1. TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA ROBOT
1.5 Hướng nghiên cứu của đề tài
Qua tìm hiểu một số công trình nghiên cứu đã được công bố trước đây mà tác giả thu thập được về vấn đề sai số trong robot tác giả thấy rằng:
- Về nguyên nhân gây sai số là do sự sai khác giữa tham số thực của robot được chế tạo so với tham số trong mô hình toán của chính nó.
- Về dạng sai số ảnh hưởng tới độ chính xác của robot: các nghiên cứu chỉ ra rằng các yếu tố sai số chia thành hai nhóm:
Sai số của các tham số hình học, động học (một số tài liệu gọi chung là sai số hình học): độ dài của khâu, góc xoắn khâu, hướng của trục khớp.
Sai số của các yếu tố phi hình học: sai số trong bộ truyền bánh răng do bước răng hoặc profile của răng bị sai khi gia công, độ mềm của khớp, độ lệch tâm khớp, độ đảo của các ổ bi, khe hở bánh răng, biến dạng đàn hồi do tải trọng, giãn nở nhiệt là các nguyên nhân gây sai số phi hình học trong robot.
Trong đó, nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng sai lệch vị trí và hướng do sai số hình học gây ra lớn hơn rất nhiều so với sai số phi hình học.
- Về phương pháp xây dựng mô hình sai số: nhìn chung các công trình nghiên cứu sử dụng phương pháp phổ biến gồm hai phương pháp.
Phương pháp thứ nhất là dựa trên mô hình cấu trúc động học, lấy vi phân trực tiếp từ ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất, ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất thực tế (khi có tính đến sai số) sẽ là tổng của ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất khi không có sai số và vi phân ma trận đó, sau đó sử dụng phương pháp ma trận truyền và các phép biến đổi toán học để xây dựng mô hình sai số cho robot. Nếu sử dụng ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất D-H chỉ biểu diễn được 4 hoặc 5 khả năng chuyển động của khớp này so với khớp liền kề với nó, nếu sử dụng phương pháp tọa độ suy rộng biểu diễn cả 6 khả năng chuyển động của 2 khớp liên tiếp nhau. Phương pháp này là khá phổ biến do đơn giản nhưng lại bỏ qua thành phần sai số từ bậc 2 trở đi khi khai triển ma trận truyền.
Còn với phương pháp thứ hai, mô hình sai số được thiết lập bằng cách lấy vi phân trực tiếp từ phương trình động học robot dựa trên khái niện chuyển động vi phân. Phương pháp cho phép biểu diễn được tất cả sai số hình học, động học của các khâu, khớp robot. Tuy nhiên trong các nghiên cứu đã được công bố mà tác giả thu thập được thì mô hình sai số được xây dựng chỉ dừng lại ở mối quan hệ giữa sai số với sai lệch vị trí, chưa biểu diễn mối quan hệ sai lệch về hướng.
Để cho thuận tiện và nhất quán khi trình bày, tác giả gọi tên phương pháp thứ nhất là phương pháp vi phân ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất. Còn phương pháp thứ hai là phương pháp vi phân phương trình động học khi xây dựng mô hình sai số cho robot.
- Về phương pháp xác định giá trị sai số của các khâu, khớp để đưa ra mô hình động học chính xác nhất cho một robot đã được chế tạo cụ thể để nâng cao độ chính xác cho robot đó, các tác giả đều đưa ra các cách giải khác nhau nhưng chủ yếu là phương pháp giải tích và phương pháp số; còn phương pháp hiện đại như Mạng nơ ron, giải thuật di truyền chưa có nhiều nghiên cứu công bố, nhất là các nghiên cứu ở trong nước.
Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu đã được công bố như tác giả trình bày ở trên. Tuy nhiên, chưa có công trình nào trong nước được công bố đầy đủ, chi tiết và rõ ràng kết quả xây dựng mô hình sai số robot công nghiệp; khảo sát sự ảnh hưởng của sai số của các khâu, khớp trung gian đến sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác và các đưa ra giải thuật, chương trình, giải thuật và công cụ hiện đại để tìm giá trị sai số của các khâu, khớp trung gian khi xác định được sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác.
Trên cơ sở tìm hiểu và phân tích các công trình đã được công bố, tác giả đề xuất các nội dung nghiên cứu của luận án như sau:
- Xây dựng và giải được bài toán động học robot. Kết quả bài toán động học sẽ cho ta mô hình toán của robot, làm cơ sở để thiết lập mô hình sai số.
- Tìm hiểu nguồn gây sai số, mô hình sai số cho các khâu, khớp và chỉ tập trung sai số của các tham số hình học, động học ảnh hưởng sai lệch vị trí và hướng của robot.
- Từ phương trình động học của robot, sử dụng phương pháp lấy vi phân và biến đổi trong toán học để thiết lập mô hình sai số biểu diễn mối quan hệ sai lệch vị trí và hướng với cả sai số tham số hình học, động học của các khâu.
- Xây dựng giải thuật, chương trình phân tích ảnh hưởng của sai số đến sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác.
- Nghiên cứu đưa ra phương pháp, giải thuật, kết hợp sử dụng công cụ hiện đại để xác định giá trị sai số hình học, động học khi đã biết được sai lệch vị trí và hướng của robot.
Với các nội dung thực hiện của luận án như trên, bộ cục và nội dung chi tiết của các chương tiếp theo của luận án như sau:
Trong Chương 2, luận án trình bày các cơ sở và các phương pháp được sử dụng để thiết lập phương trình động học robot công nghiệp. Trên cơ sở đó, phương trình động học robot công nghiệp: robot cấu trúc chuỗi hở, robot cấu trúc mạch vòng và robot cấu trúc song song sẽ được thiết lập, có dạng tổng quát:
( , )
p f q s (1.11)
Với q là véc tơ tọa độ khớp – véc tơ tham số động học, s là véc tơ các tham số hình học của robot và p là véc tơ vị trí và hướng khâu thao tác của robot.
Sau khi thiết lập được phương trình động học, luận án đưa ra một giải thuật và chương trình để giải bài toán động học, đặc biệt là bài toán động học thuận với cả trường hợp đối tượng công nghệ cố định và di động. Trên cở phần mềm đã được thiết lập, luận án tiến hành khảo sát động học cho một số trường hợp cụ thể: robot hàn điểm trên dây chuyền sản xuất thân xe ô tô và robot hàn hồ quang ứng dụng để hàn nối hai ống dẫn khí giao nhau.
Nội dung chính của Chương 3 sẽ trình bày sai số và phương pháp mô hình hóa sai số.
Luận án trình bày phương pháp mô hình hóa sai số mà hiện nay nhiều tác giả đang sử dụng, đó là phương phương biểu diễn sai số trực tiếp từ ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất rồi sau đó thêm vào thành phần vi phân ma trận và ma trận truyền để đưa ra mô hình sai số cho robot. Do phương pháp này đã bỏ qua sai số từ thứ hạng thứ 2 trở đi khi khai triển nhân ma trận nên làm cho tính chính xác kết quả còn hạn chế. Do vậy luận án đưa ra một mô hình sai số theo phương pháp vi phân trực tiếp từ phương trình động học nhưng biểu diễn đầy đủ cả sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác với tất cả các sai số của khâu, khớp trung gian mà không bỏ qua sai số thứ hạng bậc hai trở đi. Luận án tiến hành thiết lập mô hình sai số robot công nghiệp có cấu trúc phổ biến, dưới dạng tổng quát:
1( , )
dp f dq ds (1.12)
Với dp là véc tơ sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác, dq và ds là véc tơ sai số động học, hình học của các khâu, khớp trung gian.
Từ phương trình (1.12), ta thấy rằng, nếu một trong hai vế được xác định ta sẽ xác định được vế kia. Luận án đưa ra hai bài toán như sau:
Trên cơ sở phạm vi sai số của các khâu, khớp trung gian đã được xác định, tức là vế phải của (1.12) đã biết, ta hoàn toàn có thể khảo sát, dự đoán và đánh giá được mức độ sai lệch vị trí và hướng dp thông qua phương trình (1.12). Từ đó mà ta có thể hiệu chỉnh, phân bổ lại ngay giá trị các sai số để sao cho sai lệch của dp đảm bảo nhỏ hơn giá trị cho phép mong muốn. Bài toán này được trình bày Chương 4 của luận án. Trong chương này sẽ xây dựng một giải thuật và chương trình để khảo sát ảnh hưởng của sai số đến sai lệch vị trí và hương của khâu thao tác và tiến hành áp dụng khảo sát sai số cho trường hợp cụ thể: robot hàn điểm và robot hàn hồ quang.
Chương cuối cùng, Chương 5 của luận án sẽ trình bày bài toán xác định giá trị sai số của khâu, khớp trung gian (tìm vế trái của (1.12)) trên cơ sở xác định được sai lệch vị trí và hướng của khâu thao tác, tạo cơ sở cho việc hiệu chuẩn lại robot, tăng độ chính xác cho robot. Luận án tiến hành thiết lập quan hệ về mặt toán học, đồng thời cũng tìm hiểu và kết
hợp với một công cụ hiện đại – giải thuật di truyền, để giải bài toán nhiều nghiệm, nhiều phương trình, áp dụng xác định sai số của các khâu, khớp trung gian. Luận án cũng áp dụng cho một số ví dụ cụ thể.
Cuối cùng, luận án đưa ra những kết quả và bàn luận, trình bày những nội dung mà luận án đã thực hiện được, đồng thời cũng đề xuất một số hướng nghiên cứu có thể phát triển của đề tài.