L ỜI CẢM ƠN
1. TỔNG QUAN
1.5.3.2 Các khả năng điều khiển tay máy công nghiệp điển hình khi bị
Tay máy công nghiệp được thiết kế và chế tạo có thể không có dự phòng động học, hoặc có dự phòng động học (hay còn gọi là dư động học). Nhiều tài liệu đã trình bày về vấn đềdư động học ở tay máy robot [41]–[43]. Theo tài liệu [42], một tay máy có dự phòng động học sẽ có nhiều khớp hơn sốlượng khớp tối thiểu được yêu cầu nghiêm ngặt để thực hiện một nhiệm vụ nào đó. Trong bài báo [43], tay máy robot có dự phòng động học được định nghĩa là một tay máy có nhiều bậc tự do hơn mức cần thiết để đạt vị trí và hướng mong muốn của khâu chấp hành cuối trong không gian làm việc. Bài toán động học ngược khi đó sẽ có vô số nghiệm. Điều này giúp cho robot có mức độ khéo léo cao hơn, tăng khảnăng tránh các điểm kỳ dị, các giới hạn khớp, các vật cản trong không gian làm việc,... Một tay máy robot chỉ cần 6 bậc tự do phù hợp sẽđảm bảo thực hiện được một nhiệm vụ bất kỳ tùy ý trong trường công tác. Nên những tay máy robot có 7 khớp trởlên được coi là ví dụđiển hình của dạng tay máy có dựphòng động học. Tuy nhiên, ngay cả các tay máy robot có ít bậc tựdo hơn vẫn có thể trở nên dư động học khi xét cho một nhiệm vụ cụ thể, chẳng hạn như bài toán gắp-nhả hay bám quỹ đạo mà hướng yêu cầu chỉ liên quan đến vector (hướng tiếp cận điểm làm việc).
Như vậy, những tay máy robot có dự phòng động học có thể cho phép thay đổi cấu hình của tay máy mà không làm thay đổi vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối. 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 không gian làm việc hạn chế, nhưng rất có thể chỉ đảm bảo được yêu cầu về vị trí mà không thểđảm bảo yêu cầu vềhướng của khâu chấp hành cuối. Giả thiết là vùng không gian làm việc đầy đủ của tay máy robot, và là vùng không gian làm việc bị 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 gian còn lại là ( - ).
- Xét bài toán điều khiển bám quỹđạo
Giả 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 góc bám theo *, còn trong miền ( - ) thì bám 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 cuối không thể bám được theo quỹđạo AB.
25 Trong Hình 1.20b, quỹđạo không nằm trong mà chỉ nằm trong miền ( - ). Tương tự nhận xét ở trên, góc không thể đạt tới **, nên cũng không thể điều khiển được khâu chấp hành cuối bám theo quỹđạo AB.
Trong Hình 1.20c, quỹđạo AB nằm trọn trong , có nghĩa là khớp bị bó cứng tại đúng góc khớp mong muốn *. Nên bộ điều khiển đã được thiết kế cho trạng thái làm việc bình thường vẫn đáp ứng tốt yêu cầu và không cần thiết kế lại.
(a) (b) (c)
Hình 1.20 Quỹđạo chuyển động AB của robot mô tả trong các vùng không gian làm việc
khi khớp i bị bó cứng; (a) Quỹđạo đ q aDi và (D-Di), (b) Quỹđạo chỉ thuộc
D-Di, (c) Quỹđạo chỉ thuộc Di
- Xét bài toán điều khiển pick-and-place
Bình thường, tay máy sẽ di chuyển theo một quỹđạo nào đó giữa hai điểm làm việc 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 quỹđạo đó được nữa. Nói cách khác, chỉ cần một trong hai điểm làm việc không nằm trong thì không thể điều khiển được. Nếu quỹđạo 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 động lại 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 .
Hình 1.21 Quỹđạo chuyển động của robot giữa ha đ ểm A và B đ q a miền Di và (D-Di)
(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 thểđiều khiển một cách trực tiếp. Sử dụng hệ thống phanh nếu có và chuyển bài toán về dạng bó cứng khớp. Hệ thống vẫn có khảnăng hoạt động bình thường nếu lỗi xảy ra ở khớp 6 và yêu cầu vềhướng 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 toán động học và không gian làm việc. Do đó, cần xây dựng các phương pháp điều khiển nhằm bù thích nghi cho sự suy giảm mô men của cơ chế chấp hành.
A B i D (D D i) i i * ** A B i ** i D (D D i) A i* B i D (D D i) A B i ** i * i D (D D i)
26
2) Khả năn điều 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 hội và khảnăng 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 giới hạn khớp ngay từ khi hệ thống chưa bị lỗi. Mục tiêu là làm tăng khả năng quỹ đạo mong muốn sẽ nằm trong vùng không gian khi sự cố xảy ra và tạo điều kiện thuận lợi cho bài toán điều khiển. Bước tiếp theo là cập nhật cấu hình mới của robot và thiết 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 điều khiển các khớp còn lại và hệ thống phanh nhằm đưa khớp bị lỗi tới vị trí mong muốn nhất định. Sau đó cập nhật cấu hình mới của robot, thiết kế và cập nhật luật điều 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 điều khiển phù hợp để bù thích nghi cho sự suy giảm mô men của cơ chế chấp hành.
Bảng 1.5 Tổng hợp khảnăn đ ều khiển tay máy công nghiệp đ ển hình khi bị tổn thất một
cơ chế chấp hành
Dạng tổn thất ơ
chế chấp hành
Khảnăn điều khiển Bám quỹđạo Pick-and-place
Tay máy công nghiệp không có dự phòng động học
Bó cứng khớp
Có khảnăngnhưng tùy vào vị trí khớp bị bó cứng, và không cần thiết kế bộđiều khiển khác
Có khảnăng nếu thỏa mãn điều kiện ở Bảng 1.3
Chuyển động tự do
Có khảnăng nếu kết hợp với phanh bó cứng, và không cần thiết kế bộđiều khiển khác
Có khảnăng nếu thỏa mãn điều kiện ở Bảng 1.4
Suy giảm mô men Bù thích nghi cho sự suy giảm mô men
Bù thích nghi cho sự suy giảm mô men
Tay máy công nghiệp có dự phòng động học
Bó cứng khớp
Xây dựng cấu hình tay máy và đặt ra các giới hạn khớp trước khi lỗi. Khi bị lỗi thì cập nhật cấu hình và thiết kế thuật toán điều khiển tương ứng
Chuyển động tự do
Điều khiển các khớp còn lại đểđưa khớp bị sự cốđạt tới vị trí tối ưu và kết hợp phanh bó cứng. Sau đó cập nhật cấu hình và thiết kế thuật toán điều khiển tương ứng
Suy giảm mô men Bù thích nghi cho sự suy giảm mô men
Bù thích nghi cho sự suy giảm mô men
Các kết quảđược 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 máy không có dựphòng động học thì cơ hội điều khiển nhằm duy trì tác vụ cho trước sẽ khó khăn và hạn chếhơn. Ngược lại, kiểu tay máy có dựphòng động học sẽ có khả năng điều khiển cao hơn. Nguyên nhân là do bài toán động học ngược của tay máy không có dự phòng động học thường là một hoặc hai nghiệm vật lý, trong khi tay
27 máy có dự phòng động học lại có vô số cấu hình tay máy khả dụng. Trong các trường hợp không thể điều khiển tay máy đảm bảo tác vụ đang thực hiện thì giải pháp là dừng hệ thống lại và nếu được thì điều khiển tay máy về vị trí an toàn.