2.5 Kết luận chương 2
Việc thiết lập phương trình động học phù hợp, xây dựng được chương trình giải phương trình động học được kiểm chứng qua ví dụ cụ thể là cơ sở cho việc xây dựng mơ hình sai số, khảo sát ảnh hưởng của sai số.
Chương trình tự động thiết lập và giải phương trình động học được lập trình trên ngơn ngữ thơng 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 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 cơng nghệ để giải bài tốn ngược điều khiển robot một cách chính xác. Hình ảnh mơ phỏng hoạt động khẳng định các kết quả tính tốn hồn tồn chính xác và tin cậy.
Kết quả tính tốn được mơ phỏng động cho thấy tính đúng đắn lời giải của bài toán động học, tạo cơ sở cho việc xây dựng mơ hình sai số, khảo sát và xác định sai số được thực hiện ở các chương tiếp theo được đúng đắn và tin cậy.
3. SAI SỐ VÀ PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH HĨA SAI SỐ
Ở trong Chương 2 đã thiết lập được phương trình động học robot cơng nghiệp biểu diễn mối quan hệ giữa các đại lượng đặc trưng cho chuyển động của khâu thao tác và các tham số hình học, động học của khâu, khớp trung gian. Tuy nhiên, mới chỉ xem xét các tham số hình học, động học này là các kích thước danh nghĩa, thực tế trong kỹ thuật khi chế tạo các khâu, khớp không thể đảm bảo tuyệt đối chính xác nên các tham số hình học, động học của các khâu, khớp trung gian này có sai số (sai khác về giá trị). Các sai số này sẽ dẫn đến kết quả tính tốn của bài tốn động học khơng chính xác. Với bài tốn động học thuận vị trí và hướng của khâu thao tác được xác định sẽ sai lệch so với thực tế. Với bài tốn ngược, ứng với vị trí cần đạt được của khâu thao tác, giá trị các biến khớp được tính tốn có thể sẽ sai lệch so với thực tế dẫn đến việc điều khiển robot khơng chính xác. Do vậy, cần xây dựng mơ hình sai số biểu diễn mối quan hệ giữa sai số của các tham số hình học, động học của các khâu, khớp trung gian và sai lệch của các đại lượng đặc trưng cho chuyển động, trước hết và quan trọng là các đại lượng về vị trí và hướng của khâu thao tác, nội dung của luận án tập trung vào sai lệch vị trí và hướng, cịn ảnh hưởng của sai số đến sai lệch của các đại lượng khác như vận tốc, gia tốc, động lực học cần được đề cập, phát triển nghiên cứu thêm. Các nhà nghiên cứu đã làm việc trong nhiều năm để nhận dạng các nguồn gây ra sai số trong robot cũng như các máy móc cơng cụ khác. Một nguồn gây ra sai số là những nguyên nhân vật lý của sự khơng chính xác mà robot thì được cấu tạo từ nhiều phần tử khác nhau: cánh tay cơ khí của robot, động cơ dẫn động, điều khiển, khối chương trình tính tốn, các encoder và các sensor... nên có nhiều nguồn gây ra sai số.
Một bước quan trọng trong việc khảo sát và xác định sai số của robot là tập hợp các thông tin cần thiết về nguồn gây sai số. Trong một vài trường hợp những thông tin cần thiết về nguồn sai số là có sẵn bởi nhà cung cấp các bộ phận của robot mà được tiêu chuẩn hóa như khe hở trong bộ truyền bánh răng, độ xiên của trục quay trong cụm ổ đỡ hoặc độ xiên phương trượt trong ổ trượt... Những trường hơp khác, những sai số sẽ phải được thiết lập trên cơ sở khoa học kỹ thuật.
Nhiều tác giả đã chỉ ra các nguồn gây sai số mà nguyên nhân là các yếu tố về vật lý khác nhau trong robot cũng như là máy công cụ như các sai số liên quan tới dung sai khi chế tạo và lắp ráp, các yếu tố về trọng lượng khâu, độ mềm của khớp, biến dạng đàn hồi của khâu do tải trọng bản thân và tải trọng ngoài, giãn nở nhiệt... Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu được công bố đã chia ra thành hai nguồn gây sai số: sai số hình học, động học và sai số phi hình học [10, 13, 17, 19, 20, 23, 25, 27, 30], trong đó hầu hết các tác giả tập trung vào sai số hình học, động học, nhiều nghiên cứu cũng chỉ ra rằng sai số hình học, động học là ảnh hưởng hơn nhiều, chiếm phần lớn sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác [19], [20], [30][31]. Do vậy, luận án cũng tập trung vào các sai số hình học, động học.
Việc xây dựng được mơ hình sai số là cơ sở, tiền để để thực hiện các bài toán sau: - Bài toán khảo sát ảnh hưởng của sai số trong các khâu, khớp trung gian tới sai lệch vị
trí và hướng của khâu thao tác của robot trên cơ sở phạm vi sai số trong các khâu, khớp trung gian của robot đã được xác định. Bài toán này được dùng để đánh giá hoặc dự đoán sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác ngay từ giai đoạn thiết kế một robot, giúp cho người thiết kế lựa chọn dung sai chế tạo, lựa chọn bộ truyền, hệ
truyền động phù hợp để robot đạt được độ chính xác như mong muốn. Trong Chương 4 của luận án sẽ trình bày một số ví dụ cụ thể và kết quả khảo sát ảnh hưởng của sai số các khâu, khớp trung gian tới sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác.
- Bài tốn tìm giá trị sai số nhằm xác định giá trị tham số hình học, động học thực của các khâu, khớp trung gian khi mà ta đã xác định được giá trị sai lệch vị trí và hướng. Khi ta đã xác định được giá trị chính xác các tham số hình học, động học thì lời giải bài tốn động học, động lực học robot được chính xác và do vậy quá trình điều khiển robot được chính xác, sẽ làm tăng độ chính xác quỹ đạo chuyển động của khâu thao tác. Nội dung bài toán này được trình bày cụ thể ở trong Chương 5 của luận án.
Hai bài tốn trên có ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong cả nghiên cứu, giảng dạy về vẫn đề sai số trong robot cũng như trong công việc thiết kế, chế tạo và sử dụng robot. Qua nghiên cứu tài liệu mà tác giả thu thập được về một số phương pháp biểu diễn sai số mà một số tài liệu cơng bố thì cịn một số hạn chế như phương pháp biểu diễn sai số dựa trên mơ hình cấu trúc động học của robot thì bỏ qua sai số ở thứ hạng bậc cao khi xây dựng mơ hình sai số [10, 13-16, 18, 19, 20, 28], hay là phương pháp biểu diễn sai số dựa trên phương trình động học mới chỉ dừng lại ở mối quan hệ sai lệch về vị trí, chưa đưa ra mối quan hệ sai lệch về hướng [30].
Trong chương này của luận án sẽ trình bày, phân tích về các nguồn gây ra sai số, biểu diễn sai số trong khớp quay và khớp trượt. Nêu phương pháp mà một số tác giả trong [10, 13-16, 18, 19, 20, 28] đã sử dụng và vận dụng phương pháp biểu diễn sai số từ phương trình động học, dựa trên khái niệm về chuyển động vi phân, bằng cách lấy vi phân phương trình động học để thiết lập mơ hình sai số cho một số robot cơng nghiệp có cấu trúc phổ biến: robot cấu trúc nối tiếp chuỗi hở, robot cấu trúc mạch vòng và robot cấu trúc song song.
3.1 Các nguồn gây ra sai số
3.1.1 Sai số hình học, động học
Sai số hình học, động học là các sai lệch kích thước dài, kích thước góc, khe hở... của các khâu, khớp khi chế tạo, lắp ráp. Hay nói cách khác, chúng là các sai số do dung sai kích thước và hình dạng của chi tiết được chế tạo, chúng có quan hệ mật thiết với dung sai và là hàm số phụ thuộc vào dung sai chế tạo của khâu, khớp. Các sai lệch kích thước của khâu, khớp này sẽ làm cho tâm của khớp thực tế khơng nằm đúng vị trí như thiết kế mong muốn, làm cho hệ tọa độ địa phương được xây dựng cho cho các khâu của robot sai lệch
3.1.1.1 Sai số trong khớp trượt
Khi chế tạo khớp trượt, do tồn tại dung sai chế tạo, sai số lắp ráp... nên tạo ra khe hở mặt tiếp xúc giữa khâu trượt với giá và sẽ gây ra sai lệch về vị trí và hướng trong khơng gian ba chiều của một khớp trượt.