Bảng 5-6: Kết quả xác định sai số của 24 tham số hình học, động học lần 2
khâu 1 2 3 4 5 6 dq -0.0030 0.0020 -0.0030 -0.0050 0.0031 0.0057 da 0.0300 -0.0497 -0.0025 0.0135 0.0019 0.0088 dd -0.0485 -0.0582 -0.0309 0.0244 0.0102 0.0908 dα 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0001 0.0010 Kết quả tính tốn lần chạy 3: Hình 5-8: Kết quả xác định sai số lần 3
Bảng 5-7: Kết quả xác định sai số của 24 tham số hình học, động học lần 3
khâu 1 2 3 4 5 6
dq -0.0029 0.0020 -0.0030 -0.0046 0.0028 0.0009
da 0.0337 -0.0584 -0.0003 -0.0001 0.0129 0.0001
dd -0.0584 -0.0147 0.0094 0.0019 0.0026 0.0997
Kết quả tính tốn lần chạy 4:
Hình 5-9: Kết quả xác định sai số lần 4
Bảng 5-8: Kết quả xác định sai số của 24 tham số hình học, động học lần 4
khâu 1 2 3 4 5 6 dq -0.0032 0.0017 -0.0024 -0.0029 0.0031 0.0017 da 0.0543 -0.0417 0.0017 0.0008 0.0052 0.0033 dd -0.0336 -0.0182 0.0002 0.0033 0.0001 0.0883 dα 0.0000 0.0000 0.0000 0.0026 0.0002 0.0005 Kết quả tính tốn lần chạy 5: Hình 5-10: Kết quả xác định sai số lần 5
Bảng 5-9: Kết quả xác định sai số của 24 tham số hình học, động học lần 5
khâu 1 2 3 4 5 6
dq -0.0028 0.0020 -0.0031 -0.0041 0.0029 0.0035
da 0.0320 -0.0662 -0.0020 0.0051 -0.0037 0.0000
dd -0.0469 0.0008 0.0020 0.0032 0.0002 0.0948
Sau 5 lần chạy GA để tìm sai số hình học, động học ta thấy rằng kết quả lời giải là ổn định, giá trị các nghiệm tuy có biến thiên, ta có thể lấy giá trị trung bình của nhiều lần giải, tại nhiều điểm đo, quỹ đạo đo khác nhau để có thể nhật được lời giải tốt hơn.
Với phương pháp xác định sai số hình học, động học của khâu, khớp robot được đã đưa ra trong chương này, ta hồn tồn có thể xây dựng hệ thống thực nghiệm để tiến hành xác định sai số hình học, động học cho một robot cụ thể. Mong muống hướng nghiên cứu tiếp theo sau khi hoàn thành luận án, cần tiếp tục hoàn thiện, thiết lập một hệ thống đo xác định sai lệch vị trí và hướng của robot để từ đó xác định sai số hình học, động học của khâu, khớp, tiến tới xây dựng được một chương trình hiểu chuẩn robot để nâng cao đặc tính làm việc của robot.
Hình 5-11: Lưu đồ thuật toán hiệu chuẩn robot
Sau khi đã tìm ra được các giá trị sai số đó ta có thể thực hiện việc nâng cao độ chính xác cho robot bằng cách cập nhật giá trị sai số vào các tham số hình học, động học tương
Bắt đầu
Xác định tham số cấu trúc robot Chọn quỹ đạo khảo sát, đo các
sai lệch:
, , , , ,
px py pz x y z
dr dr dr dp dp dp tại mỗi
Thiết lập hàm mục tiêu xác định sai số tham số cấu trúc robot
2 1 min m j j L e Sử dụng GA để tìm de Cập nhật tham số cấu trúc robot
vào bộ điều khiển, chạy lại quỹ đạo khảo sát, đo sai lệch
0 j R R d e d e Kết thúc Khơng Có
ứng của các khâu, khớp; chạy lại quỹ đạo khảo sát để kiểm tra xem sai lệch đã nhỏ hơn giá trị cho phép mong muốn chưa, nếu thỏa mãn thì kết thúc chương trình, nếu chưa thỏa mãn thì cần đo và tiếp tục giải ra các sai số cho tới khi thỏa mãn điều kiện sai lệch vị trí và hướng nhỏ hơn giá trị cho phép. Trên cơ sở phân tích ở trên, luận án đề xuất lưu đồ giải thuật cho thuật toán hiệu chuẩn robot bằng cách xác định sai số hình học, động học của khâu, khớp robot và cập nhật giá trị sai số vào các tham số cấu trúc trong bộ điều khiển robot để nâng cao độ chính xác cho robot như Hình 5-11.
5.4 Kết luận chương 5
Trong chương này của luận án đã đưa ra phương pháp xác định sai số, thiết lập được quan hệ về mặt toán học và vận dụng được công cụ hiện đại - giải thuật di truyền, cho phép nhận kết quả lời giải nhanh, đơn giản cho bài tốn nhiều nghiệm, có thể mở rộng thêm dữ liệu các điểm đo để nâng cao tính chính xác cho lời giải.
Việc đưa ra phương pháp xác định sai số là hết sức có ý nghĩa trong việc hiệu chuẩn lại robot để nâng cao độ chính xác, nâng cao đặc tính làm việc và thời gian sử dụng robot. Với kết quả này, nếu phát triển được một hệ thống đo hoàn chỉnh để xác định được sai lệch vị trí và hướng của robot, ta có thể xác định cả sai số hình học, động học trong các khâu, khớp trung gian của robot công nghiệp và sẽ đưa ra lượng bù sai số của các tham số đó.
Việc bù sai số có thể thực hiện trực tiếp trên bộ điều khiển bằng cách cập nhật lại các tham số cấu trúc trong bộ điều khiển, khi đó các tham số của mơ hình điều khiển sẽ đúng với tham số cấu trúc thực của robot đã được chế tạo. Hoặc ta cũng có thể cập nhật tham số cấu trúc thực tế của robot vào chương trình giải bài tốn động học ngược, khi đó lời giải bài tốn sẽ cho ta giá trị các biến khớp điều khiển được chính xác.
Ta cũng có thể phát triển thuật tốn này để có thể xác định sai số cho các máy công cụ điều khiển số để hiệu chuẩn, nâng cao độ chính xác cho máy cơng cụ.
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Luận án đã tìm hiểu và trình bày tổng quát về các nguồn gây ra sai số, khái niệm và cách xác định sai số phụ thuộc vào dung sai chế tạo, tổng hợp lại một số kết quả nghiên cứu về sai số trong khâu, khớp robot, phương pháp xác định sai số khi biết được sai lệch. Trên cơ sở đó, luận án đã đưa ra một mơ hình sai số mới được thiết lập trực tiếp từ phương trình động học biểu diễn mối quan hệ giữa sai lệch cả vị trí và hướng của khâu thao tác với tất cả các sai số hình học, động học của từng khâu, khớp trung gian. Luận án cũng đã tìm hiểu và áp dụng một công cụ mới - giải thuật di truyền, trong việc tìm giá trị sai số hình học, động học của các khâu, khớp trung gian khi đã xác định được giá trị sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác robot.
Với vấn đề động học robot, luận án đã vận dụng sáng tạo phương pháp mơ hình hóa: sử dụng các tọa độ thuần nhất, ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất, phương pháp ma trận truyền, phương pháp tam diện trùng theo... để xây dựng được chương trình thiết lập và giải bài toán động học thuận và ngược cho cả trường hợp đối tượng công nghệ cố định và di động một cánh đúng đắn, chính xác cho các loại mơ hình robot cơng nghiệp phổ biến có cấu trúc từ đơn giản đến phức tạp. Kết quả được kiểm chứng thông qua mơ phỏng số và mơ phỏng động. Chương trình tự động thiết lập và giải bài toán động học robot 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 thiết kế và 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 mô phỏng hoạt động khẳng định các kết quả tính tốn hồn tồn chính xác và tin cậy. Với phương pháp này, kết hợp với chương trình giải bài tốn động học ngược và chương trình mơ phỏng động ta có thể thiết lập được cơng cụ phần mềm lập trình ngoại tuyến cho robot (tương tự như các phần mềm lập trình CAM cho các máy CNC), đồng thời cũng có thể sử dụng chương trình tính tốn và mơ phỏng động học trong việc giảng dạy, đào tạo về lĩnh vực robot.
Phương pháp mơ hình hóa sai số trực tiếp từ cấu trúc động học của robot, đặc biệt là theo mơ hình động học D-H, đã được nhiều tác giả đề cập. Tuy nhiên khi áp dụng phương pháp này, do bỏ qua sai số ở các thứ hạng bậc cao khi xây dựng mơ hình sai số nên sẽ làm ảnh hướng tới sự chính xác của lời giải. Với phương pháp mơ hình hóa sai số trực tiếp từ phương trình động học mà luận án đưa ra được trình bày dưới dạng tổng quát cho một số robot công nghiệp phổ biến với việc biểu diễn đầy đủ mối quan hệ cả sai lệch vị trí và sai lệch về hướng của khâu thao tác với tất cả các sai số hình học và động học của các khâu, khớp trung gian mà không bỏ qua sai số thứ hạng bậc cao nào sẽ giúp cho kết quả trong bài toán khảo sát ảnh hưởng của sai số đến sai lệch cũng như bài toán xác định sai số của các khâu, khớp trung gian khi biết đã xác định được sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác được chính xác hơn, đầy đủ hơn.
Với kết quả đạt được của luận án từ khâu xây dựng mơ hình động học, xây dựng mơ hình sai số, đưa ra phương pháp và thuật toán xác định sai lệch của khâu thao tác trên cơ sở phạm vi sai số của các khâu, khớp trung gian đã được xác định và ngược lại, xác định sai
số khi biết được sai lệch của khâu thao tác, luận án mong muốn hướng tới việc bù sai số (xác định mơ hình động học mới đúng với giá trị tham số động học thực tế) của một robot mới được chế tạo cũng như robot đã qua sử dụng để nâng cao độ chính xác cho robot. Có 2 cách có thể thực hiện bù sai số là:
- Bù sai số của các tham số hình học, động học trực tiếp vào bộ điều khiển robot bằng cách lấy giá trị danh nghĩa của các tham số này cộng (hoặc trừ) với lượng bù sai số ( vì sai số có thể âm, dương hoặc bằng khơng) để có được bộ điều khiển chính xác nhất với cấu trúc robot đã được chế tạo. Việc bù sai số trực tiếp phụ thuộc vào bộ điều khiển đó mà ta có thể can thiệp được hay khơng, nếu có thể can thiệp được thì ta hồn tồn có thể thực hiện bù sai số được. Đối với bộ điều khiển robot mà tự chế tạo lấy thì hồn tồn có thể thực hiện được bù sai số theo cách này.
- Bù sai số gián tiếp vào các chương trình giải bài tốn động học ngược robot, khi đó các tham số hình học, động học trong chương trình phần mềm sẽ được gán là giá trị danh nghĩa cộng (hoặc trừ) với lượng sai số tương ứng với tham số đó. Kết quả lời giải bài toán động học ngược này đưa vào điều khiển robot sẽ đảm bảo robot thực hiện chính xác hơn, bám theo quỹ đạo mong muốn hơn.
Qua kết quả nghiên cứu của luận án này sẽ gợi mở ra nhiều nội dung, vấn đề cần đề cập nghiên cứu để có thể tiến tới làm chủ và chế tạo được robot cả phần kết cấu cơ khí cũng như là chương trình điều khiển đạt độ chính xác cao, phục vụ nhu cầu thực tiễn ở trong nước.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận:
Luận án đã thực hiện đầy đủ các nội dung nghiên cứu để đạt được mục đích đặt ra. Những kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận án trong nghiên cứu về sai số và độ chính xác của robot cấu trúc nối tiếp chuỗi hở, cụ thể là:
1. Vận dụng sáng tạo phương pháp mơ hình hóa: sử dụng các tọa độ thuần nhất, ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất, phương pháp ma trận truyền, phương pháp tam diện trùng theo, công cụ tin học... để thiết lập và giải bài toán động học thuận và ngược cho một số mơ hình robot cơng nghiệp phổ biến có cấu trúc từ đơn giản đến phức tạp.
2. Xây dựng được mơ hình sai số biểu diễn mối quan hệ giữa sai số hình học, động học của các khâu, khớp trung gian và sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác cho một số robot cơng nghiệp có cấu trúc từ đơn giản đến phức tạp mà không bỏ qua sai số bậc cao khi tính tốn giúp cho kết quả khảo sát ảnh hưởng của sai số tới sai lệch cũng như xác định sai số khi biết được sai lệch sẽ chính xác hơn.
3. Đã xây dựng được giải thuật tính tốn, khảo sát sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác robot: Xác định sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác tác theo sai số hình học, động học của các khâu, khớp trung gian. Bài toán được áp dụng khảo sát cho các mơ hình robot cơng nghiệp có cấu trúc khác nhau.
4. Đã thiết lập được quan hệ về mặt toán học và vận dụng được phương pháp hiện đại là thuật toán di truyền để giải bài toán nhiều nghiệm, xác định sai số trong các khâu, khớp trung gian của robot theo sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác. Là tiền đề cho việc bù sai số để nâng cao độ chính xác robot.
5. Xây dựng được bộ chương trình để giải bài tốn động học và tính tốn sai số, áp dụng cho các loại mơ hình robot cơng nghiệp phổ biến có cấu trúc khác nhau.
Kiến nghị hướng phát triển của đề tài:
1. Tiếp tục phát triển phương pháp và khảo sát ảnh hưởng của sai số phi hình học. Tạo ra cơng cụ đánh giá sai số và độ chính xác cho các loại robot khác như robot tác hợp, robot di động, robot dạng người, máy công cụ điều khiển số…
2. Nghiên cứu, thiết lập và sử dụng hệ thống đo để xác định sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác, tạo cơ sở dữ liệu cho việc hiệu chuẩn một robot cụ thể.
3. Xây dựng phần mềm, mô đun chương trình tính tốn và điều khiển robot đạt độ chính xác cao. Xây dựng phần mềm lập trình ngoại tuyến (off-line programming) cho robot.
4. Xây dựng thuật toán bù sai số cho robot.
5. Tạo công cụ thương mại phục vụ hiệu chuẩn robot. Chế tạo robot có độ chính xác tốt hơn.
6. Nghiên cứu phương pháp, công cụ xác định lượng bù sai số trực tiếp cho kỹ thuật điều khiển trực tuyến robot, máy công cụ điểu khiển số để nâng cao năng suất, chất lượng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Nguyễn Thiện Phúc (2003) Robot công nghiệp, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà nội. [2] Phạm Đăng Phước. Giáo trình Robot cơng nghiệp, Đại học Bách khoa Đà Nẵng,
2003.
[3] Phan Bùi Khôi, Trần Minh Thúy, Bùi Văn Hạnh (2007) Tính tốn động học robot
hàn có nền di động. Tuyển tập cơng trình Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ VIII, Hà Nội ngày 6-7/12/2007.
[4] Phan Bùi Khôi (2009) Tập bài giảng robot công nghiệp, Đại học Bách khoa Hà nội. [5] Đỗ Anh Tuấn (2008) Tính tốn, thiết kế và mơ phong robot hàn trên dây chuyền hàn
thân xe ô tô tự động. Luận văn thạc sỹ, Đại học Bách khoa Hà nội.
[6] Phan Bùi Khôi, Đỗ Anh Tuấn, Hà Huy Hưng (2009) Điều khiển robot hàn điểm
chuyển động thao tác cơng nghệ theo chương trình. Tuyển tập cơng trình Hội nghị
cơ học tồn quốc kỷ niệm 30 năm Viện Cơ học và Tạp chí cơ học. Tập 2, tr. 331
Tiếng Anh
[7] Nicholas G. Dagalakis ISO – 9283, Chapter 27: Industrial Robotics Standards. National Institute of Standards and Technology Intelligent Systems Division, Gaithersburg, Maryland, USA.
[8] Absolute Accuracy industrial robot option. Copyright ABB Robotics
PR10072EN_P5 Aprill, 2010.
[9] Thomas R. Kurfess Robotics and Automation handbook. Copyright by CRC Press LLC, 2005.
[10] P.S. Shiakolas, K.L. Conrad, T.C. Yih (2002) On the accuracy, repeatability, and
degree of influence of kinematics parameters for industrial robots.International
Journal of Modeling and Simutation, Vol. 22, No. 3, 2002.
[11] John J. Craig (1989) Introduction to Robotics Mechanics and Control. Second
edition, Copyright 1989, 1986 by Addison-Wesley Publishing Company, Inc.
[12] L. J. Everett, Tsing-Wong Hsu (1988) The Theory of Kinematic parameter
identification for Industrial robots. Journal of Dynamic Systems, Measurement and
Control.
[13] R. Weill, B. Shani (1991) Assessment of Accuracy of Robots in Relation with
Geometrical Tolerances in Robot Links. Faculty of Mechanical Engineering,
Technion, Haifa/Israel.