CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.5 Hướng nghiên cứu của luận án
Qua phân tích đánh giá về các nghiên cứu trong nước và ngoài nước về lĩnh vực robot song song đã cho thấy nhiều nội dung nghiên cứu đã được các tác giả tập trung giải quyết nhưng bên cạnh đó vẫn cịn có những vấn đề chưa được quan tâm đầy đủ trong đó phải kể tới các vấn đề như:
Vấn đề kỳ dị khi chuyển động, với robot song song các điểm kỳ dị là một vấn đề lớn có ảnh hưởng tới chất lượng hoạt động của robot. Khi đi tới các điểm kỳ dị này, bộ điều khiển sẽ không thể đưa ra thông tin điều khiển chuyển động do các định thức của ma trận Jacobi bằng không. Về mặt vật lý, tại các điểm này lực/momen phát động tăng cục bộ gây ảnh hưởng nhiều đến kết cấu hoạt động của robot song song. Từ những đánh giá nội dung nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước, luận án này sẽ nghiên cứu các thuật toán giúp nhận diện, khoanh vùng điểm kỳ dị từ đó đưa ra thuật tốn tương ứng để bộ điều khiển có thể sử dụng khi đi vào các vùng này. Các nghiên cứu vượt kỳ dị sẽ bao gồm cả vượt kỳ dị động học lẫn động lực học được trình bày trong chương 02 và chương 03 của luận án.
Hầu hết các tác giả khi nghiên cứu thường dựa trên cơ sở mơ hình động lực học của robot được mô tả chuyển động của khâu, khớp mà chưa quan tâm tới các hệ dẫn động, đây cũng là những bộ phận có tham gia vào q trình chuyển động. Do đó, các yếu tố động lực học của chúng cũng có những ảnh hưởng nhất định tới chuyển động chung của robot. Các nội dung này sẽ được tác giả tập trung nghiên cứu trong chương 03 của luận án.
Khi hoạt động, bộ điều khiển robot song song không chỉ cần những thơng tin về biến khớp chủ động mà cịn cần sử dụng cả các biến khớp bị động để tính tốn, nhằm hạ giá thành sản phẩm hoặc sử dụng cho các trường hợp khó bố trí cảm biến trên robot, giải pháp ước lượng động học sẽ được tác giả tập trung nghiên cứu. Thuật toán ước lượng động học này được trình bày ở chương 02 và được áp dụng trong các mơ phỏng số ở các chương sau đó.
Trước những tiến bộ của công nghệ, ngày càng nhiều thiết bị hiện đại có thể thu thập thơng tin của robot trực tiếp từ không gian thao tác. Trong khi các nghiên cứu phần lớn chỉ tập trung vào điều khiển robot song song từ khơng gian khớp vì vậy các nghiên cứu về điều khiển robot song song trực tiếp từ trong không gian thao tác đem lại nhiều ý nghĩa, không chỉ làm tăng độ chính xác điều khiển vì các thơng tin chuyển động có thể được đem so sánh trực tiếp mà cịn có ý nghĩa trong việc hồn thiện hơn nữa cơ sở lý thuyết cho các tiến bộ trong lĩnh vực điều khiển sau này. Các nội dung nghiên cứu được trình bày ở trong chương 04.
Điều khiển robot song song là quá trình điều khiển hệ phi tuyến với các ràng buộc phức tạp do cấu trúc mạch vòng của loại robot này tạo nên. Điều khiển trượt và điều khiển mờ là những đạng điều khiển rất phù hợp trong các trường hợp này. Tuy nhiên, chúng vẫn cịn có những nhược điểm riêng của chúng. Giải pháp kết hợp hai dạng điều khiển này để xây dựng lên bộ điều khiển Trượt mờ được trình bày trong chương 05. Các mơ phỏng số tương ứng với từng trường hợp giúp cho tác giả có thể đánh giá tính hiệu quả của các nội dung đề xuất.
Tổng hợp những điểm cần tập trung giải quyết
1. Xây dựng mơ hình động lực cho robot song song có kể đến ảnh hưởng của động cơ dẫn động.
2. Vấn đề kỳ dị trong giải quyết bài toán động học, động lực học robot song song.
3. Điều khiển trực tiếp robot song song trong không gian thao tác.
4. Ước lượng động học xác định tham số thay thế cho thông tin thu được từ thiết bị đo thực trên một số vị trí của robot song song.
5. Xử lý các yếu tố bất định của môi trường ảnh hưởng đến hoạt động của robot song song bằng bộ điều khiển trượt mờ.
Chọn loại động cơ dẫn động
Nhằm khắc phục nhược điểm trên và cũng góp phần nâng cao độ chính xác điều khiển, trong luận án sẽ xây dựng mơ hình động lực mơ tả đầy đủ hơn bao gồm: Hệ cơ học, bộ truyền động; động cơ điện một chiều.
Hình 1.23: Động cơ điện một chiều với hộp giảm tốc
Động cơ điện một chiều (Hình 1.23) được chọn sử dụng làm cơ cấu dẫn động là bởi vì các ưu điểm nổi bật của chúng trong lĩnh vực điều khiển như sau:
- Dễ dàng điền khiển.
- Đường đặc tính trơn, nên q trình điều khiển hoạt động trơn hơn các dạng động cơ khác.
- Khả năng phát động mô men lớn.
- Khả năng chịu quá tải tốt hơn các dạng động cơ khác.
Động cơ điện một chiều cùng với hộp giảm tốc sẽ được nghiên cứu đầy đủ về ảnh hưởng cả về động học lẫn động lực học tới robot song song ở các phần tiếp sau.
Ra,i La,i Ui i m,i 2 0 Jm,i 1 1 3 l1 5 3 l2 L0 6 L0 2 OP l2 4 7 l1 1 2 l2 L0 3 2 1 l1 1
Hình 1.25: Sơ đồ góc nghiêng của bàn máy động
Nhằm làm đối tượng thực nghiệm số chung cho các vấn đề giải quyết ở phần sau, robot song song phẳng 3RRR (mỗi chân của robot được hình thành từ 3 khớp quay) được lựa chọn sử dụng làm mơ hình nghiên cứu chính (Hình 1.24). Robot được hình thành từ ba chân, mỗi chân có 2 khâu và được đẫn động bởi một động cơ điện một chiều. Robot có các đặc điểm chính sau:
- Ba chân của robot được gắn lên các bệ cố định phân bổ theo một hình tam giác đều có chiều dài cạnh L0 .
- Hệ tọa độ cố định O0 x0 y0 O1 x1 y1
- Hệ tọa độ gắn lên bàn máy động OP xP yP có điểm đặt tại trọng tâm, và góc nghiêng so với phương ngang là .
- Ba chân của robot có kích thước giống nhau với các thông số ký hiệu lần lượt là l1 vàl2 , khối lượng các khâu là m1 và m2 , mơ men qn tính IC1 và IC 2 . - Các khâu thuộc mỗi chân của robot có dạng thanh đồng chất, trọng tâm đặt tại
trung điểm của khâu tương ứng.
- Bàn máy động có dạng tam giác đều với kích thước cạnh ký hiệu là b , khối lượng m 3 và mơ men qn tính JC 3 .
- Mỗi khớp chủ động của robot được dẫn động bởi một động cơ điện một chiều thông qua hộp giảm tốc thể hiện trong Hình 1.24. Các tham số của động cơ được thể hiện trong Bảng 1.2.
- Tọa độ suy rộng dư sử dụng cho robot này:q [ q1 ,...., q9 ]T [ , , x]T . Trong đó q [ 1 , 2 , 3 ]T , b [ 1 , 2 , 3 ]T , x [ xP , yP , ]T .
Bảng 1.2: Bảng thông số của robot song song 3RRR
Thông số Ký hiệu Đơn vị i 1 i 2 i 3
Giá cố định xOi m 0 1.2000 0.6000 L0 1.2 [ m] y Oi 0 0.0000 1.0392 l i ,1l1 m 0.582 0.582 0.582 l i,2l2 0.623 0.623 0.623 Các chân m i,1 kg 2.072 2.072 2.072 m i,2 0.750 0.750 0.750 I C1 2 0.10272 0.10272 0.10272 I C 2 kgm 0.03046 0.03046 0.03046 i [rad] 7 1 1 6 6 2 Bàn động b m 0.185 m3 kg 0.978 IC ,3 kgm2 0.00672 Tỉ số truyền rg 10.0 J m 2 0.01 kgm Động cơ DC K m Nm / A 3.00 Ke Vs / rad 0.10 Ra Ohm 3.00
Giá trị các tham số của robot song song phẳng 3RRR sử dụng trong nghiên cứu được thể hiện trong (Bảng 1.2)
Các tham số và phương trình liên kết của robot được sử dụng để thực hiện mơ phỏng, tính tốn đánh giá lý thuyết trong các chương tiếp theo.