2.1.2.1. Tải trọng
Tải trọng là trọng lượng robot có thể mang và giữ trong khi vẫn đảm bảo một số đặc tính nào đó. Tải trọng lớn nhất lớn hơn tải trọng định mức nhiều, nhưng robot không thể mang tải trọng lớn hơn định mức, vì khi đó robot không đảm bảo được độ chính xác di chuyển. Tải trọng robot thông thường rất nhỏ so với trọng lượng robot. Ví dụ, robot LR Mate của hãng Fanuc có trọng lương 40kg chỉ mang được tải trọng 3kg ; Robot M-16i có trọng lượng 269kg mang được tải trọng 15,8kg.
2.1.2.2. Tầm với
Là khoảng cách lớn nhất robot có thể vươn tới trong phạm vi làm việc. Tầm với là một hàm phụ thuộc vào cấu trúc của robot.
2.1.2.3. Độ phân giải không gian
Là lượng gia tăng nhỏ nhất robot có thể thực hiện khi di chuyển trong không gian. Độ phân dải phụ thuộc vào độ phân dải điều khiển và độ chính xác cơ khí. Độ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
phân dải điều khiển xác định bởi độ phân dải hệ thống điều khiển vị trí và hệ thống phản hồi: là tỉ số của phạm vi di chuyển và số bước di chuyển của khớp được địa chỉ hóa trong bộ điều khiển của robot:
Số bước di chuyển = 2n
Với n là số bit của bộ nhớ
Ví dụ: Một khớp tịnh tiến của robot có hệ thống điều khiển 12 bit di chuyển trong phạm vi 100mm, số bước di chuyển có thể là: 212
= 4096. Độ phân dải tương ứng là:
mm 0244 . 0 4096 100
Độ di chuyển của robot là tổng các dịch chuyển thành phần. Do đó độ phân dải của cả robot là tổng các độ phân dải của từng khớp robot.
Độ chính xác cơ khí trong cơ cấu truyền động các khớp và khâu phản hồi của hệ thống điều khiển servo sẽ ảnh hưởng đến độ phân dải. Các yếu tố làm giảm độ chính xác cơ khí như khe hở trong hộp truyền, rò rỉ của hệ thống thủy lực, tải trọng trên tay robot, tộc độ di chuyển, điều kiện bảo dưỡng robot,…Độ chính xác cơ khí giảm sẽ làm giảm độ phân dải.
2.1.2.4. Độ chính xác
Đánh giá độ chính xác vị trí tay robot có thể đạt được. Độ chính xác được định nghĩa theo độ phân dải của cơ cấu chấp hành. Độ chính xác di chuyển đến vị trí mong muốn sẽ phụ thuộc vào độ dịch chuyển nhỏ nhất của khớp. Khi coi cơ cấu cơ khí có độ chính xác rất cao, có thể định nghĩa sơ bộ độ chính xác bằng một nửa độ phân dải điều khiển như trên hình 2.2.
Hình 2.2: Minh họa độ chính xác và độ phân dải điều khiển
Độ chính xác
đích
Điểm được
địa chỉ hóa Độ phân dải điều khiển
Điểm được địa chỉ hóa
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Trong thực tế, độ phân dải bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố. Độ chính xác sẽ thay đổi tùy thuộc vào phạm vi di chuyển của tay robot: phạm vi di chuyển càng xa bệ robot, độ chính xác càng giảm do độ mất chính xác cơ khí càng lớn. Độ chính xác sẽ được cải thiện nếu di chuyển của robot được giới hạn trong một phạm vi cho phép. Tải trọng cũng ảnh hưởng đến độ chính xác, tải trọng lớn sẽ gây ra độ chính xác cơ khí thấp và làm giảm độ chính xác di chuyển. Thông thường độ chính xác di chuyển của robot công nghiệp đạt 0,025 mm.
2.1.2.5. Độ lặp lại
Độ lặp lại đánh giá độ chính xác khi robot di chuyển để với tới một điểm trong nhiều lần hoạt động ( ví dụ 100 lần ). Do một số yếu tố mà robot không thể với tới cùng một điểm trong nhiều lần hoạt động, mà các điểm với của robot nằm trong một vòng tròn với tâm là điểm đích mong muốn. Bán kính của đường tròn đó là độ lặp lại. Độ lặp lại là đại lượng có ý nghĩa quan trọng hơn độ chính xác. Độ chính xác đánh giá bằng sai số cố định; sai số cố định có thể phán đoán được và có thể hiệu chỉnh bằng chương trình. Nhưng sai số ngẫu nhiên sẽ khó có thể khử được. Độ lặp lại cần phải được xác định bằng kết hợp nhiều thực nghiệm với tải trọng và các hướng di chuyển khác nhau ( phương thẳng đứng và phương nằm ngang,…). Độ lặp lại của các robot công nghiệp thông thường là 0,025 mm.
2.1.2.6. Độ nhún
Độ nhún biểu thị sự dịch chuyển của điểm cuối cổ tay robot đáp ứng lại lực hoặc mô men tác dụng. Độ nhún lớn có nghĩa là tay robot dịch chuyển nhiều khi lực tác dụng nhỏ và ngược lại. Độ nhún có ý nghĩa quan trọng vì nó làm giảm độ chính xác dịch chuyển khi robot mang tải trọng. Nếu tay robot mang tải trọng nặng, trọng lượng tải trọng sẽ làm cho cánh tay robot bị dịch chuyển. VD: Khi robot thực hiện gia công khoan, ấn mũi khoan vào chi tiết phản lực sẽ làm cơ cấu tay di chuyển,…Nếu robot được lập trình trong điều kiện không tải của cơ cấu tay, độ chính xác sẽ giảm trong điều kiện làm việc có tải.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.2. Chất lƣợng quá trình làm việc và các thông số điều khiển 2.2.1. Yêu cầu về chất lƣợng trong điều khiển Robot 2.2.1. Yêu cầu về chất lƣợng trong điều khiển Robot (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
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, rung động và va chạm.
Robot công nghiệp hiện đại thường duy trì cả hai mạch điều khiển là điều khiển vị trí trên cơ sở bài toán động học ngược, và điều khiển lực trên cơ sở mô hình động lực học hệ thống.
2.2.2. Giới thiệu bài toán điều khiển động học ngƣợc Robot
Bài toán động học ngược được đặc biệt quan tâm vì lời giải của nó là cơ sở chủ yếu để xây dựng chương trình điều khiển chuyển động của robot bám theo quỹ đạo cho trước.
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
DAC (Trễ truyền thông giữa controller và các driver) Cơ cấu chấp hành và đối tượng ĐK Controller (Trễ tính toán) ZOH ADC
(Trễ truyền thông giữa các driver và
controller)
Khối đo lường; quan sát
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
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.
Ở sơ đồ điều khiển trong không gian công tác, bài toán ngược được giải trong mạch phản hồi.
Nhiệm vụ của các khối trong sơ đồ:
- Khối điều khiển: Bao gồm các thiết bị điều khiển, từ các giá trị đặt của bài toán khối điều khiển sẽ đưa ra các tác động điều khiển lên các cơ cấu chấp hành để điều khiển đối tượng.
x Động học ngược Khối điều khiển Khối chấp hành Tay máy Khối đo lường q _
Hình 2.5 : Sơ đồ điều khiển trong không gian khớp
qd Khối điều khiển Khối chấp hành Tay máy Khối đo lường xd
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Khối chấp hành: Bao gồm các động cơ, thiết bị chấp hành nhận lệnh từ khối điều khiển tác động trực tiếp lên đối tượng.
- Khối đo lường: Bao gồm các cảm biến (sensor) dùng để đo các đại lượng cần điều khiển đưa về mạch phản hồi để so sánh với các đại lượng đặt.
Có thể thấy dữ liệu của bài toán động học chia thành hai nhóm:
Nhóm thông số gồm các yếu tố có thểxác định được dựa trên thiết kế của robot: - Chiều dài khâu.
- Khoảng cách giữa hai gốc hệ quy chiếu kề nhau không cùng 1 khâu. - Góc xoắn của khâu.
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. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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.
Bộ thông số Denavit-Hartenberg (DH).
Một robot nhiều khâu cấu thành từ các khâu nối tiếp nhau thông qua các khớp động. Gốc chuẩn (Base) của một robot là khâu số 0 và không tính vào số các khâu. Khâu 1 nối với khâu chuẩn bởi khớp 1 và không có khớp ở đầu mút của khâu cuối cùng. Bất kỳ khâu nào cũng được đặc trưng bởi hai kích thước :
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
- Độ dài pháp tuyến chung : an .
- Góc giữa các trục trong mặt phẳng vuông góc với an : αn.
Thông thường, người ta gọi an là chiều dài và αn là góc xoắn của khâu (Hình 2.7). Phổ biến là hai khâu liên kết với nhau ở chính trục của khớp (Hình 2.8).
Mỗi trục sẽ có hai pháp tuyến với nó, mỗi pháp tuyến dùng cho mỗi khâu (trước và sau một khớp). Vị trí tương đối của hai khâu liên kết như thế được xác định bởi dn là khoảng cách giữa các pháp tuyến đo dọc theo trục khớp n và θn là góc giữa các pháp tuyến đo trong mặt phẳng vuông góc với trục.
dn và θn thường được gọi là khoảng cách và góc giữa các khâu.
Để mô tả mối quan hệ giữa các khâu ta gắn vào mỗi khâu một hệ toạ độ. Nguyên tắc chung để gắn hệ tọa độ lên các khâu như sau:
+ Gốc của hệ toạ độ gắn lên khâu thứ n đặt tại giao điểm của pháp tuyến an với trục khớp thứ n+1. Trường hợp hai trục khớp cắt nhau, gốc toạ độ sẽ đặt tại chính điểm cắt đó. Nếu các trục khớp song song với nhau, gốc toạ độ được chọn trên trục khớp của khâu kế tiếp, tại điểm thích hợp.
+ Trục z của hệ toạ độ gắn lên khâu thứ n đặt dọc theo trục khớp thứ n+1. + Trục x thường được đặt dọc theo pháp tuyến chung và hướng từ khớp n đến n+1. Trong trường hợp các trục khớp cắt nhau thì trục x chọn theo tích vectơ
n
Z
và Zn1
.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Trường hợp khớp quay thì θn là các biến khớp, trong trường hợp khớp tịnh tiến thì dn là biến khớp và an bằng 0.
Các thông số an, αn, dn và θn được gọi là bộ thông số DH.
Đặc trƣng của các ma trận A :
Trên cơ sở các hệ toạ độ đã ấn định cho tất cả các khâu liên kết của robot, ta có thể thiết lập mối quan hệ giữa các hệ toạ độ nối tiếp nhau (n-1), (n) bởi các phép quay và tịnh tiến sau đây :
- Quay quanh zn-1 một góc θn
- Tịnh tiến dọc theo zn-1 một khoảng dn - Tịnh tiến dọc theo xn-1 = xn một đoạn an - Quay quanh xn một góc xoắn αn
Bốn phép biến đổi thuần nhất này thể hiện quan hệ của hệ toạ độ thuộc khâu thứ n so với hệ toạ độ thuộc khâu thứ n-1 và tích của chúng được gọi là ma trận A :
An = Rot(z,θ) Trans(0,0,d) Trans(a,0,0) Rot(x,α)
0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 n cos sin a
sin cos cos sin
A d sin cos 0 0 0 0 1 n
cos sin cos sin sin acos sin cos cos cos sin asin A sin cos d
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 n cos sin A sin cos (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đối với một khâu đi theo một khớp quay thì d, a và α là hằng số. Như vậy, ma trận A của khớp quay là một hàm số của biến khớp θ.
Đối với một khâu đi theo một khớp tịnh tiến thì θ, α là hằng số. Ma trận A của khớp tịnh tiến là một hàm số của biến số d.
Nếu các biến số được xác định thì giá trị của các ma trận A theo đó cũng được xác định.
2.2.3. Bài toán động học trên quan điểm điều khiển thời gian thực 2.2.3.1. Yêu cầu về thời gian thực trong điều khiển động học robot 2.2.3.1. Yêu cầu về thời gian thực trong điều khiển động học robot
Robot công nghiệp là một thiết bị điều khiển nhiều trục đồng thời, bài toán động học robot được nghiên cứu trên hai phương diện chính là tổng hợp động học và phân tích động học. Trong đó bài toán tổng hợp động học giải quyết các vấn đề về số lượng, kiểu, kích thước của các khâu (link) và các khớp (joint) hợp thành chuỗi động học (chain). Bài toán phân tích động học có hai nội dung là động học thuận và động học ngược. Nghiệm của bài toán động học ngược là một trong các thông tin quan trọng để điều khiển robot hoạt động trong đó cần quan tâm đến tốc độ hình thành lời giải với độ chính xác của lời giải bài toán ngược vì những yếu tố này quyết định chất lượng điều khiển cũng như khả năng điều khiển thời gian thực.
Động học robot yêu cầu quản lí được vị trí và hướng của các khâu so với nhau và so với vật chuẩn chung. Cần xác định các hệ quy chiếu duy nhất gắn với từng khâu của cấu trúc, định hướng giữa hai khâu trong cấu trúc là hướng giữa hai hệ quy chiếu gắn với chúng. Ví trí của các khâu đặc trưng bởi gốc hệ quy chiếu gắn với nó. Có hai quy tắc xác định các hệ quy chiếu gắn với từng khâu thường sử dụng là quy tắc DH, và quy tắc chuyển vị xoắn liên tiếp [l 0].
Trên cơ sở các quy tắc này có thể sử dụng phương pháp ma trận truyền để xác