5. NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SAI SỐ HÌNH HỌC, ĐỘNG HỌC
5.4 Kết luận chương 5
Trong chương này của luận án đã đưa ra phương pháp xác định sai số, thiết lập được quan hệ về mặt toán học và vận dụng được công cụ hiện đại - giải thuật di truyền, cho phép nhận kết quả lời giải nhanh, đơn giản cho bài toán nhiều nghiệm, có thể mở rộng thêm dữ liệu các điểm đo để nâng cao tính chính xác cho lời giải.
Việc đưa ra phương pháp xác định sai số là hết sức có ý nghĩa trong việc hiệu chuẩn lại robot để nâng cao độ chính xác, nâng cao đặc tính làm việc và thời gian sử dụng robot. Với kết quả này, nếu phát triển được một hệ thống đo hoàn chỉnh để xác định được sai lệch vị trí và hướng của robot, ta có thể xác định cả sai số hình học, động học trong các khâu, khớp trung gian của robot công nghiệp và sẽđưa ra lượng bù sai số của các tham sốđó.
Việc bù sai số có thể thực hiện trực tiếp trên bộ điều khiển bằng cách cập nhật lại các tham số cấu trúc trong bộđiều khiển, khi đó các tham số của mô hình điều khiển sẽđúng với tham số cấu trúc thực của robot đã được chế tạo. Hoặc ta cũng có thể cập nhật tham số cấu trúc thực tế của robot vào chương trình giải bài toán động học ngược, khi đó lời giải bài toán sẽ cho ta giá trị các biến khớp điều khiển được chính xác.
Ta cũng có thể phát triển thuật toán này để có thể xác định sai số cho các máy công cụ điều khiển sốđể hiệu chuẩn, nâng cao độ chính xác cho máy công cụ.
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Luận án đã tìm hiểu và trình bày tổng quát về các nguồn gây ra sai số, khái niệm và cách xác định sai số phụ thuộc vào dung sai chế tạo, tổng hợp lại một số kết quả nghiên cứu về sai số trong khâu, khớp robot, phương pháp xác định sai số khi biết được sai lệch. Trên cơ sởđó, luận án đã đưa ra một mô hình sai số mới được thiết lập trực tiếp từ phương trình động học biểu diễn mối quan hệ giữa sai lệch cả vị trí và hướng của khâu thao tác với tất cả các sai số hình học, động học của từng khâu, khớp trung gian. Luận án cũng đã tìm hiểu và áp dụng một công cụ mới - giải thuật di truyền, trong việc tìm giá trị sai số hình học, động học của các khâu, khớp trung gian khi đã xác định được giá trị sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác robot.
Với vấn đềđộng học robot, luận án đã vận dụng sáng tạo phương pháp mô hình hóa: sử dụng các tọa độ thuần nhất, ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất, phương pháp ma trận truyền, phương pháp tam diện trùng theo... để xây dựng được chương trình thiết lập và giải bài toán động học thuận và ngược cho cả trường hợp đối tượng công nghệ cố định và di động một cánh đúng đắn, chính xác cho các loại mô hình robot công nghiệp phổ biến có cấu trúc từ đơn giản đến phức tạp. Kết quảđược kiểm chứng thông qua mô phỏng số và mô phỏng động. Chương trình tựđộng thiết lập và giải bài toán động học robot được lập trình trên ngôn ngữ thông dụng, áp dụng thành công phương pháp số Newton – Raphson cho lời giải nhanh, chính xác, đặc biệt là lời giải thực hiện được cho cả trường hợp đối tượng thao tác cố định và di động, tiến tới có thể xây dựng các chương trình điều khiển phục vụ cho thiết kế và chế tạo robot.
Phương pháp tam diện trùng theo là một đóng góp mới của luận án để thiết lập phương trình động học được dễ dàng, dễ số hóa quỹ đạo công nghệđể giải bài toán ngược điều khiển robot một cách chính xác. Hình ảnh mô phỏng hoạt động khẳng định các kết quả tính toán hoàn toàn chính xác và tin cậy. Với phương pháp này, kết hợp với chương trình giải bài toán động học ngược và chương trình mô phỏng động ta có thể thiết lập được công cụ phần mềm lập trình ngoại tuyến cho robot (tương tự như các phần mềm lập trình CAM cho các máy CNC), đồng thời cũng có thể sử dụng chương trình tính toán và mô phỏng động học trong việc giảng dạy, đào tạo về lĩnh vực robot.
Phương pháp mô hình hóa sai số trực tiếp từ cấu trúc động học của robot, đặc biệt là theo mô hình động học D-H, đã được nhiều tác giảđề cập. Tuy nhiên khi áp dụng phương pháp này, do bỏ qua sai sốở các thứ hạng bậc cao khi xây dựng mô hình sai số nên sẽ làm ảnh hướng tới sự chính xác của lời giải. Với phương pháp mô hình hóa sai số trực tiếp từ phương trình động học mà luận án đưa ra được trình bày dưới dạng tổng quát cho một số robot công nghiệp phổ biến với việc biểu diễn đầy đủ mối quan hệ cả sai lệch vị trí và sai lệch về hướng của khâu thao tác với tất cả các sai số hình học và động học của các khâu, khớp trung gian mà không bỏ qua sai số thứ hạng bậc cao nào sẽ giúp cho kết quả trong bài toán khảo sát ảnh hưởng của sai sốđến sai lệch cũng như bài toán xác định sai số của các khâu, khớp trung gian khi biết đã xác định được sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác được chính xác hơn, đầy đủ hơn.
Với kết quả đạt được của luận án từ khâu xây dựng mô hình động học, xây dựng mô hình sai số, đưa ra phương pháp và thuật toán xác định sai lệch của khâu thao tác trên cơ sở phạm vi sai số của các khâu, khớp trung gian đã được xác định và ngược lại, xác định sai
số khi biết được sai lệch của khâu thao tác, luận án mong muốn hướng tới việc bù sai số (xác định mô hình động học mới đúng với giá trị tham sốđộng học thực tế) của một robot mới được chế tạo cũng như robot đã qua sử dụng để nâng cao độ chính xác cho robot. Có 2 cách có thể thực hiện bù sai số là:
- Bù sai số của các tham số hình học, động học trực tiếp vào bộ điều khiển robot bằng cách lấy giá trị danh nghĩa của các tham số này cộng (hoặc trừ) với lượng bù sai số ( vì sai số có thể âm, dương hoặc bằng không) để có được bộ điều khiển chính xác nhất với cấu trúc robot đã được chế tạo. Việc bù sai số trực tiếp phụ thuộc vào bộ điều khiển đó mà ta có thể can thiệp được hay không, nếu có thể can thiệp được thì ta hoàn toàn có thể thực hiện bù sai số được. Đối với bộ điều khiển robot mà tự chế tạo lấy thì hoàn toàn có thể thực hiện được bù sai số theo cách này.
- Bù sai số gián tiếp vào các chương trình giải bài toán động học ngược robot, khi đó các tham số hình học, động học trong chương trình phần mềm sẽđược gán là giá trị danh nghĩa cộng (hoặc trừ) với lượng sai số tương ứng với tham số đó. Kết quả lời giải bài toán động học ngược này đưa vào điều khiển robot sẽđảm bảo robot thực hiện chính xác hơn, bám theo quỹđạo mong muốn hơn.
Qua kết quả nghiên cứu của luận án này sẽ gợi mở ra nhiều nội dung, vấn đề cần đề cập nghiên cứu để có thể tiến tới làm chủ và chế tạo được robot cả phần kết cấu cơ khí cũng như là chương trình điều khiển đạt độ chính xác cao, phục vụ nhu cầu thực tiễn ở trong nước.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận:
Luận án đã thực hiện đầy đủ các nội dung nghiên cứu đểđạt được mục đích đặt ra. Những kết quảđạt được và những đóng góp mới của luận án trong nghiên cứu về sai số và độ chính xác của robot cấu trúc nối tiếp chuỗi hở, cụ thể là:
1.Vận dụng sáng tạo phương pháp mô hình hóa: sử dụng các tọa độ thuần nhất, ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất, phương pháp ma trận truyền, phương pháp tam diện trùng theo, công cụ tin học... để thiết lập và giải bài toán động học thuận và ngược cho một số mô hình robot công nghiệp phổ biến có cấu trúc từđơn giản đến phức tạp.
2.Xây dựng được mô hình sai số biểu diễn mối quan hệ giữa sai số hình học, động học của các khâu, khớp trung gian và sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác cho một số robot công nghiệp có cấu trúc từđơn giản đến phức tạp mà không bỏ qua sai số bậc cao khi tính toán giúp cho kết quả khảo sát ảnh hưởng của sai số tới sai lệch cũng như xác định sai số khi biết được sai lệch sẽ chính xác hơn.
3.Đã xây dựng được giải thuật tính toán, khảo sát sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác robot: Xác định sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác tác theo sai số hình học, động học của các khâu, khớp trung gian. Bài toán được áp dụng khảo sát cho các mô hình robot công nghiệp có cấu trúc khác nhau.
4.Đã thiết lập được quan hệ về mặt toán học và vận dụng được phương pháp hiện đại là thuật toán di truyền để giải bài toán nhiều nghiệm, xác định sai số trong các khâu, khớp trung gian của robot theo sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác. Là tiền đề cho việc bù sai sốđể nâng cao độ chính xác robot.
5.Xây dựng được bộ chương trình để giải bài toán động học và tính toán sai số, áp dụng cho các loại mô hình robot công nghiệp phổ biến có cấu trúc khác nhau.
Kiến nghị hướng phát triển của đề tài:
1.Tiếp tục phát triển phương pháp và khảo sát ảnh hưởng của sai số phi hình học. Tạo ra công cụ đánh giá sai số và độ chính xác cho các loại robot khác như robot tác hợp, robot di động, robot dạng người, máy công cụđiều khiển số…
2.Nghiên cứu, thiết lập và sử dụng hệ thống đo để xác định sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác, tạo cơ sở dữ liệu cho việc hiệu chuẩn một robot cụ thể.
3.Xây dựng phần mềm, mô đun chương trình tính toán và điều khiển robot đạt độ chính xác cao. Xây dựng phần mềm lập trình ngoại tuyến (off-line programming) cho robot.
4.Xây dựng thuật toán bù sai số cho robot.
5.Tạo công cụ thương mại phục vụ hiệu chuẩn robot. Chế tạo robot có độ chính xác tốt hơn.
6.Nghiên cứu phương pháp, công cụ xác định lượng bù sai số trực tiếp cho kỹ thuật điều khiển trực tuyến robot, máy công cụđiểu khiển sốđể nâng cao năng suất, chất lượng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Nguyễn Thiện Phúc (2003) Robot công nghiệp, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà nội. [2] Phạm Đăng Phước. Giáo trình Robot công nghiệp, Đại học Bách khoa Đà Nẵng,
2003.
[3] Phan Bùi Khôi, Trần Minh Thúy, Bùi Văn Hạnh (2007) Tính toán động học robot hàn có nền di động. Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ VIII, Hà Nội ngày 6-7/12/2007.
[4] Phan Bùi Khôi (2009) Tập bài giảng robot công nghiệp, Đại học Bách khoa Hà nội. [5] Đỗ Anh Tuấn (2008) Tính toán, thiết kế và mô phong robot hàn trên dây chuyền hàn
thân xe ô tô tựđộng. Luận văn thạc sỹ, Đại học Bách khoa Hà nội.
[6] Phan Bùi Khôi, Đỗ Anh Tuấn, Hà Huy Hưng (2009) Điều khiển robot hàn điểm chuyển động thao tác công nghệ theo chương trình. Tuyển tập công trình Hội nghị cơ học toàn quốc kỷ niệm 30 năm Viện Cơ học và Tạp chí cơ học. Tập 2, tr. 331
Tiếng Anh
[7] Nicholas G. Dagalakis ISO – 9283, Chapter 27: Industrial Robotics Standards. National Institute of Standards and Technology Intelligent Systems Division, Gaithersburg, Maryland, USA.
[8] Absolute Accuracy industrial robot option. Copyright ABB Robotics
PR10072EN_P5 Aprill, 2010.
[9] Thomas R. Kurfess Robotics and Automation handbook. Copyright by CRC Press LLC, 2005.
[10] P.S. Shiakolas, K.L. Conrad, T.C. Yih (2002) On the accuracy, repeatability, and degree of influence of kinematics parameters for industrial robots.International Journal of Modeling and Simutation, Vol. 22, No. 3, 2002.
[11] John J. Craig (1989) Introduction to Robotics Mechanics and Control. Second edition, Copyright 1989, 1986 by Addison-Wesley Publishing Company, Inc.
[12] L. J. Everett, Tsing-Wong Hsu (1988) The Theory of Kinematic parameter identification for Industrial robots. Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control.
[13] R. Weill, B. Shani (1991) Assessment of Accuracy of Robots in Relation with
Geometrical Tolerances in Robot Links. Faculty of Mechanical Engineering,
Technion, Haifa/Israel.
[14] M. J. D. Hayes, P.L. O’Leary (2001) Kinematic Calibration Procedure for Serial Robots with Six Revolute Axes. Institut f¨ur Automation, Montanuniversit¨at Leoben, Austria.
[15] Chi-haur Wu The kinematic error model for the design of robot manipulator.
[16] Kanglin Xu and Geoge F. Luger A tool for kinematic error analysis of Robots/Active
vision Systems. Department of Computer Science – University of New Mexico
Albuquerque, NM 87131.
[17] J. Chen, L. M. Chao Positioning error analysis for robot manipulator with all rotary joints. Department of Mechanical Engineering, University of Maryland, College Park, MD 20742.
[18] Marco Vannocci and Valentina Colla Kinematic Calibration procedure for Anthropomorphic Robots. Scuola Superiore Sant’Anna, Italy.
[19] Benjamin W. Mooring, Zvi S. Roth, Morris R. Driels (1991) Fundamentals of Manipulator Calibration. A Wiley-Interscience Publication.
[20] Chunhe Gong, Jingxia Yuan, Jun Ni (2000) Nogeometric error identification and compensation for robotic system by inverse calibration. Department of Mechanical Engineering and Applied Mechanics, University of Michigan, S.M. Wu Manufacturing Research Centre, Ann Arbor, MI 48109, USA.
[21] M. Barati, A. R. Khoogar, M. Nasirian (2011) Estimation and Calibrati.on of Robot Link Parameters with Intelligent Techniques. Iranian Journal of Electrical & Electronic Engineering, Vol. 7, No. 4, Dec. 2011.
[22] Yan Meng, Hanqi Zhuang (2007) Autonomous robot calibration using vision technology. Robotics and Computer-Intergrated Manufacturing 23 (2007) 436-446 ISSN 0736-5845, Elsevier.
[23] Hongliang Cui and Zhenqi Zhu (2006) Error Modeling and Accuracy of Parallel Industrial Robots. Source: Industrial Robotics theory modeling control, ISBN 3- 86611-285-8, pp. 964, Germany, December 2006.
[24] Frank Shaopeng Cheng (2008) Calibration of Robot Reference Frames for Enhanced Robot Positioning Accuracy. Central Michigan University United States. Publisher: InTech ISBN 978-953-7619-06-0.
[25] Mohamed Abderrahim, Alla Khamis, Santiago Garrido, Luis Moreno (2008)
Accuracy and Calibration Issues of Industrial Manipulators. University Carlos III of Madrid, Spain. Source: Industrial Robotics: Programming, Simulation and Application, ISBN 3-88611-286-6, pp. 702, Germany, December 2008.
[26] S. Hayati, M. Mirmirani (1985) Improving the Absolute Positioning Accuracy of Robot Manipulators. Journal of Robotic Systems, 2(4), 397-413, John Wiley & Sons, Inc.
[27] Yu Liu, Zaiman Jiang, Hong Liu, Wenfu Xu (2012) Geometric Paramet
Identification of a 6-DOF Space Robot Using a Laser-Ranger. Hindawi Publishing Corporation Journal of Robotics, Volume 2012, Article ID 587407, 11 pages.
[28] S H Ye, Y Wang, Y J Ren and D K Li (2006) Robot Calibration Using Iteration and Differential Kinematics. Institute of Physics Publishing, Journal of Physics: Conference Series 48 (2006) 1-6.
[29] Ruibo He, Yingjun Zhao, Shunian Yang, and Shuzi Yang (2010) Kinematic- Parameter Identification for Serial-Robot Calibration Based on POE Formula. IEEE transactions on Robotics, Vol. 26, No. 3, June 2010.
[30] Kathleen English, Matthew John D. Hayes, Markus Leitner, Chritian Sallinger
Kinematic Calibration of Six-Axis Robots. Mechanical & Aerospace Engineering, Carleton University, Canada.
[31] Abdul Wahid Khan, Chen Wuyi (2010) Systematic Geometric Error Modeling for Workspace Volumetric Calibration of a 5-axis Turbine Balde grinding machine.
Chinese Journal of Aeronautics 23 (2010) 604-615. Elsevier.
[32] http://vi.wikipedia.org/wiki/Gi%E1%BA%A3_ngh%E1%BB%8Bch_%C4%91%E1 %BA%A3o_Moore%E2%80%93Penrose [33] http://vi.wikipedia.org/wiki/B%C3%ACnh_ph%C6%B0%C6%A1ng_t%E1%BB%9 1i_thi%E1%BB%83u_tuy%E1%BA%BFn_t%C3%ADnh [34] http://en.wikipedia.org/wiki/Linear_least_squares_%28mathematics%29 [35] http://vi.wikipedia.org/wiki/B%C3%ACnh_ph%C6%B0%C6%A1ng_t%E1%BB%9 1i_thi%E1%BB%83u [36] http://vi.wikipedia.org/wiki/B%C3%ACnh_ph%C6%B0%C6%A1ng_t%E1%BB%9 1i_thi%E1%BB%83u_tuy%E1%BA%BFn_t%C3%ADnh [37] http://en.wikipedia.org/wiki/Genetic_algorithm [38] http://www.mathworks.com/help/gads/performing-a-genetic-algorithm- optimization.html
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
[1] Phan Bùi Khôi, Đỗ Anh Tuấn, Nguyễn Quang Hưng (2011) Nâng cao khả năng công nghệ cho robot hàn bằng đồ gá di động. Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học Toàn quốc về Cơ khí nhân dịp kỷ niệm 55 năm thành lập Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 10.2011.
[2] Phan Bùi Khôi, Đỗ Anh Tuấn, Nguyễn Quang Hưng (2011) Khảo sát sai số vị trí của robot hàn điểm. Tuyển tập công trình Hội nghị Khoa học Toàn quốc về Cơ khí nhân dịp kỷ niệm 55 năm thành lập Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 10.2011.
[3] Phan Bùi Khôi, Nguyễn Văn Trường, Nguyễn Quang Hưng, Đỗ Anh Tuấn (2012)
Khảo sát động học robot tác hợp ứng dụng trong hàn tựđộng. Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ 9, 12.2012, trang. 7-18.
[4] Phan Bùi Khôi, Đỗ Anh Tuấn, Nguyễn Quang Hưng, Nguyễn Chí Linh (2012) Khảo sát động học robot hàn di động ứng dụng trong chế tạo vỏ tàu thủy. Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ 9, 12.2012, trang. 271-279.
[5] Phan Bùi Khôi, Đỗ Anh Tuấn, Nguyễn Quang Hưng, Nguyễn Chí Linh (2013) Khảo sát độ chính xác của robot cấu trúc nối tiếp chuỗi hở. Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Khoa học và Công nghệ toàn quốc về Cơ khí lần thứ III, 04.2013.
PHỤ LỤC
Kết quả khảo sát sai số trong robot hàn điểm:
Trường hợp 1:
Đồ thị sai lệch vị trí khâu thao tác (1 – xanh: chính xác, 2 - đỏ: khi có sai số):
Theo phương x Theo phương y
Theo phương z m m m s s s
Đồ thị sai lệch góc định hướng của khâu thao tác (góc Các-đăng):
Giá trị sai lệch vị trí theo trục 0x
>
Giá trị sai lệch vị trí theo trục 0y
> Quanh trục x Quanh trục y Quanh trục z s s s rad rad rad
Giá trị sai lệch vị trí theo trục 0z
>
Giá trị sai lệch vị trí tổng cộng theo ba trục: