Điều khiển lực 5.1. Tổng quan về vấn đề điều khiển lực .
Trong quỏ trỡnh làm việc của mỡnh thụng thường thỡ cỏc robot phải thực hiện hai nhiệm vụ chớnh:
- Thứ nhất là yờu cầu về dịch chuyển robot trong quỏ trỡnh làm việc , dịch chuyển từ vị trớ này tới vị trớ khỏc, từ tọa độ này tới tọa độ khỏc . Đối với yờu cầu dịch chuyển của robot thỡ việc điều khiển robot là khỏ dễ dàng vỡ chỉ cần thiết lập quỹ đạo và điều khiển cho Robot di chuyển đến đỳng tọa độ yờu cầu theo quỹ đạo đó vạch sẵn.
- Thứ hai là vấn đề về điều khiển lực bởi vỡ trong quỏ trỡnh làm việc tuỳ theo nhiệm vụ của từng robot hoạt động trong một một trường nhất định , làm việc với cỏc loại thiết bị khỏc nhau thỡ cỏc robot cụng nghiệp là phải thớch ứng với mụi trường làm việc, thớch ứng với ngoại cảnh và quan tõm tới tương tỏc lực giữa robot với mụi trường bờn ngoài . Vớ dụ như một robot làm việc với cỏc vật thể cú độ cứng cao cú yờu cầu về lực khỏc với một robot làm việc với hoỏ chất ,khỏc với một robot làm việc với cỏc thiết bị dễ vỡ , cỏc thiết bị mềm , dễ góy cú yờu cầu về lực khỏc so với khi làm việc với cỏc chất rắn . Đõy chớnh là nhiệm vụ thứ hai của điều khiển robot : điều khiển được tỏc động của robot vào đối tượng làm việc núi cỏch khỏc là điều khiển lực tương tỏc của robot vào đối tượng làm việc , đú chớnh là vấn đề điều khiển lực cho robot.
Điều khiển lực cho robot đúng một vai trũ hết sức qua trọng trong việc điều khiển robot , để robot cú thể đỏp ứng được lực tương tỏc với từng đối tượng làm việc khỏc nhau . Vớ dụ : với một robot gắp vật thỡ lực đỏp ứng để robot gắp một vật cứng phải cú độ lớn vừa đủ trong một khoảng nào đú để robot cú thể cầm chắc vật mà khụng làm thay đổi hỡnh dạng vật thể khi robot tỏc dụng lờn vật một lực quỏ lớn thỡ cú thể gõy nờn biến dạng vật thể cũn khi tỏc dụng một lực ko đủ , khụng thắng được lực ma sỏt , trọng trường .. thỡ sẽ khụng gắp chắc được vật , với một robot làm nhiệtm vụ hàn , yờu cầu đặt ra là robot phải duy trỡ được lực hàn vừa đủ trong quỏ trỡnh di chuyển khụng ộp mạnh vào vật cần hàn cũng như khụng tỏc rời khỏi vật … đối với từng loại robot khỏc nhau , với từng nhiệm vụ khỏc nhau thỡ lực cần điều khiển cho từng loại robot trong từng trường hợp cũng cú những yờu cầu khỏc nhau . Từ đú ta nhận thấy trong quỏ trỡnh điều khiển robot, ta cần phải điều khiển tỏc động của cỏc robot gõy ra cho mụi trường và đối tượng làm việc ( hay núi cỏch khỏc là điều khiển lực tỏc động của robot lờn đối tượng ) song song với việc điều khiển mômen tạo ra chuyển động từ vị trớ ban đầu đến vị trớ đặt .
5.2. Cỏc phương phỏp điều khiển lực .
Đối với vấn đề điều khiển lực , hiện nay cú hai phương phỏp điều khiển lực cho robot đú là :
-Điều khiển trở khỏng (Impedant)
-Điều khiển lai (điều khiển hỗn hợp(Hybird)).
Với phương phỏp điều khiển trở khỏng thỡ điều khiển lực dựa trờn việc điều khiển vị trớ và lực bằng điều chỉnh trở khỏng(độ nhỳn) của cơ cấu cơ khớ tay robot phự hợp với ngoại lực tỏc dụng lờn tay robot khi tiếp xỳc với mụi trường.Trở khỏng cơ khớ là một khỏi niệm biểu thị độ cứng của cơ cấu chống lại lực tỏc dụng lờn nú .
Điều khiển trở khỏng cú hai phương phỏp:
- Phương phỏp điều khiển trở khỏng thụ động thỡ trở khỏng cơ khớ của bộ phận kÍp chi tiết của tay robot được điều chỉnh bằng cỏc phần tử cơ khớ nh lũ xo, bộ giảm chấn phương phỏp điều khiển trở khỏng tớch cực.
- Phương phỏp điều khiển trở khỏng tớch cực thực hiện điều khiển trở khỏng cơ khớ theo hệ thống kớn của cơ cấu chấp hành khới với cỏc tớn hiệu phản hồi vị trớ, tốc độ và lực…
Điều khiển hỗn hợp gồm hai kờnh điều khiển độc lập vị trớ và lực. Cỏc tớn hiệu đầu ra của bộ điều chỉnh sẽ điều khiển cơ cấu chấp hành khớp bỏm theo quỹ đạo vị trớ và sinh ra lực đặt trước. Hướng vị trớ và lực được điều khiển tựy thuộc vào nhiệm vụ robot thực hiện trong dõy chuyền sản xuất.
5.2.1. Điều khiển trở khỏng:
a. Phương phỏp điều khiển trở khỏng thụ động:
Thực chất của phương phỏp này là việc chế tạo cơ cấu đặc biệt, cú khả năng sinh lực cần thiét phự hợp với mụi trường làm việc của robot. Phương phỏp điều khiển trở khỏng thụ động khụng yờu cầu mạch vũng điều khiển lực, do đú hệ thống điều khiển sẽ đơn giản. Tuy nhiờn, cơ cấu robot sẽ khụng linh hoạt, vỡ với mỗi một nhiệm vụ khỏc nhau sẽ phải thiết kế một phần cứng khỏc nhau.
b. Phương phỏp điều khiển trở khỏng tớch cực:
Để giải quyết những hạn chế , nhược điểm của phương phỏp trở khỏng thụ động thỡ người ta đưa ra phương phỏp điều khiển trở khỏng tớch cực dựa trờn việc thiết kế luật điều khiển phản hồi thớch hợp cho hệ thống bằng cỏch phản hồi cỏc đại lượng đo được :
vị trớ , tốc độ của tay robot , ngoại lực tỏc dụng … đú chớnh là nguyờn lý cơ bản của phương phỏp điều khiển trở khỏng tớch cực . Hệ thống điều khiển trở khỏng tớch cực được ỏp dụng cho nhiều loại robot thực hiện cỏc nhiệm vụ khỏc nhau bằng thay đổi phần mềm của luật điều khiển phản hồi.
Ta sẽ xột mụ hỡnh của robot n bậc tự do với cỏc đại lượng phản hồi là độ dịch chuyển và lực tỏc dụng lờn tay robot . Hệ thống điều khiển sẽ phỏt cỏc tớnh hiệu điều khiển cỏc hƯ truyền động khớp . Giả sử cơ cấu cơ khớ lý tưởng (robot luụn chuyền động theo quỹ đạo đặt trước mà khụng chịu bất kỡ ngoại lực tỏc dụng nào ) của tay robot 6 bậc tự do được mụ tả bởi phương trỡnh:
(5.1) Trong đú: - véctơ sai lệch di chuyển. Vộctơ biểu thị vị trớ và định hướng của tay robot;
- ngoại lực tỏc dụng lờn tay robot;
- ma trận (6x6) tương ứng là ma trận quỏn tớnh, ma trận hệ số giảm chấn và ma trận độ cứng. Cỏc ma trận này là cỏc ma trận khụng õm đối xứng. Để đơn giản, cú thể lựa chọn cỏc ma trận này là cỏc ma trận đường chộo.
Như ta đó biết, động lực học của robot được mụ tả bởi phương trỡnh:
(5.2) Quan hệ giữa véctơ dịch chuyển ở tọa độ tay robot và vộc tơ biến khớp biểu diễn bởi phương trỡnh động học thuận:
(5.3) Vi phõn phương trỡnh này, ta nhận được:
(5.4) Trong đú, J là ma trận Jacobien.
Vộc tơ mômen của cỏc khớp tương đương với ngoại lực được xỏc định bởi biểu thức:
(5.5) Như vậy, phương trỡnh động lực học của robot với tớnh đến ngoại lực tỏc dụng lờn tay robot sẽ cú dạng như sau:
(5.6) Từ đú, ta cú:
(5.7) Giả sử khụng đơn nhất với mọi , nhõn cả hai vỊ với ta cú:
(5.8) Vi phõn phương trỡnh (5.4) ta được:
(5.9) Rỳt từ phương trỡnh này và thay vào phương trỡnh (5.8), sau một số phộp biến đổi, nhận được phương trỡnh sau:
(5.10) Trong đú:
(5.11) (5.12) Từ đõy, bằng việc chọn luật điều khiển phản hồi vào-ra cú dạng:
(5.13) Chọn:
(5.14) Như vậy, luật điều khiển phản hồi cú dạng:
(5.15) Từ phương trỡnh trờn, ta cú thể nhận thấy, luật điều khiển lực theo phương phỏp điều khiển trở khỏng tớch cực gồm cỏc thành phần phản hồi theo sai lệch vị trớ, sai lệch tốc độ và ngoại lực. Luật điều khiển này cũn được gọi là luật điều khiển độ cứng vỡ ma trận tương ứng với ma trận hệ số độ cứng của cơ cấu. Phương phỏp điều khiển trờ khỏng tớch cực cũn được gọi là điều khiển độ nhỳn.
5.2.2. Điều khiển lai (điều khiển hỗn hợp)
Điều khiển tương tỏc là điều khiển chuyển động robot theo cỏc lượng đặt vị trớ và lực cho trước trong điều kiện robot tiếp xỳc với mụi trường hay là thực hiện điều khiển chuyển động trong điều kiện ràng buộc với mụi trường làm việc.
Phương phỏp điều khiển hỗn hợp kết hợp điều khiển vị trớ và điều khiển lực , tuy nhiờn điều khiển vị trớ và lực được thực hiện độc lập theo 2 hướng khỏc nhau .Khi robot tiếp xỳc với mụi trường lực sẽ được điều khiển theo một hướng , vị trớ sẽ được điều khiển theo một hướng khỏc .
Người ta phõn ra hai loại ràng buộc dựa trờn đặc điểm làm việc của tay robot khi tiếp xỳc với mụi trường .
+Ràng buộc tự nhiờn :được xỏc định bởi cỏc nhiệm vụ làm việc của robot trong mụi trường.
+Ràng buộc nhõn tạo : liờn quan đến cỏc biến điều khiển quy định bởi chiến lược điều khiển robot .