20
1.6.2. Bài toỏn điều khiển
Yờu cầu điều khiển robot 2 bậc tự do gắp chắc vật trong mặt phẳng nằm ngang. Để gắp chắc được vật thể thỡ phải tỏc dụng lờn vật thể 2 lực cú độ lớn bằng nhau nhưng phải đối xứng với nhau qua vật thể nờn phải điều khiển lực và vị trớ của điểm tỏc động cuối. Từ đú ta xỏc định hai bài toỏn điều khiển chớnh của luận văn là:
- Điều khiển vị trớ hai khõu tỏc động cuối. - Điều khiển lực theo độ lớn để gắp vật thể.
a. Điều khiển vị trớ
Điều khiển vị trớ khõu tỏc động cuối của tay mỏy với vị trớ đặt đồng thời. - Vị trớ tay mỏy E1 được điều khiển từ E10 tới E1d
Trong đú E10 là tọa độ điểm ban đầu của điểm tỏc động cuối E1. E1d là tọa độ điểm cần điều khiển đờn hay là tọa độ đặt của điểm tỏc động cuối E1
b. Điều khiển lực
Điều khiển lực tỏc dụng lờn vật thể của điểm tỏc động cuối E1 để cú thể điều khiển được vật thể.
- Lực tay mỏy f1 được điều khiển từ 0 đến fd1 = 7 N
Trong đú fd1 là lực cần điều khiển hay là lực đặt của điểm tỏc động cuối E1.
1.6.3. Phƣơng phỏp điều khiển
-Để điều khiển vị trớ của điểm tỏc động cuối E1 ta cần sử dụng 2 biến điều khiển là xE1 , yE1 vỡ robot hoạt động trong mặt phẳng nằm ngang nờn điều khiển mỗi điểm tỏc động cuối ta cần 2 biến điều khiển . Do yờu cầu điều khiển tọa độ điểm tỏc động cuối E1 của robot tay mỏy tới tọa độ đặt E1d một cỏch đồng thời nờn 2 biến điều khiển này hoàn toàn độc lập với nhau . Do đú việc điều khiển vị trớ của điểm tỏc động cuối tương ứng với việc điều khiển 2 biến toạ độ của E1.
-Để điều khiển lực ta cần sử dụng biến điều khiển là f1 do yờu cầu điều khiển chắc chắn vật thể nờn ta phải điều khiển điểm tỏc động cuối đặt lực để điều khiển lực ta điều khiển biến điều khiển lực là f1.
Do vậy để điểu khiển vị trớ và lực của điểm tỏc động cuối thỡ ta cần điều khiển 3 biến xE1 , yE1 , f1
21
Để điều khiển cả lực và vị trớ cú một phương phỏp điều khiển phự hợp đú là phương phỏp điều khiển hỗn hợp điều khiển đồng thời cả lực và vị trớ thế nhưng đối với robot chỳng ta là robot cú 5 năm bậc tự do hoạt động trong mặt phẳng nằm ngang Oxy thỡ robot sẽ là robot cú bậc tự do dư nờn robot cú nhiều biến điều khiển (tối đa 5 biến ) cú khả năng di chuyển rất linh hoạt trong mặt phẳng. Tuy nhiờn đối với yờu cầu điều khiển cả vị trớ và lực thỡ tuy robot cú số bậc tự do dư nhưng chỳng ta khụng thể điều khiển đồng thời cả vị trớ và lực cựng 1 lỳc do điều khiển vị trớ gồm 2 biến điều khiển xE1,yE1 cựng với biến điều khiển lực là F1. Như vậy tổng cộng là 3 biến điều khiển trong khi robot chỉ cú 5 bậc tự do (tối đa điều khiển được 5 biến).
Do vậy ta phải sử dụng một phương phỏp điều khiển khỏc gồm 2 quỏ trỡnh:
- Quỏ trỡnh 1 là quỏ trỡnh điều khiển vị trớ trong đú ta điều khiển toạ độ khõu tỏc động cuối gồm 2 biến tới tọa độ điểm đặt và khụng quan tõm đến vấn đề điều khiển lực . Như vậy trong quỏ trỡnh này chỳng ta chỉ điều khiển 2 biến . Để điều khiển vị trớ ta lựa chọn sử dụng phương phỏp điều khiển trong khụng gian làm việc theo ma trận Jacobien chuyển vị vỡ phương phỏp này cú nhiều ưu điểm hơn so với cỏc phương phỏp khỏc trong đồ ỏn này. Vấn đề điều khiển vị trớ sẽ được làm rừ trong chương 2 và chương 3 của luận văn.
- Quỏ trỡnh 2 là quỏ trỡnh lực. Khi đó hoàn thành quỏ trỡnh 1 tức là điểm tỏc động cuối E1 đó tới vị trớ điểm đặt E1d thỡ chỳng ta bắt đầu điều khiển lực gồm biến f1 để chỳng cú cựng độ lớn f1 = 7N.
Kết luận chƣơng 1:
Qua tỡm hiểu tổng quan về robot ta thấy:
Ngày nay robot đang được ứng dụng rất nhiều trong cỏc ngành cụng nghiệp, cỏc nhà mỏy … gúp phần tăng hiệu quả sản xuất , đẩy mạnh phỏt triển nền kinh tế . Robot đó và đang được thỳc đấy nghiờn cứu để cú thể ỏp dụng rộng rói để phục vụ đời sống con người.
Qua tỡm hiểu về khỏi niệm, phõn loại và cấu tạo của robot, nội dung chương 1 cũng đó xỏc định dạng của cỏnh tay robot sẽ được sử dụng để mụ phỏng điều khiển trong luận văn. Vấn đề điều khiển và mụ phỏng sẽ được làm rừ trong chương 3.
22
CHƢƠNG II
NGHIấN CỨU, ĐÁNH GIÁ CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ROBOT
Robot nhiều thanh nối là một hệ phi tuyến MIMO, cú cỏc tương tỏc chộo thể hiện rừ nột. Ma trận quỏn tớnh và vộc tơ trọng trường đều phụ thuộc vào biến khớp q, cũn vộc tơ tương hỗ và ly tõm phụ thuộc cả vào biến khớp q và tốc độ ̇. Thành phần quỏn tớnh và trọng trường làm ảnh hưởng đến tớnh ổn định và độ chớnh xỏc vị trớ của Robot. Thành phần tương hỗ và ly tõm làm ảnh hưởng đến robot khi di chuyển với tốc độ cao. Việc xỏc định chớnh xỏc cỏc thụng số của mụ hỡnh robot cụng nghiệp lại gặp nhiều khú khăn, do sự phức tạp trong việc xỏc định giỏ trị về khối lượng, mụ men cũng như kớch thước hỡnh học của robot, ngoài ra cỏc tham số cũn cú thể bị thay đổi phụ thuộc vào chế độ cụng tỏc của robot do đú cỏc tham số động học, động lực học của robot được coi là cỏc tham số bất định. Cỏc lực ma sỏt phụ thuộc cấu trỳc ổ khớp, hệ số ma sỏt biến đổi khụng tỉ lệ, cỏc phản lực cũng như lực liờn kết do biến dạng cỏnh tay sinh ra dẫn đến làm thay đổi hệ số đàn hồi nờn sẽ tạo ra những di chuyển nhỏ làm lệch quỹ đạo robot. Cỏc hệ thống truyền lực như đai truyền đàn hồi, bỏnh răng cú vựng chết, khi đảo chiều gõy nờn tớnh phi tuyến của vựng đặc tớnh này. Hệ thống cảm biến vị trớ và tốc độ của cỏc khớp trong quỏ trỡnh đo bị nhiễu tỏc động nờn gõy ra sai số đo... Để bự đặc tớnh phi tuyến, tớnh bất định và khỏng nhiễu cho robot như nờu ở trờn, cỏc nghiờn cứu đề xuất giải thuật điều khiển cần được tiếp tục phỏt triển để mang lại hiệu quả cao trong điều khiển robot cụng nghiệp.
2.1. Mụ hỡnh toỏn học và định hƣớng trong thiết kế điều khiển cho robot 2.1.1. Mụ hỡnh toỏn học của robot
2.1.1.1. Động học vị trớ
Nghiờn cứu động học vị trớ của robot là nghiờn cứu về chuyển động của robot đối với hệ toạ độ tham chiếu cố định như một hàm theo thời gian mà khụng quan tõm đến cỏc lực hoặc mụ men gõy ra cỏc chuyển động đú. Nú xỏc định mối quan hệ hỡnh học giữa chuyển động trong khụng gian khớp với chuyển động của khõu chấp
23
hành cuối robot trong khụng gian đề cỏc. Mụ tả cấu trỳc robot n thanh nối trong khụng gian khớp và khụng gian đề cỏc được thể hiện như trong Hỡnh 2.1.
a) b)
Hỡnh 2.1. Hệ tọa độ trong khụng gian khớp (a), khụng gian Đềcỏc (b)
Bài toỏn động học thuận:
Cho trước giỏ trị của cỏc biến khớp (gúc quay hoặc độ dài tịnh tiến), cỏc thụng số hỡnh học và cỏc thụng số liờn kết giữa cỏc khõu. Yờu cầu xỏc định vị trớ và hướng của khõu chấp hành cuối đối với hệ toạ độ tham chiếu (trong khụng gian làm việc). Khi thường được dựng phương phỏp hỡnh học hoặc khi cỏc trục chuyển động khụng song song khú ỏp dụng hỡnh học cần phải dựng phương phỏp DH (Denavit-Hartenberg).
Bài toỏn động học ngƣợc:
Cho trước cỏc thụng số hỡnh học và cỏc thụng số liờn kết của cỏc khõu cho trước vị trớ và hướng của khõu chấp hành cuối đối với hệ toạ độ tham chiếu mà ta muốn robot phải đạt đến. Yờu cầu xỏc định giỏ trị của cỏc biến khớp để robot đạt được hướng và vị trớ cho trước.
24
2.1.1.2. Động học thuận vận tốc
Từ bài toỏn động học thuận vị trớ với q – [q1, q2, q3,…., qn]T là cỏc biến khớp; vị trớ và hướng của bàn tay mỏy. Ta cú quan hệ giữa vị trớ của tay mỏy và cỏc khớp được thiết lập theo chương trỡnh: X – h(q)
Từ đú ta cú:
̇ ̇ với ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ; ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ ̇ (2.1) Vậy:
̇ ̇
(2.2)
Biểu thức (2.2) thể hiện quan hệ giữa vận tốc bàn tay mỏy và vận tốc gúc của cỏc khớp qua ma trận Jacoby. Trong đú, J là ma trận Jacoby.
2.1.1.3. Động lực học