. ( cos ) 2 2 cos cos( ) 2 cos
Chơng 5 Điều khiển lực
Điều khiển lực
5.1. Tổng quan về vấn đề điều khiển lực .
Trong quá trình làm việc của mình thông thờng thì các robot phải thực hiện hai nhiệm vụ chính:
- Thứ nhất là yêu cầu về dịch chuyển robot trong quá trình làm việc , dịch chuyển từ vị trí này tới vị trí khác, từ tọa độ này tới tọa độ khác . Đối với yêu cầu dịch chuyển của robot thì việc điều khiển robot là khá dễ dàng vì chỉ cần thiết lập quỹ đạo và điều khiển cho Robot di chuyển đến đúng tọa độ yêu cầu theo quỹ đạo đã vạch sẵn.
- Thứ hai là vấn đề về điều khiển lực bởi vì trong quá trình làm việc tuỳ theo nhiệm vụ của từng robot hoạt động trong một một trờng nhất định , làm việc với các loại thiết bị khác nhau thì các robot công nghiệp là phải thích ứng với môi trờng làm việc, thích ứng với ngoại cảnh và quan tâm tới tơng tác lực giữa robot với môi trờng bên ngoài . Ví dụ nh một robot làm việc với các vật thể có độ cứng cao có yêu cầu về lực khác với một robot làm việc với hoá chất ,khác với một robot làm việc với các thiết bị dễ vỡ , các thiết bị mềm , dễ gãy có yêu cầu về lực khác so với khi làm việc với các chất rắn . Đây chính là nhiệm vụ thứ hai của điều khiển robot : điều khiển đợc tác động của robot vào đối tợng làm việc nói cách khác là điều khiển lực tơng tác của robot vào đối tợng làm việc , đó chính là vấn đề điều khiển lực cho robot.
Điều khiển lực cho robot đóng một vai trò hết sức qua trọng trong việc điều khiển robot , để robot có thể đáp ứng đợc lực tơng tác với từng đối tợng làm việc khác nhau . Ví dụ : với một robot gắp vật thì lực đáp ứng để robot gắp một vật cứng phải có độ lớn vừa đủ trong một khoảng nào đó để robot có thể cầm chắc vật mà không làm thay đổi hình dạng vật thể khi robot tác dụng lên vật một lực quá lớn thì có thể gây nên biến dạng vật thể còn khi tác dụng một lực ko đủ , không thắng đợc lực ma sát , trọng trờng .. thì sẽ không gắp chắc đợc vật , với một robot làm nhiệtm vụ hàn , yêu cầu đặt ra là robot phải duy trì đợc lực hàn vừa đủ trong quá trình di chuyển không ép mạnh vào vật cần hàn cũng nh không tác rời khỏi vật … đối với từng loại robot khác nhau , với từng nhiệm vụ khác nhau thì lực cần điều khiển cho từng loại robot trong từng trờng hợp cũng có những yêu cầu khác nhau . Từ đó ta nhận thấy trong quá trình điều khiển robot, ta cần phải điều khiển tác động của các robot gây ra cho môi trờng và đối tợng làm việc ( hay nói cách khác là điều khiển lực tác động của robot lên đối tợng ) song song với việc điều khiển mômen tạo ra chuyển động từ vị trí ban đầu đến vị trí đặt .
5.2. Các phơng pháp điều khiển lực .
Đối với vấn đề điều khiển lực , hiện nay có hai phơng pháp điều khiển lực cho robot đó là :
Lời nói đầu
Với phơng pháp điều khiển trở kháng thì điều khiển lực dựa trên việc điều khiển vị trí và lực bằng điều chỉnh trở kháng(độ nhún) của cơ cấu cơ khí tay robot phù hợp với ngoại lực tác dụng lên tay robot khi tiếp xúc với môi trờng.Trở kháng cơ khí là một khái niệm biểu thị độ cứng của cơ cấu chống lại lực tác dụng lên nó .
Điều khiển trở kháng có hai phơng pháp:
- Phơng pháp điều khiển trở kháng thụ động thì trở kháng cơ khí của bộ phận kẹp chi tiết của tay robot đợc điều chỉnh bằng các phần tử cơ khí nh lò xo, bộ giảm chấn phơng pháp điều khiển trở kháng tích cực.
- Phơng pháp điều khiển trở kháng tích cực thực hiện điều khiển trở kháng cơ khí theo hệ thống kín của cơ cấu chấp hành khới với các tín hiệu phản hồi vị trí, tốc độ và lực…
Điều khiển hỗn hợp gồm hai kênh điều khiển độc lập vị trí và lực. Các tín hiệu đầu ra của bộ điều chỉnh sẽ điều khiển cơ cấu chấp hành khớp bám theo quỹ đạo vị trí và sinh ra lực đặt trớc. Hớng vị trí và lực đợc điều khiển tùy thuộc vào nhiệm vụ robot thực hiện trong dây chuyền sản xuất.
5.2.1. Điều khiển trở kháng:
a. Phơng pháp điều khiển trở kháng thụ động:
Thực chất của phơng pháp này là việc chế tạo cơ cấu đặc biệt, có khả năng sinh lực cần thiét phù hợp với môi trờng làm việc của robot. Phơng pháp điều khiển trở kháng thụ động không yêu cầu mạch vòng điều khiển lực, do đó hệ thống điều khiển sẽ đơn giản. Tuy nhiên, cơ cấu robot sẽ không linh hoạt, vì với mỗi một nhiệm vụ khác nhau sẽ phải thiết kế một phần cứng khác nhau.
b. Phơng pháp điều khiển trở kháng tích cực:
Để giải quyết những hạn chế , nhợc điểm của phơng pháp trở kháng thụ động thì ngời ta đa ra phơng pháp điều khiển trở kháng tích cực dựa trên việc thiết kế luật điều khiển phản hồi thích hợp cho hệ thống bằng cách phản hồi các đại lợng đo đợc : vị trí , tốc độ của tay robot , ngoại lực tác dụng … đó chính là nguyên lý cơ bản của phơng pháp điều khiển trở kháng tích cực . Hệ thống điều khiển trở kháng tích cực đợc áp dụng cho nhiều loại robot thực hiện các nhiệm vụ khác nhau bằng thay đổi phần mềm của luật điều khiển phản hồi.
Ta sẽ xét mô hình của robot n bậc tự do với các đại lợng phản hồi là độ dịch chuyển s và lực tác dụng lên tay robot . Hệ thống điều khiển sẽ phát các tính hiệu điều khiển các hệ truyền động khớp . Giả sử cơ cấu cơ khí lý tởng (robot luôn chuyền động theo quỹ đạo đặt trớc mà không chịu bất kì ngoại lực tác dụng nào ) của tay robot 6 bậc tự do đợc mô tả bởi phơng trình:
.. . 6 T e e d d d H s D s+ +K s = F (5.1) Trong đó: e d
s = −s s - véctơ sai lệch di chuyển. Véctơ sebiểu thị vị trí và định hớng của tay robot ;
6
T
, ,
d d d
H D K - ma trận (6x6) tơng ứng là ma trận quán tính, ma trận hệ số giảm chấn và ma trận độ cứng. Các ma trận này là các ma trận không âm đối xứng. Để đơn giản, có thể lựa chọn các ma trận này là các ma trận đờng chéo.
Nh ta đã biết, động lực học của robot đợc mô tả bởi phơng trình:
.. .
( ) ( , ) ( )
M =H q q V q q+ +G q (5.2)
Quan hệ giữa véctơ dịch chuyển ở tọa độ tay robot s và véc tơ biến khớp q biểu diễn bởi phơng trình động học thuận:
( )s = f qs( ) (5.3)
Vi phân phơng trình này, ta nhận đợc:
. .
( )
s
s J q q= (5.4)
Trong đó, J là ma trận Jacobien.
Véc tơ mômen của các khớp tơng đơng với ngoại lực T6
F đợc xác định bởi biểu thức: 6 ( )T T f s M =J q F (5.5)
Nh vậy, phơng trình động lực học của robot với tính đến ngoại lực T6
F tác dụng lên tay robot sẽ có dạng nh sau: .. . ( ) ( , ) ( ) f M M+ =H q q V q q+ +G q (5.6) Từ đó, ta có: .. . 6 ( )T ( ) ( , ) ( ) T s M J q+ F =H q q V q q+ +G q (5.7) Giả sử T s
J không đơn nhất với mọi q, nhân cả hai vế với T s J− ta có: .. . 6 ( ) ( , ) ( ) T T T T T s s s s J M− + F =J H q q J V q q− + − +J G q− (5.8) Vi phân phơng trình (5.4) ta đợc: .. . . .. ( ) ( ) s s s J q q J q q= + (5.9)
Rút q.. từ phơng trình này và thay vào phơng trình (5.8), sau một số phép biến đổi, nhận đ- ợc phơng trình sau: .. . 6 ( ) ( , ) T T s s s J M− + F =H q s N q q+ (5.10) Trong đó: 1 ( ) T( ) ( ) ( ) s s s H q =J− q H q J− q (5.11) . . . ( ) T[ ( , ) ( )] ( ) ( ) s s s N q =J− V q q +G q −H q J q q (5.12)
Từ đây, bằng việc chọn luật điều khiển phản hồi vào-ra có dạng:
. 6 6
[ ( ) ( , ) T )]
T
Lời nói đầu Chọn: .. . 6 1[ ( e e) T ] d d d U = =s H− − D s +K s + F (5.14)
Nh vậy, luật điều khiển phản hồi có dạng:
. . 6 1 1 { ( , ) ( ) ( )( ) [ ( ) ( ) ]T } T e e dk s s s d d d s d M =J N q q −H q H− q D s +K s + H q H− q −I F (5.15)
Từ phơng trình trên, ta có thể nhận thấy, luật điều khiển lực theo phơng pháp điều khiển trở kháng tích cực gồm các thành phần phản hồi theo sai lệch vị trí, sai lệch tốc độ và ngoại lực. Luật điều khiển này còn đợc gọi là luật điều khiển độ cứng vì ma trận Kd tơng ứng với ma trận hệ số độ cứng của cơ cấu. Phơng pháp điều khiển trờ kháng tích cực còn đợc gọi là điều khiển độ nhún.
5.2.2. Điều khiển lai (điều khiển hỗn hợp)
a. Ràng buộc tự nhiên và ràng buộc nhân tạo :
Điều khiển tơng tác là điều khiển chuyển động robot theo các lợng đặt vị trí và lực cho trớc trong điều kiện robot tiếp xúc với môi trờng hay là thực hiện điều khiển chuyển động trong điều kiện ràng buộc với môi trờng làm việc.
Phơng pháp điều khiển hỗn hợp kết hợp điều khiển vị trí và điều khiển lực , tuy nhiên điều khiển vị trí và lực đợc thực hiện độc lập theo 2 hớng khác nhau .Khi robot tiếp xúc với môi trờng lực sẽ đợc điều khiển theo một hớng , vị trí sẽ đợc điều khiển theo một hớng khác . Ngời ta phân ra hai loại ràng buộc dựa trên đặc điểm làm việc của tay robot khi tiếp xúc với môi trờng .
+Ràng buộc tự nhiên :đợc xác định bởi các nhiệm vụ làm việc của robot trong môi tr- ờng.
+Ràng buộc nhân tạo : liên quan đến các biến điều khiển quy định bởi chiến lợc điều khiển robot .