp hành dạng mô men bị nghẽn ở một giá trị

Trường hợp này, mô men của cơ chế nhưng bất định nàođó ̅ (hệ số của tín hiệu điều khiển.

 chấp hành sẽ bị nghẽn ở một giá trị cố định) mà không phụ thuộc vào sự thay đổi

Theo thời gian hoạt động, mô men được tạo ra bởi CCCH có thể bị suy giảm theo

tỉ lệ (Hình 1.5) Tình trạng này được phản ánh bởi và Hệ sốđóng vai trò là hệ số tỉ lệ suy giảm mô men Khi đó, mô men tạo ra bởi CCCH là

i

dạng PDT0 1 

ci

Hình 1.5 Đáp ứng mô men của CCCH khi bị tổn thất dạng suy giảm mô men theo tỉ lệ

b) Suy giảm n ưỡng chặn giá trị mô men (BDT: Boundary Degradation of Torque)

Bên cạnh khả năng bị suy giảm mô men theo tỉ lệ, cơ chế chấp hành có thể bị suy

giảm ngưỡng chặn giá trị của mô men (Hình 1.6) Khi hoạt động bình thường, mô

men của cơ chế chấp hành đã bị chặn bởi

i min   imin   ai   imax i max ci khi imin  ci imax



khi ci  imax

 ai   imax

 khi ci imin

min

Trong đó và lần lượt là giá trị mô men nhỏ nhất và lớn nhất mới, chưa biết rõ, củacơ chế chấp hành thứ khi bị tổn thất.



Hình 1.6 Đáp ứng mô men của CCCH khi bị tổn thất dạng suy giảm n ưỡng chặn mô men

c) Suy giảm n ưỡng chặn tố độ biến thiên mô men (BDTR: Boundary Degradation of Torque Rate)

Một dạng suy giảm mô men khác cũng có khả năng xảy ra ở cơ chế chấp hành, đó là suy giảm tốc độ biến thiên mô men, hay còn được gọi là suy giảm đạo hàm

bậc nhất của mô men (Hình 1.7) Ở trạng thái hoạt động bình thường, gọi là giới

hạn của tốc độ biến thiên mô men của cơ chế chấp hành, ta có

d

ci khi

11

idai

Hình 1.7 Mô tả tổn thất CCCH dạng suy giảm n ưỡng chặn tốc độ biến thiên mô men

1.5.2 Tình hình nghiên cứu về tổn thất cơ chế chấp hành ở tay máy

robot

Hiện nay, vấn đề tổn thất cơ chế chấp hành ở robot nói chung được nhiều nhàkhoa học quan tâm nghiên cứu và đã có những kết quả nhất định được công bố vềphân tích động học hoặc về phương pháp điều khiển Có thể kể đến như:

 Các nghiên cứu liên q an đến tổn thất dạng bó cứng khớp:

Nghiên cứu [11] đưa ra phân tích về cấu trúc tay máy khi bị lỗi bó cứng khớp cóxét đến tính hiệu quả trong thực hiện một tác vụ nhất định Với các tay máy có dựphòng động học, các nghiên cứu [12]–[14] đã chỉ ra rằng có thể thiết kế động họcnhằm tối ưu không gian làm việc khi bị lỗi bó cứng một khớp nào đó Nghiên cứu[15] đề xuất một phương pháp nhằm xác định các điều kiện ràng buộc khớp thíchhợp nhằm đảm bảo khả năng kháng lỗi bó cứng khớp ứng với một tác vụ cụ thể Thuậttoán dựa trên sự ước lượng các vùng bao giới hạn khả năng tự chuyển động của taymáy Vùng không gian giao nhau giữa các vùng bao giới hạn giúp tạo ra một tập hợpcác giới hạn khớp nhân tạo Các giới hạn khớp nhân tạo đó cho phép khả năng vươntới các điểm làm việc sau khi bị lỗi khớp Sau đó áp đặt các giới hạn khớp nhân tạophù hợp cho tay máy trước khi bị lỗi Tuy nhiên điều này cũng hạn chế vùng làm việccủa tay máy ngay cả khi chưa bị lỗi Bài báo [16] đã đưa ra các tính toán cân bằng tốiưu giữa vùng làm việc trước và sau khi bị lỗi Nhằm hạn chế hậu quả và tạo thuận lợicho bài toán điều khiển khi bị lỗi khớp dạng bó cứng hoặc chuyển động tự do, các taymáy dự phòng động học có thể được thiết lập một cấu hình hiệu quả trước khi sự cốlỗi xảy ra ([17]–[19]) Một số nghiên cứu về tái cấu trúc cho vận tốc khớp và giảm sựbiến đổi đột ngột của vận tốc khớp của tay máy có khớp dự phòng khi bị lỗi một haynhiều khớp dạng bó cứng ([20]–[22]) Tùy theo tác vụ cụ thể, luôn tồn tại ít nhất mộtcấu trúc tay máy có thể đảm bảo hạn chế tối đa sự thay đổi đột ngột về vận tốc khớp.Thuật toán điều khiển bám quỹ đạo của khâu chấp hành cuối được xây dựng trên cơ sởphân tích vận tốc khớp tối ưu ([23], [24])

Với dạng tay máy chuyển động trong mặt phẳng có dự phòng khớp, nghiên cứu[25] đề xuất phương pháp điều khiển khâu chấp hành cuối đảm bảo cả về quỹ đạovà lực mong muốn Bài báo [26] đề xuất phương pháp điều khiển cố gắng khôi phụctối đa khả năng về hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối, đồng thời thực hiện tối

thiểu hóa chuẩn bậc hai của vector vận tốc của các khớp còn lại Nếu vector vận tốckhớp vi phạm các điều kiện về giới hạn chuyển động thì sẽ được thiết lập ở giá trị

12

biên của điều kiện giới hạn Nghiên cứu [27] phân tích khả năng thực thi nhiệm vụcủa môt tay máy có bảy khớp quay trong trường hợp bị hỏng một khớp Các tác giảtiến hành so sánh với trường hợp không bị hỏng khớp, lập vùng không gian làm việcan toàn và thiết kế quỹ đạo chuyển động hiệu quả trong vùng an toàn.

 Các nghiên cứu liên q an đến tổn thất dạng chuyển động tự do:

Nghiên cứu [28] đưa ra giải pháp điều khiển cho tay máy hoạt động trên mặtphẳng thẳng đứng có khâu, khớp quay và bị lỗi ở một khớp bất kỳ Vị trí khớp bị lỗiđược chọn làm điểm break-point để phân chia tay máy khâu thành hai nhóm khâu.Mỗi nhóm khâu là một composite link được hình thành bằng cách duỗi thẳng cáckhâu đơn Tay máy khâu trở thành tay máy hai khâu dạng acrobot hoặc pendubot.Thuật toán điều khiển gồm hai phần với hai nhiệm vụ: điều khiển các khâu trongcùng một nhóm phải nối thẳng với nhau; điều khiển tay máy “hai khâu” giữ cânbằng và ổn định ở vị trí thẳng đứng

Nghiên cứu về nhận diện lỗi dạng khớp quay tự do và điều khiển phục hồi thíchnghi bền vững cho tay máy được trình bày trong các bài báo [29], [30] Các khớpđược giả thiết không bị giới hạn về góc khớp Phương pháp điều khiển gồm có bagiai đoạn: Giai đoạn 1: điều khiển vị trị các khớp bị động nhờ vào các khớp chủđộng Giai đoạn 2: phanh bó cứng các khớp bị động khi thỏa mãn vị trí yêu cầu.Giai đoạn 3: điều khiển các khớp chủ động Các kết quả được mô phỏng cho dạngtay máy hoạt động trong một mặt phẳng Nghiên cứu [31] tập trung vào lớp hệthống phi tuyến bất định có cơ chế chấp hành dự phòng Dựa trên kỹ thuật cuốnchiếu, bộ điều khiển thích nghi phi tập trung được đề xuất có xét đến sự tương tácgiữa các hệ thống con trong hệ để điều khiển các cơ chế chấp hành không bị lỗinhằm bù lại những ảnh hưởng bởi cơ chế chấp hành bị lỗi

Xét ở một góc độ nhất định, tổn thất cơ chế chấp hành dạng chuyển động tự docũng có thể coi là một dạng đặc biệt của tay máy robot hụt cơ chế chấp hành Cókhá nhiều các nghiên cứu về điều khiển tay máy hụt cơ chế chấp hành, ví dụ như:bài báo [32] về thiết kế điều khiển thích nghi bền vững theo mô hình mẫu kết hợpchế độ trượt cho tay máy hai khâu; nghiên cứu [33] sử dụng bộ điều khiển phi tuyếnH∞ Markovian cho tay máy bị hụt ở khớp thứ hai; bài báo [34] đề xuất hai kiểu môhình bộ điều khiển trượt dựa trên cấu trúc phân cấp gia tăng và cấu trúc phân cấptổng hợp áp dụng cho lớp hệ thống SIMO bị hụt cơ chế chấp hành; nghiên cứu [35]hoàn thiện và mở rộng thuật toán điều khiển thích nghi Slotine để điều khiển ổnđịnh cho hệ thống cơ khí hụt cơ chế chấp hành song trạng thái ban đầu của hệ phảinằm trong lân cận điểm cân bằng; Tuy nhiên, các nghiên cứu về điều khiển taymáy robot hụt cơ chế chấp hành phần lớn dựa trên dạng robot hoạt động trong mộtmặt phẳng, vị trí khớp bị hụt đã biết, và có dự phòng động học; nên việc mở rộngcác kết quả này cho tay máy robot bị tổn thất cơ chế chấp hành dạng chuyển động tựdo còn gặp nhiều khó khăn và hạn chế

 Các nghiên cứu liên q an đến tổn thất dạng suy giảm mô men:

Nghiên cứu [36] về điều khiển bù lỗi thích nghi cho sự suy giảm mô men của cơchế chấp hành và các tham số bất định trong mô hình tay máy Các kết quả môphỏng thể hiện cho tay máy hai bậc tự do có kết cấu dạng hình bình hành Thuậttoán điều khiển bám vị trí thích nghi sử dụng kỹ thuật cuốn chiếu cho một lớp taymáy tổn thất cơ chế chấp hành dạng suy giảm mô men có xét đến các điều kiện ràng

13

buộc vị trí khớp [37] Tuy nhiên thuật toán khá phức tạp, đòi hỏi nhiều giả định vàkhông dễ để cài đặt cho robot thực Một cách tiếp cận khác cũng dựa trên kỹ thuậtcuốn chiếu nhằm thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho một lớp hệ thống phi tuyếnSISO có cấu trúc truyền ngược chặt với tham số bất định [38] Bài báo [39] đề xuấtphương pháp điều khiển bám phi tập trung hóa sử dụng mạng nơron thích nghi dựatheo kỹ thuật cuốn chiếu và phương pháp điều khiển mặt động học cho hệ thốngMIMO phi tuyến bao gồm nhiều hệ MISO ghép lại.

Như vậy, có thể thấy rằng vấn đề điều khiển tay máy robot khi bị tổn thất cơ chếchấp hành đã thu hút nhiều nhà khoa học và vẫn đang tiếp tục được khai thác bởicác yêu cầu từ thực tiễn, đặc biệt là các tay máy robot làm việc trong công nghiệp

1.5.3 Phân tích khả năng điều khiển tay máy công nghiệp trong tình

trạng tổn thất cơ chế chấp hành

1.5.3.1 Phân tích động học của một kiểu tay máy công nghiệp có 6 khớp

quay điển hình khi bị tổn thất một cơ chế chấp hành

Trong các trường hợp tổn thất cơ chế chấp hành, dạng suy giảm mô men khônglàm thay đổi động học của tay máy robot, còn dạng bó cứng khớp sẽ gây ra thay đổiđộng học và ảnh hưởng đáng kể đến không gian làm việc của tay máy robot Do đó,ta sẽ tiến hành phân tích động học cho một kiểu tay máy công nghiệp thông dụng có6 khớp quay và bị bó cứng một khớp bất kỳ để phác thảo vùng không gian làm việcbị hạn chế Sau đó có thể mở rộng kết quả phân tích cho trường hợp tổn thất cơ chếchấp hành dạng chuyển động tự do Tay máy robot được xét ở đây là robot IRB

2400 của hãng ABB với các hệ tọa độ khớp được mô tả ở Hình 1.8 và các tham sốD-H thể hiện trong Bảng 1.1 Các hình trong mục 1.5.3.1 có sử dụng hình ảnh nền

của robot IRB 2400 [40] phục vụ việc gắn các hệ tọa độ và phân tích vùng làm việccủa robot Xét ma trận vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối:

Trong đó là ma trận biến đổi thuần nhất từ hệ tọa độ thứ i sang hệ

tọa độ thứ , ( 1, 2, , 6), là ma trận biểu diễn vị trí và hướngcủa khâu chấp hành cuối trong hệ tọa độ cơ sở, ba vector , , lần lượt làcác vector chỉ hướng của các trục , , của khâu chấp hành cuối, là vectorvị trí điểm làm việc của khâu chấp hành cuối trong hệ tọa độ gốc

Bảng 1.1 Tham số D-H của robot ABB IRB 2400

Joint iθi (rad) di (m) ai (m) αi (rad)

Hình 1.8 Robot công nghiệp ABB IRB 2400 với các hệ tọa độ khớp

Trong Hình 1.8, các hệ tọa độ được gắn trên khâu tại vị trí trục khớpthứ , theo quy tắc Denavit-Hartenberg: Trục được đặt dọc theo trục khớp, trục là pháp tuyến chung giữa trục khớp và , có chiều từ đến ,và trục được xác định theo quy tắc bàn tay phải Trường hợp các trục khớp cắtnhau thì trụcđược chọn theo tích hoặc Trường hợp các trụckhớp song song (hoặc trùng nhau) thì trục được chọn là một đường vuông gócchung giữa và , có hướng từ trục đến Trong Bảng 1.1, là góc khớpcó thể hiện vị trí ban đầu của robot khi , là biến góc khớp , là khoảngcách được đo dọc theo trục khớp giữa hai pháp tuyến (pháp tuyến giữa trục khớp

và trục khớp ; pháp tuyến giữa trục khớp và trục khớp ),là độ dàicủa pháp tuyến chung giữa trục khớp và trục khớp ,là góc xoắn giữa trụckhớp và trục khớp xét trong mặt phẳng vuông góc với pháp tuyến chung củachúng (chính là góc tạo bởi trục và trục với chiều dương tính theo trục )

Nếu CCCH của khớp bị tổn thất dạng bó cứng khớp, ma trận sẽ trở thànhma trận hằng Khâu và khâu được nối cứng với nhau thành một khâu (

)* mới, dẫn đến khâu trở thành khâu * mới, , và khâu 6 trở thành khâu 5*mới Hệ tọa độ thứ cũ đóng vai trò biến đổi trung gian giữa hệ tọa độ thứvà hệ tọa độ thứ Chỉ số thứ tự của các hệ tọa độ sẽ được đặt lại: Dịch lùimột giá trị kể từ hệ tọa độ thứ Hệ tọa độ thứ trở thành hệ tọa độ thứ ( )*mới, , và hệ tọa độ thứ 6 có vai trò là hệ tọa độ thứ 5* mới Sự thay đổi về khâu và

khớp của tay máy 6-DOF khi khớp bị bó cứng được mô tả trong Bảng 1.2 Ma trận

vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối trở thành

Bảng 1.2 Tay máy 6-DOF trở thành 5-DOF khi bị bó cứng khớp i

là “mặt cầu chỉ hướng” cho vector của khâu chấp hành cuối Tâm mặt cầu chỉhướng, hay còn gọi là “tâm cổ tay” (wrist center), có vị trí trong hệ tọa độ gốc là

Theo công thức (1.14), nếu biết vị trí điểm làm việc và vector chỉ hướng thìcó thể tính được vị trí mong muốn Và vị trí tâm cổ tay được quyết định bởiba khớp định vị Xét thêm về hướng, nếu vector được thỏa mãn thì các vector ,sẽ dễ dàng được thỏa mãn nhờ góc Như vậy, vùng không gian làm việc bị hạnchế sẽ phụ thuộc chủ yếu vào , , và Trong các phân tích dưới đây, khớp thứđược giả thiết bị bó cứng tại vị trí ban đầu ứng với biến góc khớp

1) Vùng làm việc của tay máy khi khớp 1 bị bó cứng:

Khi khớp 1 bị bó cứng, tâm cổ tay sẽ nằm trong miền giới hạn thuộc mặt

phẳng A-A là mặt phẳng đi qua trục khớp 1 và vuông góc với trục khớp 2 (Hình1.9) Ngoài ra, miền còn bị giới hạn bởi các điểm tới hạn của tay máy Vùng khônggian tạo ra bởi tất cả các mặt cầu chỉ hướng (Hình 1.10) khi tâm cổ tay di

chuyển trong toàn miền chính là vùng làm việc bị hạn chế của khâu chấp hànhcuối Xét một điểm làm việc tùy ý nằm trong vùng làm việc bị hạn chế này Gọi là

đường giao giữa mặt cầu (tâm là điểm làm việc , bán kính d6) và miền giớihạn Các hướng của khâu chấp hành cuối nằm trong tập hợp các vector nối từđường đến điểm làm việc (Hình 1.11) và bị giới hạn bởi phạm vi hoạt động

của góc

Tâm cổ tay Điểm làm

Hình 1.11 Hạn chế về hướng của khâu EE khi khớp 1 bị bó cứng (a) Vector chỉ hướng khi

đểm làm việc nằm trong vùng giới hạn, (b) Giới hạn trên của vector chỉ hướng,

2)Vùng làm việc của tay máy khi khớp 2 bị bó cứng

Với lỗi khớp 2 bị bó cứng, vị trí tâm cổ tay bị giới hạn trong miền là mặt cong

được tạo ra khi cho khớp 1 và khớp 3 quay (thể hiện trên Hình 1.12 và Hình1.13) Khi tâm của cổ tay di chuyển trong toàn miền sẽ tạo ra vùng không gian được

bao bởi tất cả các mặt cầu chỉ hướng, đó chính là vùng làm việc bị hạn chế của khâuchấp hành cuối Xét một điểm làm việc tùy ý nằm trong vùng làm việc bị hạn chế.Các hướng có thể có của khâu chấp hành cuối là tất cả các vector nối từ

đường đến điểm làm việc (Hình 1.13) Trong đó, là đường giao giữa mặt

cầu (có tâm là điểm làm việc , bán kính d6) và miền giới hạn

Hình 1.12 Vùng làm việc bị hạn chế khi khớp 2 bị bó cứng

18

Vùng làm việcbị hạn chế

Miềngiớihạn

(b) Đường giao C2f hạn chế về hướng xét tại một đ ểm làm việc

3) Vùng làm việc của tay máy khi khớp 3 bị bó cứng

Tương tự như trường hợp ở khớp 2, khi khớp 3 bị bó cứng thì vị trí tâm cổ tay bị

giới hạn trong miền là mặt cong được tạo ra khi khớp 1 và khớp 2 quay (Hình1.14) Các hướng của khâu chấp hành cuối bị hạn chế và phụ thuộc vào đường giao

- là đường giao giữa mặt cầu (tâm là điểm làm việc tùy ý nằm trong vùng làm

việc bị hạn chế, có bán kính d6) và miền giới hạn (Hình 1.15).

19

S3f

(a)

làm việckhớp 4

Hình 1.15 Hạn chế về hướng của khâu chấp hành cuối khi khớp 3 bị bó cứng (a) Miền

giới hạn S3f, (b) Đường giao C3f hạn chế về hướng xét tại một đ ểm làm việc

20

4) Vùng làm việc của tay máy khi khớp 4 bị bó cứng

Trường hợp này, vị trí tâm cổ tay không bị hạn chế nhưng hướng của khâu chấphành cuối bị hạn chế, do khớp 4 thuộc nhóm khớp định hướng Khớp 4 và khớp 5 cónhiệm vụ định hướng cho trục (vector ) Nên khi khớp 4 bị bó cứng tại một vị trínào đó thì vector chỉ phụ thuộc vào trục khớp 5 Mặt cầu chỉ hướng giờ đây chỉ là

d6max

5

Hình 1.16 Hạn chế về hướng của khâu chấp hành cuối khi khớp 4 bị bó cứng

5) Vùng làm việc của tay máy khi khớp 5 bị bó cứng

Tương tự sự cố bó cứng khớp 4, tùy vào vị trí bị bó cứng của khớp 5, phạm vihướng của trục (vector ) giờ đây được xác định bởi khớp 4 Tập hợp tất cả các

vector chỉ hướng sẽ tạo thành một hình nón (Hình 1.17) Xét một điểm làm việc

nhất định trong không gian công tác, do sự hạn chế về hướng vector , nên tâm cổtay chỉ có thể nằm trên một đường tròn (Hình 1.18).

Vị trí khâu 5khi khớp 4 bị bó cứng

Điểm làmviệc

p

Trục khớp 4

ap

Hình 1.18 Hạn chế về hướng của khâu chấp hành cuối xét tại một đ ểm làm việc khi khớp

5 bị bó cứng (a) Giới hạn trên của vector chỉ hướng, (b) Giới hạn ưới của vector chỉ

hướn , (c) Đường tròn quỹ tích của tâm cổ tay

6) Vùng làm việc của tay máy khi khớp 6 bị bó cứng

Khớp 6 thuộc nhóm khớp định hướng, có nhiệm vụ xác định hướng của trụcvà (tương ứng là các vector và ) nhờ chuyển động quay quanh trục khớp 6.Khi khớp 6 bị bó cứng, các vector và sẽ không thể điều chỉnh được và có vị trícố định so với hệ tọa độ gắn trên khâu 5 Hướng vector của khâu chấp hành cuối

vẫn được đảm bảo nhờ khớp 4 và khớp 5 (Hình 1.19).

x5d6

a

z5z6

Khớp 6 bị bó cứng(6  const)

Trục khớp 5

Hình 1.19 Hạn chế về hướng của khâu chấp hành cuối khi khớp 6 bị bó cứng

Mở rộng kết quả phân tích động học cho trường hợp tổn thất cơ chế chấp hành dạng chuyển động tự do:

 Khớp 1 chuyển động tự do: Vùng làm việc bị hạn chế tương tự như trường hợp bịbó cứng khớp 1 (do trục khớp 1 vuông góc với mặt đất);

 Khớp 2 hoặc khớp 3 chuyển động tự do: Sự cố này gây nguy hiểm cho hệ thốngdo khâu 2, khâu 3 với cánh tay dài và khối lượng lớn có xu hướng bị kéo gập xuốngbởi trọng lực Không có cơ hội điều khiển robot trong tình trạng này;

 Khớp 4 chuyển động tự do: Vị trí tâm cổ tay không bị hạn chế Tuy nhiên, khâuđịnh hướng 4 bị xoay bởi trọng lực của các khâu 4, 5, 6 và dụng cụ thao tác Nênkhông thể đảm bảo cả vị trí và hướng của điểm làm việc;

 Khớp 5 chuyển động tự do: Trường hợp này cũng rất khó đảm bảo cả vị trí vàhướng của điểm làm việc Với một số bài toán gắp-nhả (pick-and-place) nhất định, vẫncó cơ hội điều khiển được nếu kết hợp với phanh bó cứng khớp 5:

Trước tiên, điều khiển các khớp còn lại để đưa góc khớp 5 đạt vị trí mong muốn.Sau đó phanh bó cứng khớp 5 Cuối cùng, điều khiển robot tới vị trí yêu cầu đểgắp vật Quá trình điều khiển nhả vật được thực hiện tương tự

 Khớp 6 chuyển động tự do: Có thể đảm bảo được vị trí điểm làm việc và hướngtrục , nhưng không đảm bảo được hướng các trục và

Dựa vào các phân tích cho hai trường hợp tổn thất cơ chế chấp hành dạng bócứng khớp và dạng chuyển động tự do, các kết quả cốt lõi về vùng làm việc bị hạn

chế, khả năng điều khiển, và một số kiến nghị được trình bày trong Bảng 1.3 vàBảng 1.4.

22

Bảng 1.3 Phân tích động học và khả nănđ ều khiển tay máy công nghiệp 6-DOF đ ển

hình khi bị tổn thất cơ chế chấp hành dạng bó cứng một khớp

Vùng làm việc bị hạn chếKhả nănđiều khiểnKhớp bị

điều khiển hiệnhành;

a nằm trên = const, = const,

+Pick-and-thỏa mãn athỏa mãn a ở place: NếuKhớp 4 Không một hình

trên cả quỹ hai điểm làm điểm đầu vàquạt

nằm trongvùng làm việcbị hạn chế, thì= const, = const, thiết kế lại quỹKhớp 5 Không a nằm trênthỏa mãn athỏa mãn a ở đạo chuyển

một hình nón trên cả quỹ hai điểm làm động;

thỏa mãn đ ềukiện trên:

Dừng tay máyKhớp 6 Không n, o: cố định Yêu cầu về Yêu cầu về lại và/hoặc di

hướng chỉ là a hướng chỉ là a chuyển về vị trí

an toàn

hình khi bị tổn thất cơ chế chấp hành dạng một khớp chuyển động tự do

Khớp bị Vùng làm việc bị hạn chếKhả năn điều khiểnchuyển

Quỹ đạo vị trí Hai điểm làm Xử lý tương tự

Khớp 1 Nằm trên S1f Không pw nằm trong việc có pw như trường hợp

hoàn toàn

cứng khớp

Khớp 5 Không Không điều Không Có thể nếu kết Có thể thiết kế

23

chỉnh trực hợp phanh của điều khiển lại

kết hợp phanhKhông điều

Yêu cầu về Yêu cầu về Phanh lại và xử

Như vậy, những tay máy robot có dự phòng động học có thể cho phép thay đổicấu hình của tay máy mà không làm thay đổi vị trí và hướng của khâu chấp hànhcuối Điều này mang đến cơ hội xử lý các tình huống lỗi khớp tốt hơn

1) Khả năn điều khiển tay máy công nghiệp không có dự phòng động học a) Với lỗi dạng bó cứng khớp

Không gian làm việc bị thu hẹp nhiều Tuy điểm làm việc nằm trong vùng khônggian làm việc hạn chế, nhưng rất có thể chỉ đảm bảo được yêu cầu về vị trí màkhông thể đảm bảo yêu cầu về hướng của khâu chấp hành cuối Giả thiết là vùngkhông gian làm việc đầy đủ của tay máy robot, và là vùng không gian làm việcbị hạn chế khi cơ chế chấp hành thứ bị bó cứng tại góc = * luôn là hằng số

(Hình 1.20) Như vậy, có thể thấy là không gian con của và vùng không giancòn lại là ( - )

- Xét bài toán điều khiển bám quỹ đạoGiả thiết quỹ đạo chuyển động của tay máy robot là đường cong AB được mô tả

theo các trường hợp ở Hình 1.20 Trong Hình 1.20a, quỹ đạo AB đi qua cả hai

miền và ( - ) Yêu cầu đặt ra là trong miền thì gócbám theo *, còntrong miền ( - ) thìbám theo ** Có thể thấy góc đã thỏa mãn bằng *trong miền Nhưng trong miền ( - ) thì do khớp bị bó cứng ( = * =

const), nên không thể điều khiển đạt tới **được Suy ra, khâu chấp hành cuốikhông thể bám được theo quỹ đạo AB

24

Trong Hình 1.20b, quỹ đạo không nằm trong mà chỉ nằm trong miền ( - ).Tương tự nhận xét ở trên, góc không thể đạt tới **, nên cũng không thể điềukhiển được khâu chấp hành cuối bám theo quỹ đạo AB.

Trong Hình 1.20c, quỹ đạo AB nằm trọn trong , có nghĩa là khớp bị bó cứngtại đúng góc khớp mong muốn * Nên bộ điều khiển đã được thiết kế cho trạngthái làm việc bình thường vẫn đáp ứng tốt yêu cầu và không cần thiết kế lại

 **

i

A

Hình 1.20 Quỹ đạo chuyển động AB của robot mô tả trong các vùng không gian làm việc

khi khớp i bị bó cứng; (a) Quỹ đạo đ q a Di và (D-Di), (b) Quỹ đạo chỉ thuộc

D-Di, (c) Quỹ đạo chỉ thuộc Di

- Xét bài toán điều khiển pick-and-placeBình thường, tay máy sẽ di chuyển theo một quỹ đạo nào đó giữa hai điểm làmviệc A và B được tối ưu trong trường công tác Khi xảy ra sự cố bó cứng khớp ,

quỹ đạo này có thể đi qua miền (Hình 1.20a) hoặc nằm ngoài (Hình 1.20b) và robot

không thể di chuyển theo quỹ đạo đó được nữa Nói cách khác, chỉ cần mộttrong hai điểm làm việc không nằm trong thì không thể điều khiển được Nếuquỹ đạo nằm trọn trong miền (Hình 1.20c) thì hệ thống robot vẫn hoạt động bình

thường Nếu hai điểm làm việc A và B nằm trong nhưng quỹ đạo chuyển độnglại đi qua cả miền và ( - ) (Hình 1.21), thì khi đó cần thiết kế lại quỹ đạo

chuyển động tối ưu chỉ nằm trong miền

(A và B đều nằm trong miền Di)

b) Với lỗi dạng chuyển động tự do

Trường hợp tổn thất cơ chế chấp hành dạng chuyển động tự do thì không thể điềukhiển một cách trực tiếp Sử dụng hệ thống phanh nếu có và chuyển bài toán vềdạng bó cứng khớp Hệ thống vẫn có khả năng hoạt động bình thường nếu lỗi xảy raở khớp 6 và yêu cầu về hướng của khâu chấp hành cuối chỉ là vector

c) Với lỗi dạng suy giảm mô men

Tổn thất cơ chế chấp hành dạng suy giảm mô men không làm thay đổi bài toánđộng học và không gian làm việc Do đó, cần xây dựng các phương pháp điều khiểnnhằm bù thích nghi cho sự suy giảm mô men của cơ chế chấp hành

2) Khả nănđiều khiển tay máy công nghiệp có dự phòng động học

Với tay máy robot có dự phòng động học (hay còn gọi là dự phòng khớp), cơ hộivà khả năng điều khiển cao hơn rất nhiều so với tay máy robot không có dự phòng

a) Với lỗi dạng bó cứng khớp

Thiết kế cấu hình tay máy kết hợp các phân tích giới hạn khớp để áp đặt các giớihạn khớp ngay từ khi hệ thống chưa bị lỗi Mục tiêu là làm tăng khả năng quỹ đạomong muốn sẽ nằm trong vùng không gian khi sự cố xảy ra và tạo điều kiện thuậnlợi cho bài toán điều khiển Bước tiếp theo là cập nhật cấu hình mới của robot vàthiết kế, cập nhật luật điều khiển mới theo cấu hình này

b) Với lỗi dạng chuyển động tự do

Không thể điều khiển khớp bị lỗi một cách trực tiếp mà cần phải phối hợp điềukhiển các khớp còn lại và hệ thống phanh nhằm đưa khớp bị lỗi tới vị trí mongmuốn nhất định Sau đó cập nhật cấu hình mới của robot, thiết kế và cập nhật luậtđiều khiển mới tùy theo yêu cầu

c) Với lỗi dạng suy giảm mô men

Tương tự cho tay máy không có dự phòng động học Đề xuất các phương pháp điềukhiển phù hợp để bù thích nghi cho sự suy giảm mô men của cơ chế chấp hành

cơ chế chấp hành

Tay máy công nghiệp không có dự phòng động học

Có khả năng nhưng tùy vào vị trí

Có khả năng nếu thỏa mãn điềuBó cứng khớp khớp bị bó cứng, và không cần

kiện ở Bảng 1.3thiết kế bộ điều khiển khác

Có khả năng nếu kết hợp với

Có khả năng nếu thỏa mãn điềuChuyển động tự do phanh bó cứng, và không cần

kiện ở Bảng 1.4thiết kế bộ điều khiển khác

Suy giảm mô men Bù thích nghi cho sự suy giảm Bù thích nghi cho sự suy giảm

Tay máy công nghiệp có dự phòng động học

Xây dựng cấu hình tay máy và đặt ra các giới hạn khớp trước khiBó cứng khớp lỗi Khi bị lỗi thì cập nhật cấu hình và thiết kế thuật toán điều

khiển tương ứngĐiều khiển các khớp còn lại để đưa khớp bị sự cố đạt tới vị trí tốiChuyển động tự do ưu và kết hợp phanh bó cứng Sau đó cập nhật cấu hình và thiết kế

thuật toán điều khiển tương ứngSuy giảm mô men Bù thích nghi cho sự suy giảm Bù thích nghi cho sự suy giảm

Các kết quả được tổng hợp trong Bảng 1.5 Ứng với mỗi kiểu tay máy robot, mỗi

dạng tổn thất cơ chế chấp hành sẽ có khả năng điều khiển khác nhau Kiểu tay máykhông có dự phòng động học thì cơ hội điều khiển nhằm duy trì tác vụ cho trước sẽkhó khăn và hạn chế hơn Ngược lại, kiểu tay máy có dự phòng động học sẽ có khả

năng điều khiển cao hơn Nguyên nhân là do bài toán động học ngược của tay máykhông có dự phòng động học thường là một hoặc hai nghiệm vật lý, trong khi tay

26

máy có dự phòng động học lại có vô số cấu hình tay máy khả dụng Trong cáctrường hợp không thể điều khiển tay máy đảm bảo tác vụ đang thực hiện thì giảipháp là dừng hệ thống lại và nếu được thì điều khiển tay máy về vị trí an toàn.

1.6 Đề xuất hướng nghiên cứu của luận án

1.6.1 Hướng nghiên cứu của luận án

Giải pháp điều khiển tay máy công nghiệp trong tình trạng tổn thất cơ chế chấphành vẫn luôn là nhu cầu mà thực tiễn đòi hỏi Dựa trên các nghiên cứu về điềukhiển tay máy robot nhiều khớp bị tổn thất cơ chế chấp hành và các phân tích độnghọc của một kiểu tay máy công nghiệp thông dụng có 6 khớp quay bị lỗi một khớpbất kỳ, tác giả đã làm rõ những phạm vi cần đi sâu phân tích và khả năng điều khiểntay máy công nghiệp khi bị tổn thất cơ chế chấp hành dạng bó cứng khớp, dạngchuyển động tự do, và dạng suy giảm mô men

Tổn thất cơ chế chấp hành dạng bó cứng khớp gây ảnh hưởng lớn nhất đến bàitoán động học và không gian làm việc của tay máy robot Tạo ra một cấu hình mớicho tay máy robot, tùy thuộc vào khớp bị sự cố và vị trí khớp bị bó cứng Trongluận án, tác giả mới chỉ dừng lại ở phân tích động học trong trường hợp bó cứngmột khớp Trường hợp nhiều khớp bị bó cứng đồng thời thì ảnh hưởng càng nghiêmtrọng hơn Thêm vào đó, nếu các điều kiện cho khả năng điều khiển được thỏa mãn,với bài toán bám quỹ đạo thì không cần thiết kế luật điều khiển khác, còn với bàitoán điều khiển pick-and-place thì chỉ là thay đổi quỹ đạo chuyển động giữa haiđiểm làm việc Vì vậy, bài toán điều khiển tay máy robot trong tình trạng bó cứngkhớp mang tính đặc thù cho từng kiểu tay máy robot, cho từng vị trí khớp bị sự cố,cho từng tác vụ, và cho từng môi trường công tác

Tổn thất cơ chế chấp hành dạng chuyển động tự do tuy không làm thay đổi bàitoán động học, nhưng lại không có khả năng điều khiển trực tiếp được Các khâunối với khớp bị sự cố sẽ bị kéo xuống bởi trọng lực gây nguy hiểm Trên thực tế, đểđảm bảo an toàn, các robot mà có chuyển động chịu ảnh hưởng bởi trọng lực thì đềucó hệ thống phanh Khi sự cố xảy ra, phanh sẽ được kích hoạt để bó cứng khớp bịlỗi, và phương pháp xử lý tương tự cho dạng bó cứng khớp

Tổn thất cơ chế chấp hành dạng suy giảm mô men không gây ảnh hưởng tới độnghọc và không gian làm việc của tay máy robot nên không mang tính chất đặc thù.Có cơ hội thiết kế được luật điều khiển mang tính tổng quát và có thể áp dụng chonhiều kiểu robot

Dựa theo các nhận xét trên, tác giả đề xuất hướng nghiên cứu của luận án là tậptrung vào nghiên cứu phân tích tình trạng tổn thất cơ chế chấp hành dạng suy giảmmô men (suy giảm theo tỉ lệ, suy giảm ngưỡng chặn giá trị mô men, suy giảm tốc độbiến thiên mô men), và sau đó giải quyết bài toán điều khiển cho ít nhất một trongcác trường hợp suy giảm mô men Trong một phạm vi suy giảm nhất định, thuậttoán điều khiển có khả năng duy trì chất lượng thậm chí khi đồng thời nhiều khớp bịsự cố Bộ điều khiển nếu có thể được sử dụng ngay ở trạng thái vận hành bìnhthường và khi bị sự cố thì việc phát hiện và nhận dạng lỗi không cần phải thực hiện

27

1.6.2 Dự kiến các đóng góp mới

- Xây dựng và đề xuất sử dụng mô hình bán vật lý của tay máy robot dựa theophương pháp dùng mạng vật lý nhằm làm tăng độ tin cậy của mô hình đối tượng cũngnhư độ tin cậy của thuật toán điều khiển

- Đề xuất một luật điều khiển có khả năng hạn chế được ảnh hưởng của tìnhtrạng tổn thất cơ chế chấp hành dạng suy giảm mô men (cho ít nhất một trong cáctrường hợp suy giảm mô men)

1.7 Kết luận chương 1

Trong chương 1, tác giả đã giới thiệu tổng quan về robot công nghiệp và trìnhbày về các loại cơ chế chấp hành thường được sử dụng trong robot công nghiệp Tácgiả đã chọn lựa loại cơ chế chấp hành điện dùng động cơ AC servomotor và tạo rachuyển động của khớp là chuyển động quay làm đối tượng nghiên cứu Vấn đề tổnthất cơ chế chấp hành trong robot công nghiệp được đề cập và phân loại thành cácdạng khác nhau: dạng bó cứng khớp, dạng chuyển động tự do, dạng mô men bịnghẽn ở một giá trị, và dạng suy giảm mô men Trong đó, dạng suy giảm mô mentiếp tục được phân thành ba dạng: suy giảm mô men theo tỉ lệ, suy giảm ngưỡngchặn giá trị mô men, và suy giảm tốc độ biến thiên mô men

Một số các kết quả nghiên cứu hiện nay về vấn đề tổn thất cơ chế chấp hành chorobot nói riêng và cho các hệ thống nói chung cũng được trình bày nhằm phác thảolên bản đồ nghiên cứu về lĩnh vực này Qua đó chỉ ra các cơ hội nghiên cứu

Ảnh hưởng về động học của một kiểu robot công nghiệp điển hình trong tìnhtrạng tổn thất cơ chế chấp hành dạng bó cứng một khớp đã được phân tích, từ đóđưa ra các khả năng điều khiển tương ứng Tiếp đó được phân tích mở rộng cho tổnthất dạng chuyển động tự do và dạng suy giảm mô men Các kết quả được tổng hợpcho kiểu tay máy robot không có dự phòng động học và có dự phòng động học.Cuối cùng tác giả đã đề xuất hướng nghiên cứu chuyên sâu và dự kiến các đóng gópmới của luận án

Nội dung chính của chương 1 đã được tác giả công bố trong các bài báo:- “Phân tích khả năng điều khiển tay máy công nghiệp trong tình trạng tổn thấtcơ chế chấp hành” đăng tại Chuyên san Đo lường, Điều khiển và Tự động hóa, số 19,tháng 8 năm 2017

- “Điều khiển hệ cơ nhiều khớp khi tổn thất cơ chế chấp hành và khả năng ứngdụng vào tay máy công nghiệp” báo cáo tại Hội nghị - Triển lãm quốc tế lần thứ 4 vềĐiều khiển và Tự động hoá (VCCA) tổ chức tại TP Hồ Chí Minh, Việt Nam, ngày 1-2tháng 12 năm 2017

28