Nghiên cứu, khảo sát các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành của Robot công nghiệp

NGHỆ CHẾ TẠO MÁY MÃ SỐ: 2.01.09 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS-TS TRẦN VỆ QUỐC THÁI NGUYÊN - 2009 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc LỜI CAM ĐOAN Tôi là: Phạm Thành Long Nơi công tác: Bộ môn Cơ điện tử, khoa Cơ khí, ĐHKT CN Thái Nguyên. Tên đề tài: Nghiên cứu, khảo sát các thông số làm việc của hệ thống chấp hành của robot công nghiệp. Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy. Mã số: 2.01.09 Tôi xin cam đoan, đây là luận án của riêng tôi. Các kết quả mới trình bày trong luận án là do tôi phát triển, và chưa từng được công bố trong bất kì một tài liệu nào. Thái Nguyên, ngày 27 tháng 11 năm 2008. Ngƣời viết PHẠM THÀNH LONG Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 MỤC LỤC Mục Nội dung Trang Trang phụ bìa luận án 1 Lời cam đoan 2 Mục lục 3 Danh mục các thuật ngữ, kí hiệu, từ viết tắt 9 Danh mục các bảng biểu 11 Danh mục các hình vẽ đồ thị 12 MỞ ĐẦU 15 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG CHẤP HÀNH TRÊN ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Robot và các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành 19 1.1.1 Hệ thống chấp hành của robot công nghiệp 19 1.1.2 Tổng quan về cổ tay cầu truyền động song song dư 25 1.1.3 Robot và các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành 28 1.1.4 Khởi tạo, đo đếm và truyền thông số 29 1.2 Robot và các bài toán cơ học cơ cấu chấp hành 31 1.2.1 Động học 31 1.2.1.1 Bài toán giải tích động học 32 1.2.1.2 Bài toán tổng hợp động học 32 1.2.2 Tĩnh học 32 1.2.3 Động lực học 33 1.2.3.1 Giải tích động lực học 33 1.2.3.2 Tổng hợp động lực học 34 1.3 Một số nghiên cứu về tổng hợp thông số làm việc của hệ thống 34 1.4 Hƣớng nghiên cứu của đề tài 37 1.5 Kết luận chƣơng 1 38 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 CHƢƠNG 2 - GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC NGƢỢC TRONG ĐIỀU KHIỂN ROBOT 2.1 Chất lƣợng quá trình làm việc của robot công nghiệp 40 2.2 Dữ liệu của bài toán động học ngƣợc robot 41 2.2.1 Dữ liệu động học và vị trí của bài toán ngược trong điều khiển 41 2.2.2 Các phương pháp xây dựng dữ liệu động học 42 2.3 Bài toán động học trên quan điểm điều khiển thời gian thực 43 2.3.1 Một số vấn đề cơ bản về động học robot 43 2.3.2 Hiệu quả giải thuật trên quan điểm điều khiển thời gian thực 45 2.4 Quan hệ giữa bài toán động học và bài toán tối ƣu 46 2.4.1 Cơ sở của việc thay đổi kiểu bài toán 46 2.4.2 Số bậc tự do của robot và các dạng bài toán tối ưu 49 2.4.3 Bài toán di chuyển tối thiểu 50 2.5 Tự động hoá xác định các biến trong điều khiển động học robot 51 2.5.1 Giải thuật trên cơ sở bài toán tối ưu 51 2.5.2 Khả năng ứng dụng của giải thuật trên máy tính 52 2.6 Bài toán quy hoạch phi tuyến với ràng buộc dạng chuẩn 53 2.6.1 Bài toán quy hoạch phi tuyến và nghiệm tối ưu của nó 53 2.6.2 Các phương pháp triển vọng với dạng hàm mục tiêu Banana 54 2.6.2.1 Phương pháp cầu phương tuần tự (SQP) 54 2.6.2.2 Phương pháp Giảm Gradient tổng quát (GRG) 55 2.6.2.3 Phương pháp di truyền (GA) 56 2.6.3 Môi trường lập trình và lựa chọn hàm chức năng 57 2.6.3.1 Nhận định chung 57 2.6.3.2 Kết quả bài toán mẫu 58 2.6.3.3 Kết quả chạy chương trình 59 2.6.3.4 Lựa chọn phương pháp tối ưu 60 2.7 Giải bài toán ngƣợc với công cụ Solver của MS – OFFICE 61 2.7.1 Giới thiệu chung về giải thuật và phương pháp 61 2.7.2 Minh hoạ các thao tác chính với công cụ Solver 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 2.8 Kết luận chƣơng 2 68 CHƢƠNG 3 - ỨNG DỤNG MÁY TÍNH GIẢI BÀI TOÁN NGƢỢC VÀ XÂY DỰNG CÁC ĐẶC TÍNH ĐỘNG HỌC CỦA BIẾN KHỚP 3.1 Các chỉ tiêu đánh giá 70 3.1.1 Tính vạn năng 70 3.1.2 Tốc độ hình thành lời giải 70 3.1.3 Tính chính xác 70 3.1.4 Tính thực dụng, khả năng lồng ghép các yêu cầu riêng 71 3.2 So sánh kết quả với phƣơng pháp khác 72 3.2.1 Cơ cấu ba khâu phẳng (Toàn khớp quay) 72 3.2.2 Robot Adept-One (Bốn bậc tự do, q3 tịnh tiến) 75 3.2.3 Robot Scorbot (Năm bậc tự do toàn khớp quay) 77 3.2.4 Robot Stanford (Sáu bậc tự do, q3 tịnh tiến) 79 3.2.5 Robot Elbow (Sáu bậc tự do toàn khớp quay) 82 3.2.6 Robot Puma (Sáu bậc tự do toàn khớp quay) 85 3.2.7 Robot Fanuc (Sáu bậc tự do toàn khớp quay) 88 3.3 Xây dựng các đặc tính động học của khớp 3.3.1 Mô tả bài toán 3.3.2 Xây dựng các ma trận Pi 3.3.3 Tính toán chiều dài đường hàn, thời gian hàn 3.3.4 Hệ phương trình động học thuận robot VR-006CII 3.3.5 Giải bài toán ngược tại các điểm chốt 3.3.6 Xây dựng đặc tính chuyển động trong không gian khớp 3.3.6.1 Biến khớp q6 3.3.6.2 Biến khớp q5 3.3.6.3 Biến khớp q4 3.3.6.4 Biến khớp q3 3.3.6.5 Biến khớp q2 3.3.6.6 Biến khớp q1 3.4 Mô phỏng robot 90 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 3.5 Phần mềm điều khiển Robot thí nghiệm 92 3.5.1 Mô tả cấu trúc thí nghiệm 92 3.5.2 Chương trình máy tính 92 3.6 Kết luận chƣơng 3 93 CHƢƠNG 4 - TỔNG HỢP ĐỘNG HỌC CƠ CẤU CỔ TAY ROBOT BA BẬC TỰ DO 4.1 Các cơ cấu cổ tay cầu dùng truyền động bánh răng nón điển hình 125 4.1.1 Các cơ cấu điển hình 125 4.1.2 Phân loại theo số khâu hợp thành 125 4.1.2.1 Cổ tay bảy khâu 126 4.1.2.2 Các cổ tay tám khâu trên cơ sở cổ tay bảy khâu 126 4.1.2.3 Các cổ tay tám khâu 126 4.1.2.4 Cổ tay chín khâu 126 4.2 Động học cơ cấu bánh răng nón vi sai 127 4.2.1 Phương trình mạch cơ sở 127 4.2.2 Điều kiện đồng trục 128 4.3 Tổng hợp cấu trúc động học cổ tay robot cầu ba bậc tự do 128 4.3.1 Giới thiệu về cổ tay robot cầu có phần đóng mạch 128 4.3.2 Đề xuất cấu trúc phần chấp hành 129 4.3.3 Tổng hợp cấu trúc phần đóng mạch 130 4.3.3.1 Điều kiện hoạt động của mạch vòng kín 130 4.3.3.2 Tính chất lát cắt 131 4.3.3.3 Các quan hệ động học của cổ tay cầu 133 4.3.3.4 Tổng hợp cấu trúc đóng mạch 135 4.3.3.5 Kiểm nghiệm kết quả 137 4.4 Kết luận chƣơng 4 139 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 140 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ (Các bài báo, các công trình đã công bố của tác giả về nội 142 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 dung của đề tài luận án) TÀI LIỆU THAM KHẢO 143 CÁC PHỤ LỤC CỦA LUẬN ÁN Phụ lục 1: Các bản vẽ thiết kế của Robot thí nghiệm Phụ lục 2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển robot Phụ lục 3: Sơ đồ nguyên lý mô đun điều khiển động cơ bước Phụ lục 4: Chương trình mô phỏng robot AutoLisp Phụ lục 5: Mã nguồn chương trình điều khiển robot thí nghiệm Phụ lục 6: Mã nguồn chương trình mô phỏng động học robot Phụ lục 7: Phương trình đặc tính chuyển động của các biến khớp Phụ lục 8: Khai triển sơ đồ cổ tay cầu truyền động song song Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT TT KÍ HIỆU DIỄN GIẢI NỘI DUNG ĐẦY ĐỦ ĐƠN VỊ 1 a(...) Approach (Véc tơ hướng tiếp cận vật thể của bàn kẹp) 2 ai Lượng tịnh tiến dọc theo trục ox (mm) 3 Ai Ma trận truyền giữa khâu (i-1) và khâu (i) 4 aij Hệ số thứ (i) của đa thức nội suy thứ (j) 5 A T Transpose (A) 6 i Góc quay quanh trục ox (rad) 7 CAD Computer Aided Design 8 CAM Computer Aided Manufacturing 9 ijkC Cos(qi + qj + qk) 10 CNC Computer Numerical Control 11 D Miền thỏa mãn các ràng buộc vật lí của các khớp 12 DH Denavit-Hartenbeg 13 di Lượng tịnh tiến dọc theo trục oz (mm) 14 E Véctơ mô tả mũi dụng cụ (hoặc tâm bàn kẹp) trong hệ quy chiếu chung 15  Sai lệch tuyệt đối cho phép của hàm mục tiêu 16 EUL Euler 17 GA Genetic algorithms 18 GRG Generalized Reduced Gradient 19 IR Industrial Robot 20 J Véctơ định vị điểm đặt robot so với hệ quy chiếu chung 21 Li Lower bound (i) 22 m Độ cơ động của tay máy 23 MRO Minimal Represent Orient 24 n(...) Normal. (Véc tơ pháp tuyến của mặt phẳng chứa s, a) 25 n Số bậc tự do của robot Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 26 NC Numerical Control 27 qi Biến khớp thứ (i) 28 qi’ Vận tốc (dài/góc) khớp thứ (i) 29 qi” Gia tốc (dài/góc) khớp (i) 30 RPY Roll-Pitch-Yaw 31 s(...) Sliding. (Véc tơ hướng đóng mở bàn kẹp) 32  Hệ số phục vụ của robot 33 ijkS Sin(qi + qj + qk) 34 SQP Sequential quadratic programming 35 nT 0 Phương trình động học thuận 36 i i T1 Biểu diễn của hệ quy chiếu (i) trong hệ quy chiếu (i-1) 37 j Thời gian thực ứng với điểm cuối đoạn quỹ đạo thứ (j) (sec) 38 1j Thời gian thực ứng với điểm đầu đoạn quỹ đạo thứ (j) (sec) 39 Ui Upper bound (i) 40 X Jacobian 41 i Góc tiếp cận có khả năng định hướng bàn kẹp (rad) 42 )(i Độ dài bước đi theo hướng )( f trong bài toán tối ưu ở vòng lặp (i) 43 i Góc quay quanh trục oz (rad) 44  Véctơ gradien Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU KÍ HIỆU NỘI DUNG BẢNG BIỂU TRANG 2.1 Lời giải mẫu 59 2.2 Kết quả của từng phương pháp 69 2.3 So sánh nghiệm tại điểm E5 60 2.4 Ý nghĩa các thuật ngữ của Solver trên giao diện chương trình 62 2.5 Ý nghĩa các tùy chọn trong Option của công cụ Solver 63 3.1 Bảng kết quả bài toán ngược cơ cấu ba khâu phẳng 74 3.2 So sánh kết quả hàm mục tiêu cơ cấu ba khâu phẳng 74 3.3 Bảng DH robot Adept-One 75 3.4 Bảng kết quả bài toán ngược robot Adept-One 76 3.5 So sánh kết quả hàm mục tiêu robot Adept-One 76 3.6 Bảng DH robot Scorbot 77 3.7 Bảng kết quả bài toán ngược robot Scorbot 78 3.8 So sánh kết quả hàm mục tiêu robot Scorbot 79 3.9 Bảng DH robot Stanford 80 3.10 Bảng kết quả bài toán ngược robot Stanford 81 3.11 So sánh kết quả hàm mục tiêu robot Stanford 82 3.12 Bảng DH robot Elbow 82 3.13 Bảng kết quả bài toán ngược robot Elbow 84 3.14 So sánh kết quả hàm mục tiêu robot Elbow 84 3.15 Bảng DH robot Puma 85 3.16 Bảng kết quả bài toán ngược robot Puma 87 3.17 So sánh kết quả hàm mục tiêu robot Puma 87 3.18 Bảng DH robot Fanuc 88 3.19 Bảng kết quả bài toán ngược robot Fanuc 89 3.20 So sánh kết quả hàm mục tiêu robot Fanuc 90 3.21 Giới hạn làm việc của các khớp 3.22 Bảng DH của robot VR-006CII Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 3.23 Bảng toạ độ điểm chốt Pi trên quỹ đạo trong không gian Oc 3.24 Bảng toạ độ điểm chốt Pi trên quỹ đạo trong không gian OB 3.25 Kết quả bài toán ngược tại các điểm chốt trên quỹ đạo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ KÍ HIỆU NỘI DUNG HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TRANG 1.1 Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp 19 1.2 Robot, bộ dạy học và bộ điều khiển 20 1.3 Một robot song song 20 1.4 Bàn tay sử dụng cơ bắp và bàn tay truyền động cơ khí 20 1.5 Bàn tay sử dụng giác hút chân không 21 1.6 Bàn tay sử dụng truyền động đai 21 1.7 Cổ tay cầu truyền động song song dư 21 1.8 Ứng dụng HGT bánh răng sóng quay thân và quay cánh tay 22 1.9 Đối trọng cho robot 22 1.10 Cổ tay robot Scorbot hai bậc tự do 26 1.11 Mobile robot 29 1.12 Kết cấu và nguyên lí hoạt động của Encorder 30 1.13 Hai kiểu khoá chuyển mạch thông dụng 31 2.1 Các dạng sai số lặp lại 40 2.2 Trễ trong truyền động nhiều trục 40 2.3 Sơ đồ điều khiển trong không gian khớp 41 2.4 Sơ đồ điều khiển trong không gian công tác 41 2.5 Giao diện của robot 43 2.6 Sơ đồ thuật toán giải bài toán ngược động học 51 2.7 Hộp thoại Solver Parameter 55 2.8 Giao diện chính chạy phương pháp SQP. 57 2.9 Giá trị hàm mục tiêu theo phương tìm kiếm 57 2.10 Hộp thoại Add-in tuỳ chọn cài Solver 61 2.11 Khởi tạo bài toán tối ưu cho robot Puma 65 2.12 Xây dựng mục tiêu của bài toán 67 2.13 Hộp thoại Solver parameter 67 2.14 Hộp thoại nhập các ràng buộc 67 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 3.1 Sơ đồ động học cơ cấu ba khâu phẳng 73 3.2 Sơ đồ động học robot Adept-One 75 3.3 Sơ đồ cấu trúc robot Scorbot 77 3.4 Sơ đồ cấu trúc robot Standford 80 3.5 Sơ đồ cấu trúc robot Elbow 82 3.6 Sơ đồ cấu trúc robot Puma 85 3.7 Sơ đồ cấu trúc robot Fanuc 88 3.8 Sơ đồ động robot VR-006CII 3.9 Vùng làm việc của robot VR-006CII 3.10 Mối ghép hàn giữ mặt nón và mặt trụ trong vận tải đường ống 3.11 Đường cong ghềnh trong không gian 3.12 Sơ đồ bố trí vật hàn trong không gian làm việc của robot 3.13 Hiển thị List sau khi dùng Divide 3.14 Sơ đồ định hướng giữa mỏ hàn và vật thể 3.15 Đồ thị chuyển vị q6 trong 1,5 chu kỳ 3.16 Đồ thị vận tốc q6 trong 1,5 chu kỳ 3.17 Đồ thị chuyển vị q5 trong 1,5 chu kỳ 3.18 Đồ thị vận tốc q5 trong 1,5 chu kỳ 3.19 Đồ thị chuyển vị q4 trong 1,5 chu kỳ 3.20 Đồ thị vận tốc q4 trong 1,5 chu kỳ 3.21 Đồ thị chuyển vị q3 trong 1,5 chu kỳ 3.22 Đồ thị vận tốc q3 trong 1,5 chu kỳ 3.23 Đồ thị chuyển vị q2 trong 1,5 chu kỳ 3.24 Đồ thị vận tốc q2 trong 1,5 chu kỳ 3.25 Đồ thị chuyển vị q1 trong 1,5 chu kỳ 3.26 Đồ thị vận tốc q1 trong 1,5 chu kỳ 3.27 Chuyển vị trong không gian khớp 3.28 Quỹ đạo mỏ hàn trong không gian công tác 3.29 Giao diện chương trình mô phỏng robot 91 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 14 3.30 Bố trí thí nghiệm 92 3.31 Điều khiển robot bằng tay 92 3.32 Thiết lập chương trình trên giao diện 93 3.33 Xác lập trạng thái chuyển động cho từng động cơ 93 4.1 Cơ cấu cổ tay T3 125 4.2 Cơ cấu cổ tay Bendix 125 4.3 Cơ cấu cổ tay 7 khâu 126 4.4 Cơ cấu cổ tay 8 khâu trên cơ sở dẫn xuất 126 4.5 Cơ cấu cổ tay tám khâu 126 4.6 Cơ cấu cổ tay 9 khâu 127 4.7 Cặp bánh răng ăn khớp ngoài 127 4.8 Cấu trúc cổ tay cầu ba bậc tự do 129 4.9 Sơ đồ nguyên tắc truyền động song song dư 129 4.10 Truyền dẫn hở và truyền dẫn kín 130 4.11 Mạch vòng kín với 1 và 2 khâu vi sai 130 4.12 Sơ đồ tạo lát cắt trên cấu trúc 132 4.13 Cơ cấu vi sai hai bậc tự do phẳng 133 4.14 Cơ cấu vi sai ba bậc tự do phẳng 134 4.15 Sơ đồ động cổ tay ba bậc tự do có phần đóng mạch 137 4.16 Truyền động trục Roll 138 4.17 Truyền động trục Yaw 138 4.18 Truyền động trục Pitch 138 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 15 MỞ ĐẦU Con người từ lâu đã muốn chế tạo một cỗ máy có thể bắt chước kỹ năng lao động của đôi tay, thay mình làm những việc nặng và nguy hiểm. Robot là đối tượng được con người gửi gắm nhiều tri thức về y khoa, cơ khí, điện-điện tử, công nghệ thông tin và điều khiển học. Từ chỗ vô tri vô giác, chuyên đảm nhiệm những công việc lao động cơ bắp đơn thuần. Robot ngày nay có khả năng quan sát, cảm nhận bản thân và môi trường xung quanh. Việc thành công bước đầu trong những nghiên cứu về trí tuệ nhân tạo, hứa hẹn robot trong tương lai có những hành xử giống như con người. Vào những năm 1920 khái niệm robot đã xuất hiện, đến cuối những năm 1940 có những robot thực sự đầu tiên. Đến những năm 1980, kỹ thuật điều khiển số và tự động hóa làm cho các thiết bị điều khiển nhiều trục như robot và máy CNC có sự chuyển biến đáng kể về mặt công nghệ. Những năm gần đây các thành tựu về cơ- tin-điện tử, các hệ chuyên gia, mạng nouron và công nghệ nano, làm cho lĩnh vực robot có một bước tiến dài, mở rộng phạm vi ứng dụng ra nhiều mặt và trở thành một chuyên ngành hấp dẫn nhất của kỹ thuật. 1-Tính cấp thiết của đề tài Ngành công nghiệp thế giới đã trải qua nhiều cuộc cách mạng trong quá khứ, những cuộc cách mạng làm thay đổi cả thế giới chúng ta đang sống. Robot và tự động hóa là một cuộc cách mạng vĩ đại, vì mục đích của nó là giải phóng con người ra khỏi những lao động nặng nhọc. Do đó, có thể thấy con người mong đợi sự xuất hiện của những robot hoàn hảo đến thế nào. Mặc dù robot và robot công nghiệp đã, đang được sử dụng rộng rãi song bản thân là giao thoa của nhiều lĩnh vực kỹ thuật mũi nhọn, không ngừng phát triển nên luôn có những giới hạn bị đẩy lên cao hơn. Bên cạnh đó động học, động lực học robot vẫn được coi là còn nhiều yếu tố chưa rõ khi phân tích khảo sát theo phương pháp giải tích. Điều đó thể hiện rằng những ứng xử của cấu trúc trong quá trình làm việc, chưa được hiểu biết đầy đủ. Để có thể ứng dụng robot vào những công việc đòi hỏi thao tác tinh vi nhất, cần có thêm nhiều nỗ lực nhằm làm chủ các quá trình động học và động lực học. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 16 Ngày nay robot đã được sử dụng phổ biến trên thế giới nhưng vẫn chưa được khai thác đúng mức ở Việt Nam. Ngoài nguyên nhân về đầu tư ban đầu lớn, thì một trong những nguyên nhân khác là do chưa có đầu tư nghiên cứu đầy đủ trong nước, khiến các kiến thức chuyên nghành của lĩnh vực này chưa được phổ cập cho lực lượng sử dụng thiết bị cũng như cán bộ nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật này. Mặt khác có những kỹ thuật đang sử dụng rất phức tạp, việc tiếp cận đối với những vấn đề này có nhiều trở ngại, nếu có thể thay thế bằng một kỹ thuật đơn giản hơn sẽ tạo thuận lợi đáng kể. Các thông số điều khiển robot như quỹ đạo, vận tốc, gia tốc, lực…trên các robot nhập ngoại đã được các hãng sản xuất tích hợp và cài đặt sẵn trên thiết bị. Trong khi đó để thực hiện các công việc phức tạp, các dữ liệu này cần can thiệp điều chỉnh theo ý đồ. Điều đó đã gây khó khăn cho người sử dụng trong chuẩn bị dữ liệu. Chẳng hạn vì lí do giá thành, nhà sản xuất chỉ trang bị bộ nội suy cung tròn và bộ nội suy đường thẳng cho robot hàn. Việc gia công các đường cong ghềnh không gian nằm trong khả năng của cấu trúc chấp hành, song vượt ra ngoài khả năng của hệ điều khiển được trang bị. Các thông số động học, động lực học đã được nghiên cứu nhiều, nhưng chưa thực sự chú trọng đến tính thực dụng trong điều khiển thời gian thực. Trong đó các thông số động học, chủ yếu nhận được thông qua giải hệ phương trình ràng buộc, chưa kể đến giới hạn cơ học của các khớp. Do vậy việc chọn nghiệm điều khiển từ nghiệm toán học thường làm kéo dài thời gian vô ích. Nhằm đáp ứng phần nào các đòi hỏi trên đây, tác giả tập trung nghiên cứu giải quyết vấn đề: “Nghiên cứu, khảo sát các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành của robot công nghiệp” 2-Mục đích nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu về các đặc tính làm việc của robot công nghiệp. Cũng như phương pháp xây dựng những đặc tính này, chuẩn bị cho lập trình điều khiển. Đánh giá tính hiệu quả các phương pháp đó trên một số phương diện như thời gian Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 17 thực hiện, độ chính xác của dữ liệu và khả năng ứng dụng máy tính của từng phương pháp. Trọng tâm của đề tài là xây dựng một thuật toán mới giải bài toán động học ngược của tất cả các robot dạng chuỗi động học hở không giới hạn về số bậc tự do. Thuật toán áp dụng với các cấu trúc robot khác nhau theo một trình tự chung và có thời gian thực hiện ngắn hơn, dễ sử dụng hơn so với các phương pháp hiện nay. Trên cơ sở giải thuật đề xuất, xây dựng một chương trình máy tính hỗ trợ chuẩn bị dữ liệu điều khiển động học robot. Thực hiện các phép thử cần thiết trên các đối tượng khác nhau để kiểm tra tính đúng đắn của giải thuật. 3-Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các đặc tính động học của robot, có cấu trúc chuỗi động học hở. Chủ yếu tập trung vào phương pháp giải bài toán động học ngược, xác định các thông số tọa độ suy rộng phục vụ điều khiển chuyển động. Các thông số động học được xác định qua mô hình toán, việc xác định các thông số này bằng con đường lí thuyết, sau đó kiểm chứng lại kết quả với cách làm truyền thống, kết quả mô phỏng, sẽ đảm bảo tính khách quan của vấn đề. 4-Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: + Đánh giá được tính hiệu quả về thời gian, tính vạn năng, độ chính xác của các phương pháp truyền thống giải bài toán động học ngược robot. + Đề xuất một phương pháp giải bài toán ngược mới có tính tổng quát cao, có khả năng áp dụng cho tất cả các robot có cấu trúc chuỗi động học hở. Có thời gian chạy ngắn, đáp ứng được yêu cầu điều khiển thời gian thực. + Sử dụng máy tính giải bài toán động học ngược, làm cơ sở cho việc tự động hóa chuẩn bị dữ liệu điều khiển động học robot. Xây dựng được các đặc tính làm việc của biến khớp, gồm đặc tính chuyển vị, vận tốc và gia tốc. + Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở cho các hướng nghiên cứu mở rộng, nâng cao hơn nhằm tối ưu hóa hoạt động của cấu trúc chấp hành. Từ bài toán này có thể nghiên cứu về việc giữ ổn định cho cấu trúc thông qua hạ thấp trọng tâm cơ cấu, tránh va đập, dịch chuyển tối thiểu, xác định vùng làm việc… Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 -Ý nghĩa thực tiễn: + Các kết quả nghiên cứu của đề tài có thể sử dụng trong giảng dạy, nghiên cứu về robot hoặc ứng dụng vào quá trình chuẩn bị sản xuất trong thực tế. + Rút ngắn thời gian chuẩn bị dữ liệu, do việc xác định nghiệm toán học và chọn nghiệm điều khiển được nhập vào bài toán tối ưu. + Thuật toán mới dễ sử dụng hơn so với các thuật toán truyền thống nên việc tiếp cận với lĩnh vực này của robot sẽ dễ dàng hơn với tất cả mọi người. 5-Cấu trúc luận án Nội dung luận án được chia thành 4 chương, cuối luận án là kiến nghị cho hướng nghiên cứu tiếp theo, cụ thể gồm: Phần mở đầu. Chương 1: Tổng quan về các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành trên robot công nghiệp. Chương 2: Giải bài toán động học ngược trong điều khiển robot. Chương 3: Ứng dụng máy tính giải bài toán ngược và xây dựng các đặc tính động học của biến khớp. Chương 4: Tổng hợp động học cơ cấu cổ tay robot ba bậc tự do. Kết luận chung, kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo. Danh mục các công trình đã công bố của tác giả có liên quan đến đề tài luận án. Tài liệu tham khảo. Phần phụ lục của luận án.                 1000 0 )( '1' 1 iii iiiiiii iiiiiii i i i ii i i dcs sascccs casscsc AAqA    Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG CHẤP HÀNH TRÊN ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Robot công nghiệp và các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành Hệ thống chấp hành của robot công nghiệp bao gồm các khâu trên cánh tay như: - Bệ đỡ (Waist); - Vai (Shoulder); - Khuỷu tay (Elbow); - Cẳng tay (Fore arm); - Cổ tay (Wrist); - Các khớp (joint); - Bàn kẹp và các ngón kẹp (Hand); Mỗi tư thế của robot được mô tả bằng một bộ thông số gọi là các toạ độ suy rộng, thường là giá trị của các biến khớp. Tập hợp giá trị các thông số trong cả quá trình làm việc biến thiên theo một luật xác định gọi là đặc tính. Các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành gồm chuyển vị, vận tốc và gia tốc của các khâu nói trên trong không gian công tác và không gian khớp. Để lập trình chuyển động cho robot, các đặc tính chuyển vị, vận tốc, gia tốc cần mô tả dưới dạng một biểu thức giải tích là hàm của thời gian thực. 1.1.1 Hệ thống chấp hành của Robot công nghiệp Khảo sát hầu hết các định nghĩa về robot công nghiệp hiện nay, có thể thấy một điểm chung đều cho rằng “robot công nghiệp gồm phần chấp hành dạng tay máy có một số bậc tự do công tác và một hệ thống điều khiển có khả năng tái lập trình để thực hiện các công việc khác nhau.” Thực tế thì cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp có thể mô tả như sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 19 Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản của robot công nghiệp Khái niệm hệ thống chấp hành để chỉ một tay máy, phần trực tiếp thao tác những công việc được lập trình sẵn bằng một cơ cấu gắp hoặc bằng các dụng cụ mang trong cơ cấu đó. Những robot công nghiệp hay tay máy ban đầu có kết cấu phỏng sinh nên có những phần tương tự như cánh tay người, tức là cũng có khớp bả vai, khớp khuỷu tay, khớp cổ tay... Hình 1.2: Robot, bộ dạy học và bộ điều khiển Qua quá trình sáng tạo, cải tiến theo các định hướng sử dụng riêng phần cánh tay có thể có hình dáng khác xa với ban đầu mà điển hình là các robot song song. Hình 1.3: Một robot song song Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 20 Nếu như ban đầu robot chỉ gồm các khâu khớp cơ khí liên kết thành chuỗi động học thì ngày càng có nhiều robot sử dụng các phần tử truyền dẫn đa dạng hơn. Hình 1.4: Bàn tay sử dụng cơ bắp và bàn tay truyền động cơ khí Hình 1.5: Bàn tay sử dụng giác hút chân không Hình 1.6: Bàn tay sử dụng truyền động đai Hình 1.7: Cổ tay cầu truyền động song song dư 1 2 3 4 5 L D D1 D2 1 2 3 4 5 6 L D D1 D2 1 2 3 4 5 LG B Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 21 Hệ thống chấp hành của robot công nghiệp cũng là nơi ứng dụng nhiều hình thức truyền dẫn đặc chủng như: - Hộp giảm tốc bánh răng sóng; - Hộp giảm tốc chốt – con lăn; - Bộ truyền vít me – đai ốc bi; - Truyền động đai răng; - Truyền động bánh răng Epicyclic. 3 1 2 4 1075 6 8 9 14 13 12 11 12 13 11 21 3 4 105 6 7 8 9 Hình 1.8: Hộp giảm tốc bánh răng sóng ứng dụng truyền động quay thân và quay cánh tay Hiện tại hệ thống chấp hành của Robot công nghiệp sử dụng nhiều dạng năng lượng: - Truyền động điện (Robot lắp ráp cỡ nhỏ- Scara); - Truyền động thuỷ lực (Các robot cần trục mang tải lớn); - Truyền động khí nén (Yêu cầu tác động nhanh như các tay máy gạt, gắp, thay đổi dao cụ cho máy công tác). Vì tỉ số )W( )( KN KNG của các hình thức truyền động, mức độ phi tuyến của các đặc tính khác nhau nên các thông số điều khiển lực cũng khác nhau. Để chủ động tạo ra một số yếu tố có lợi cho quá trình làm việc, các thiết kế có xu hướng đưa động cơ về gần phía giá và sử dụng truyền động đai nhằm hạ thấp trọng tâm của cấu trúc (Hình 1.1), hoặc sử dụng đối trọng cho phần cánh tay như (Hình 1.9) dưới đây, cả hai thiết kế trên nhằm giảm nhỏ công suất động cơ truyền dẫn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22 Hình 1.9: Đối trọng cho cánh tay Các ví dụ nêu trên phần nào phản ánh sự đa dạng của hệ thống chấp hành không chỉ về kết cấu, hình thức dẫn động, vật liệu, mà còn cho thấy sự phức tạp trong việc điều khiển hệ thống đó của robot công nghiệp. Chương 4 của luận án phát triển hình thức truyền động đặc trưng của hệ thống chấp hành robot, là cổ tay cầu sử dụng truyền động song song dư. Dưới đây giới thiệu tổng quan về dạng truyền động này. 1.1.2 Tổng quan về cổ tay robot cầu truyền động song song dƣ Các truyền động song song dư có đặc trưng độ cứng vững cơ học cao, khả năng tải lớn do sử dụng hai đường động lực. Đồng thời còn có khả năng khử khe hở và khử chuyển động theo trong cấu trúc. Những đặc tính trên của truyền động song song dư nếu kết hợp với dạng truyền động bánh răng Epicyclic sẽ đạt được bố trí không gian nhỏ gọn, thích hợp với kết cấu của các cổ tay robot ba bậc tự do yêu cầu năng lực công tác lớn, độ tin cậy cao cho các ứng dụng quan trọng như chuyển tải vật liệu phóng xạ, thám hiểm không gian... Cổ tay là một phần trên cánh tay của robot, thông thường đây là khâu có chức năng định hướng phần công tác. Trong thiết kế thường có xu hướng lấy chiều dài các khâu thuộc cánh tay lớn hơn các khâu thuộc cổ tay, những khâu này thường giữ chức năng đưa phần công tác sơ bộ đạt được định vị cần thiết. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 23 Trên thực tế độ chính xác và linh hoạt của thao tác phụ thuộc khá nhiều vào cổ tay. Đây cũng là khâu có kết cấu phức tạp và đa dạng được nhiều tập đoàn lớn đầu tư nghiên cứu. Cổ tay (wrist) là khâu nằm giữa bàn tay (hand) và cẳng tay (forearm), đồng thời giữ vai trò liên kết các khâu này. Thông thường vì yêu cầu giảm quán tính, ưu tiên không gian thao tác lớn và hạ thấp trọng tâm phần công tác nên nguồn động lực của cổ tay và cả bàn tay được bố trí xa tâm quay của nó. Cổ tay có tối đa ba bậc tự do và thường ít gặp các cổ tay chỉ có một bậc tự do. Vì giữ chức năng định hướng nên các cơ cấu cổ tay chỉ cấu tạo từ các khớp bản lề, đó còn là lí do liên quan đến dẫn động. Cổ tay hai bậc tự do thường kết hợp với phần cơ sở có ba bậc tự do tạo thành robot năm bậc tự do. Robot kiểu này có khả năng định vị và định hướng được một đường thẳng, thường dùng cho các ứng dụng phun sơn, hàn điểm, lắp ráp hoặc cấp phôi. Chuyển động của cổ tay thường là chuyển động Roll-pitch, thiếu chuyển động Yaw. Điển hình cho kiểu robot này là họ robot Scorbot. Hình 1.10: Cổ tay robot Scorbot hai bậc tự do Các cổ tay robot ba bậc tự do nếu truyền động bánh răng Epicyclic đòi hỏi tính toán khá phức tạp. Nếu cổ tay ba bậc tự do kết hợp với phần cơ sở có đủ ba bậc tự do robot sẽ có khả năng định vị và định hướng vật thể bất kì trong không gian. Cổ tay robot có ba bậc tự do truyền dẫn bánh răng epicyclic có hai kiểu chính: - Cổ tay nghiêng (nếu các trục quay của cổ tay không tạo với nhau những góc 90 0 ), loại cổ tay này có chuyển động góc không bị giới hạn, vùng làm việc của nó là mặt cầu lí tưởng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 24 - Cổ tay thường (nếu các trục quay của cổ tay tạo với nhau góc 900), loại cổ tay này thường có 1 chuyển động pitch không toàn vòng, vùng làm việc là một phần mặt cầu. Các ứng dụng cho cổ tay kiểu này thường là phun sơn, hàn đường, lắp ráp. Cổ tay ba bậc tự do có một kết cấu đặc biệt là trường hợp ba trục khớp quay đồng quy tại một điểm gọi là tâm cổ tay, khi đó ba bậc tự do của khớp cổ tay tương đương với một khớp cầu không gian. Kiểu cổ tay này cho phép giải bài toán động học theo phương pháp truyền thống dễ dàng hơn vì tách riêng được hai thao tác định vị và định hướng phần công tác riêng biệt. Trong thực hành, thiết kế cổ tay đạt hiệu quả khi hội đủ các đặc điểm: - Ba bậc tự do; - Chuyển động cầu; - Khoảng định hướng góc lớn; - Khả năng nhận truyền động từ xa; - Kích thước gọn, trọng lượng nhẹ, quán tính thấp; - Độ lặp và độ chính xác cao; - Độ cứng cơ học cao; - Giá thành sản xuất thấp; - Thiết kế tin cậy và chắc chắn. Nếu điều khiển mạch hở cổ tay phải có khả nă._.ng khử rơ ban đầu trong cấu trúc và khử khe hở sinh ra do mòn, nhằm khắc phục độ trễ của khâu chấp hành. Nhận dạng cấu trúc phần đóng mạch của cổ tay robot truyền động song song dư đòi hỏi xây dựng một số mô hình toán học, dựa trên phương trình mạch cơ sở của bánh răng epicyclic. Các vấn đề này được trình bày trong chương 4, kết cấu của cổ tay thí nghiệm trình bày trong phụ lục của luận án. 1.1.3 Robot và các đặc tính làm việc của hệ thống chấp hành Theo sơ đồ cấu trúc cơ bản của robot (H 1.1), các thông số mà robot tiếp nhận trong quá trình làm việc có thể chia thành hai nhóm cơ bản: - Các thông số về trạng thái hệ thống; - Các thông số về trạng thái môi trường làm việc; Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 25 Như vậy liên quan đến hệ thống chấp hành ở đây chỉ có các thông số về trạng thái hệ thống. Quan tâm đến thông số điều khiển hệ thống chấp hành gồm hai nhóm thông số chính: - Các thông số điều khiển động học; - Các thông số điều khiển động lực học; Cụ thể hơn, các thông số thuộc nhóm động học gồm: (1). Vị trí và định hướng của khâu tác động cuối trong không gian công tác; (2). Vị trí và định hướng của khâu tác động cuối trong không gian khớp; (3). Vận tốc và gia tốc của khâu tác động cuối trong từng động trình trên ngõ ra; (4). Vận tốc và gia tốc của khâu tác động cuối trong từng động trình trên ngõ vào; Các thông tin (2,4) thường là kết quả của việc giải bài toán ngược, chúng được sử dụng làm thông số điều khiển động học cấu trúc chấp hành. Các thông tin (1,3) thường được mô tả tại các điểm chốt của quỹ đạo, vì vậy để có thông số điều khiển cho cả động trình thông thường cần thêm một thao tác nội suy số liệu trung gian. Tóm lại bài toán động học đòi hỏi các thông tin về chuyển vị của từng khâu (qi) trong không gian khớp, và các đạo hàm cấp 1, cấp 2 của nó. Các thông số thuộc nhóm động lực học phục vụ điều khiển gồm: (5). Lực suy rộng (Lực hoặc mômen tối thiểu đặt vào khớp để phát động chuyển động). Thông thường robot công nghiệp hiện đại duy trì cả hai mạch điều khiển lực và điều khiển chuyển vị. Vì vậy có thể nói 5 nhóm thông tin trên là các thông số cơ bản để điều khiển robot hoạt động. Trong quá trình làm việc vị trí và định hướng của robot có thể sai lệch do các nguyên nhân khác nhau, bản thân cấu trúc có thể bị biến dạng dưới tác dụng của ngoại lực trong quá trình làm việc. Nhằm hiệu chỉnh các sai lệch này có thể sử dụng các giải thuật bù, điều này dẫn đến các thông số làm việc của robot có thể bao gồm cả các thông số bù: (6). Các thông số bù sai lệch định vị; (7). Các thông số bù sai lệch định hướng; Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 26 (8). Các thông số bù sai lệch hình dáng do biến dạng dưới tác dụng ngoại lực. 1.1.4 Khởi tạo, đo đếm và truyền thông số Dữ liệu phục vụ điều khiển phụ thuộc vào phương thức điều khiển. Trong phân loại robot theo tiêu chuẩn Nhật, có một nhóm robot điều khiển bằng tay dựa trên nguyên lý tương tự. Loại robot này chấp nhận dữ liệu điều khiển động học là chuyển vị của cơ cấu mẫu gắn với tay người thao tác. Sự hồi tiếp lực cho phép người công nhân cảm nhận được tải trọng của cơ cấu chấp hành. Kỹ thuật dạy hoc (Teach - in), sử dụng một bộ điều khiển và một thiết bị Remote – control (Hình 1.1), xác nhận dữ liệu vị trí và định hướng của khâu chấp hành cuối thông qua các cảm biến gắn với cơ cấu chấp hành. Trong khi đó kỹ thuật xử lí ảnh thường được ứng dụng để tìm đường đi cho các Mobile – robot. Hình 1.11: Mobile robot Chẳng hạn robot di động như H 1.10, thông số động học được hình thành trên cơ sở thông thông tin cung cấp bởi các cảm biến gồm: - 10 cảm biến siêu âm với độ phân giải )(5 mm ; - 1 máy dò vị trí; - 17 cảm biến tương tự; - 5 cảm biến hồng ngoại; - 18 cảm biến kỹ thuật số. Các cơ cấu điều khiển bằng công tắc hành trình cứng không được chấp nhận là robot, vì vậy phương thức điều khiển tiếp theo ứng dụng cho robot là điều khiển số. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 27 Các tế bào tự động trong sản xuất linh hoạt được điều khiển số như robot hoặc máy CNC thường chấp nhận dữ liệu đầu vào từ nhiều nguồn khác nhau (H 2.4). Trong điều khiển số thông số làm việc được giám sát liên tục thông qua các cảm biến gắn với hệ thống truyền động, thông thường có hai khả năng chính khi bố trí các cảm biến vị trí: - Nếu truyền động mạch hở (đòi hỏi độ trễ truyền động cơ khí nhỏ), lượng dịch chuyển được xác định ngay trên trục động cơ; - Nếu điều khiển mạch kín, chuyển vị được xác định trên khâu chấp hành. Thiết bị thông dụng để xác định chuyển vị là các Encorder dựa trên nguyên lí quang điện. Hình 1.12: Kết cấu và nguyên lí hoạt động của Encorder Các giới hạn chuyển vị được nhận biết bằng các khoá chuyển mạch. Hình 1.13: Hai kiểu khoá chuyển mạch thông dụng Trong điều khiển thông minh, dữ liệu được hình thành dựa trên các suy luận ảo của mạng nơron. Lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy control) sẽ tự động xây dựng thông số làm việc dựa trên những luật điều khiển đã được huấn luyện trước. Đây là phương thức điều khiển có nhiều triển vọng hiện đang được tiếp tục nghiên cứu. Một hình thức khởi tạo tín hiệu đặc biệt khác bước đầu đã thu được kết quả rất khả quan là sử dụng xung điện của não bộ đã khuyếch đại điều khiển các chi nhân tạo của người tàn tật. Nếu chi đó là tay máy gắn vào tay người sử dụng, cần hiểu rằng tay máy này không thuộc nhóm điều khiển bằng tay. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 28 Trong [8] còn trình bày hệ thống tự động linh hoạt Tipros-90 gồm các robot công nghiệp nhận tín hiệu điều khiển bằng tiếng nói. Để truyền dữ liệu hai chiều giữa robot và bộ điều khiển thường sử dụng sơ đồ kết nối: Máy tính nối với Controller-USB thông qua modul USB, modul này lại nối với robot thông qua cable giao diện, có thể sử dụng các cổng tín hiệu số hoặc tương tự. 1.2 Robot và các bài toán cơ học cơ cấu chấp hành Các bài toán cơ học cơ cấu là căn cứ xác định các thông số làm việc của hệ thống chấp hành, việc điều khiển robot không thể không dựa trên các mô hình động học và động lực học cơ cấu. Thông thường thông tin về quỹ đạo trong không gian khớp, nhận được khi giải bài toán động học ngược được sử dụng để điều khiển chuyển vị. Thông tin về lực tổng quát dựa trên các mô hình động lực học của Newton- Euler, Đalambe, hay Lagrange là cơ sở thiết kế các sơ đồ điều khiển lực. 1.2.1 Động học Động học nghiên cứu chuyển động nhưng không xét đến các lực hoặc các mômen gây ra chuyển động. Động học chỉ xét vị trí, vận tốc, gia tốc và các đạo hàm cấp cao của các biến vị trí theo thời gian hoặc theo các biến khác. Do đó động học chỉ đề cập các tính chất hình học và thời gian của chuyển động. Các biến khớp của cơ cấu chấp hành liên quan đến vị trí và định hướng của đầu tác động theo các ràng buộc của các khớp đó. Các quan hệ động học này là tiêu điểm nghiên cứu động học các cơ cấu chấp hành robot. Nghiên cứu này có thể tiếp cận theo hai quan điểm giải tích động học và tổng hợp động học, hai quan điểm này có liên quan chặt chẽ với nhau. 1.2.1.1 Bài toán giải tích động học Giải tích động học nghiên cứu về đạo hàm, vi phân, tích phân của các chuyển động tương đối. Có hai kiểu bài toán giải tích động học là động học thuận và động học ngược. Trong lập trình cơ cấu chấp hành, tập hợp các vị trí và định hướng mong muốn, các đạo hàm thời gian của vị trí và định hướng của đầu tác động, được chuyên biệt trong không gian. Vấn đề là tìm mọi tập hợp khả dĩ của các biến khớp động, là các đạo hàm thời gian tương ứng của chúng để đầu tác động đạt vị trí và Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 định hướng mong muốn với các đặc tính chuyển động theo yêu cầu. Vấn đề này được gọi là động học ngược. Mặt khác, đôi khi các biến khớp động và các đạo hàm thời gian của chúng có thể nhận được từ các cảm biến lắp trong khớp, từ đó có thể tìm mọi tập hợp khả dĩ về vị trí và định hướng của đầu tác động và các đạo hàm thời gian tương ứng của chúng. Điều này được gọi là động học thuận. Vấn đề về động học thuận và động học ngược đều có thể giải quyết bằng nhiều phương pháp giải tích, chẳng hạn giải tích véc tơ hình học, đại số ma trận,… 1.2.1.2 Bài toán tổng hợp động học Tổng hợp động học là quá trình ngược của giải tích động học. Trong trường hợp này cần thiết kế cơ cấu chấp hành có các tính chất động học mong muốn. Đặc biệt, với tập hợp các vị trí và định hướng của đầu chấp hành đã biết và các đạo hàm của chúng trong không gian, cần xác định các biến khớp động tương ứng, kiểu loại và dạng hình học của cơ cấu chấp hành. Vấn đề tổng hợp động học có thể được chia thành ba giai đoạn liên quan là tổng hợp kiểu loại, tổng hợp số lượng và tổng hợp chiều. 1.2.2 Tĩnh học Tĩnh học nghiên cứu các quan hệ lực tạo ra sự cân bằng giữa các thành phần khác nhau cuả cơ cấu chấp hành. Cơ cấu này có thể hoạt động do lực phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, chẳng hạn trọng lực, lực ma sát, lực quán tính, lực do tải…Các lực này phải được xem xét trong giai đoạn thiết kế cơ cấu chấp hành của robot. Về nguyên tắc lực quán tính không được xem xét trong phân tích tĩnh học. Các lực cân bằng phụ thuộc vào cấu hình của cơ cấu chấp hành nhưng không phụ thuộc vào thời gian. 1.2.3 Động lực học Động lực học nghiên cứu các lực, mômen cần thiết để gây ra chuyển động của hệ các vật thể. Nghiên cứu về lực quán tính là một trong những vấn đề chính. Động lực học cơ cấu chấp hành robot là vấn đề rất phức tạp. Nói chung, bộ tác động cuối chuyển động theo đường dẫn cho trước với các đặc tính chuyển động theo yêu cầu. tập hợp các chức năng lực, mômen được áp dụng tại các khớp động để tạo ra chuyển động đó. Các lực và mômen này không chỉ phụ thuộc vào các thuộc tính Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 30 không gian và thời gian của quỹ đạo cho trước mà còn phụ thuộc vào các tính chất khối lượng của khâu, tải trọng, các ngoại lực… Động lực học cơ cấu chấp hành robot có thể được xem xét theo hai quan điểm, giải tích động lực học và tổng hợp động lực học. 1.2.3.1 Giải tích động lực học Nghiên cứu các phương trình chuyển động của các cơ cấu cho trước. Có hai kiểu bài toán giải tích động lực học là bài toán động lực học thuận, và bài toán động lực học đảo. Động lực học thuận có thể hiểu như sau: Cho một tập hợp các hàm mômen và lực khớp kích hoạt, hãy tính chuyển động của đầu tác động theo hàm thời gian. Động lực học đảo có thể được hiểu như sau: Cho quỹ đạo của đầu tác động theo hàm thời gian, hãy tìm tập hợp các hàm lực hoặc mômen khớp động tạo ra chuyển động đó. Hiệu suất tính toán của động lực học thuận không yêu cầu cao, do chủ yếu chỉ được dùng cho các mô phỏng cơ cấu chấp hành robot trên máy tính. Mặt khác mô hình động lực học đảo hiệu quả là rất quan trọng với điều khiển thời gian thực. 1.2.3.2 Tổng hợp động lực học Là quy trình ngược của giải tích động lực học, đặc biệt là khi thiết kế các cơ cấu chấp hành robot với các đặc tính chuyển động động lực mong muốn. Bài toán tổng hợp động lực phức tạp hơn giải tích động học. 1.3 Một số nghiên cứu về tổng hợp thông số làm việc của hệ thống Như trình bày ở trên số lượng các thông số làm việc của hệ thống chấp hành là rất lớn. Việc xác định nhanh chóng, chính xác các thông số này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong điều khiển robot. Cấu trúc chấp hành của robot là một hệ có độ phức tạp cao, các nghiên cứu lý thuyết cổ điển bằng công cụ giải tích thường gặp khó khăn ở điểm này. Chẳng hạn các mô hình động lực học dưới dạng giải tích thường quá dài nên thiếu đi ý nghĩa thực tế trong sử dụng. Vì vậy với động lực học hiện thời có hai hướng giải quyết cho vấn đề này: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31 - Biểu diễn các phương trình động lực học dưới dạng số phức; - Khảo sát thực nghiệm hệ thống để xác định các thông số làm việc. Các đặc tính động lực học có thể đạt được bằng cách khảo sát hệ thực với đầu đo gia tốc, dựa trên quan hệ tích phân giữa các đại lượng có thể xác định được các thông tin liên quan. Hiện nay mô phỏng và thực nghiệm là hai hướng nghiên cứu phát triển mạnh trong lĩnh vực xác định các thông số làm việc của hệ thống chấp hành, điều này có nguyên nhân một phần từ sự bế tắc của các nghiên cứu lý thuyết khi áp dụng các mô hình giải tích vào một hệ cấu trúc phức tạp như robot. Do ý nghĩa đặc biệt quan trọng của thông số làm việc, nên đã và đang có khá nhiều công trình nghiên cứu tập trung vào làm rõ hơn các bài toán cơ học cơ cấu chấp hành. Bài toán động học và động lực học cơ cấu song song được cho là vẫn còn nhiều vấn đề chưa rõ ràng khi khảo sát bằng giải tích. Có một số nghiên cứu tập trung cải thiện tốc độ đáp ứng của cơ cấu chấp hành với tín hiệu điều khiển, trong khi robot phải bám quỹ đạo tốt hơn và phản ứng nhanh hơn thì bộ điều khiển có yêu cầu nhỏ gọn hơn và sử dụng năng lượng hợp lí hơn. Các hướng nghiên cứu về cải tiến hệ truyền động cho robot, nhằm nâng cao hiệu suất và năng lực của hệ thống chấp hành, chẳng hạn các nghiên cứu về điều khiển động cơ tuyến tính để truyền động trực tiếp chuyển động tịnh tiến. Các hướng nghiên cứu về bù sai số bằng cách sử dụng hàm định dạng cho các thiết bị điều khiển số nói chung như máy công cụ, robot công nghiệp. Trong lĩnh vực động học robot có thể nêu một số nghiên cứu tương cận với đề tài của luận án này như: - Phương pháp hoạ đồ véc tơ vị trí có thể sử dụng cho các cơ cấu phẳng đơn giản. - Nghiên cứu của Pieper sử dụng phép biến đổi đồng nhất xác định các phương trình ứng với các phần tử vuông góc, thể hiện ở hàm sin và cos thích hợp. Từ đó tính góc thông qua hàm arctg hai biến, hàm này có thể nhận giá trị thực hoặc giá trị phức nếu hàm nhận giá trị phức tương ứng với trường hợp vô nghiệm. Thông thường phương pháp này áp dụng tốt với những robot đơn giản. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 - Nghiên cứu của Nguyễn Thiện Phúc, năm 1996 “Về một phương pháp giải bài toán ngược động học khi tổng hợp quỹ đạo chuyển động của người máy”. - Nghiên cứu của Nguyễn Thiện Phúc, năm 1997 “Điều khiển chuyển động của robot hàn theo quỹ đạo định trước”. - Nghiên cứu của Nguyễn Thiện Phúc, năm 1999 “Phát triển phương pháp các nhóm ba để giải bài toán ngược động học khi tổng hợp quỹ đạo chuyển động của tay máy- người máy”. - Trong [8], tác giả Nguyễn Thiện Phúc cũng trình bày về phương pháp giải gần đúng nghiệm của hệ phương trình động học ngược robot trên cơ sở khai triển Taylor, đây là một trong các phương pháp số tìm ra kết quả thông qua một quá trình lặp. - Nghiên cứu của Fu. K. S. Gonzater R. C., Lee C. S. G., năm 1987 “Giải bài toán động học ngược của robot Puma theo phương pháp hình học”. - Nghiên cứu của Paul R. P., năm 1981 “Phương pháp biến đổi ngược các ma trận thuần nhất 4x4 giải bài toán động học ngược robot Stanford”. Nhược điểm của các phương pháp này là chưa có cách chung để xác định một lời giải có thể thích hợp ngay trong số khá nhiều lời giải có thể tồn tại. Cũng có thể thấy có rất nhiều học giả phát triển các phương pháp số mang tên mình để giải bài toán động học ngược robot như: - Phương pháp loại trừ thẩm tách Sylvester; - Phương pháp Raghavan và Roth; - Phương pháp Tsai-Morgan; - Phương pháp Newton-Raphson. Đặc điểm chung của các phương pháp số như [8], nhận xét là “Có thể không đưa đến lời giải vì các hàm siêu việt không phải lúc nào cũng có độ hội tụ”. Nhận thấy phương pháp Newton-Raphson có chi phí tính toán lớn và không phải lúc nào cũng hội tụ vì phụ thuộc vào điều kiện đầu. Có thể sử dụng chuỗi Taylor và ma trận Jacobi để viết phương trình xấp xỉ toạ độ đầu, dùng phương trình xấp xỉ đó để xây dựng thuật toán hội tụ tới nghiệm yêu cầu. Thuật toán hội tụ có 2 kiểu là sai phân tới và sai phân lùi. Sử dụng lược đồ sai phân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 tới khi muốn có kết quả nhanh song sai số tích lũy sẽ khá lớn qua nhiều bước lấy mẫu vì phương pháp này không cho kết quả chính xác theo yêu cầu cho trước. Sử dụng lược đồ sai phân lùi có thể cho kết quả chính xác tùy ý (có thể đạt tới 1e-12), tuy nhiên phải giải lặp lại từng bước lấy mẫu. Gần đây xuất hiện thêm phương pháp dịch chuyển vi phân giải bài toán động học ngược, trong cách làm này các chuyển động giả thiết là rất nhỏ nhằm tuyến tính hoá các đại lượng siêu việt bằng cách xấp xỉ chúng với giá trị thực trong hàm khi tính góc bằng đơn vị Radian. Tại Vica 6 (2005) có một số công trình ứng dụng kỹ thuật xử lí ảnh để từ đó xây dựng thông tin điều khiển thay cho giải bài toán ngược. Cách làm này có thể xử lí với 1 hay nhiều camera, song chưa có báo cáo nào ứng dụng kỹ thuật này cho robot công nghiệp. Tại các diễn đàn www.hitecvnonline.com; Các thành viên có nêu ra một phương pháp khác cho bài toán động học ngược: Đầu tiên đặt trục tọa độ lên các khớp theo phương pháp đã biến đổi (hệ tọa độ khớp i đặt trên trục khớp i, thay vì dùng phương pháp chính tắc hệ toạ độ i đặt trên trục i-1). Phương pháp này đơn giản ở chỗ khi tính ma trận xoay giữa các khớp, ở cột thứ 4 sẽ ko có biến xoay nên không có các hàm siêu việt cos hay sin. Sau đó lựa chọn khớp có đặc trưng nhất cho robot. Khi tính phương trình động học thuận T6 = A1.A2...A6, từ đó nhân nghịch đảo các ma trận để tìm động học ngược, có thể thấy một đặc điểm là phải nhân nghịch đảo đến khi nào mà ở cột thứ 4 của ma trận kết quả của 1 trong 2 vế phương trình xuất hiện một thành phần là hằng số. Tại đó, khớp đã nhân nghịch đảo ở phép tính trước được gọi là khớp đặc trưng nhất của Robot. Phương pháp này không giải thích được làm thế nào tìm khớp đặc trưng của robot, đây cũng là một yếu tố mang tính kinh nghiệm thực hành. Phương pháp này cũng có khó khăn với các tay máy mà có hệ quy chiếu O6 không trùng với các hệ trước đó (thường gặp ở tay máy Nhật). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 Tất cả các nghiên cứu nêu trên dù có lịch sử khá lâu dài, với quan điểm và cách thực hiện khác nhau song có thể thấy việc tìm kiếm một phương pháp có tính tổng quát cho bài toán động học ngược robot vẫn chưa kết thúc. 1.4 Hƣớng nghiên cứu của đề tài Robot đầu tiên xuất hiện vào những năm 1940, sau 70 năm được các cường quốc về khoa học công nghệ phát triển, là tiêu điểm của nhiều tập đoàn công nghiệp đa quốc gia và xuyên quốc gia. Có những vấn đề về robot tưởng như đã tiệm tiến đến sự hoàn hảo, song luôn có những giới hạn bị phá vỡ do trình độ khoa học công nghệ ngày càng cao. Nhằm có được những nghiên cứu mới để ứng dụng và khai thác triệt để những tính năng ưu việt của robot công nghiệp. Đồng thời ứng dụng máy tính vào việc chuẩn bị dữ liệu điều khiển động học robot. Tác giả luận án định hướng nghiên cứu theo những mục tiêu sau đây: - Xây dựng một mô hình mới cho bài toán động học ngược robot, có tính tổng quát cao, có ưu thế về thời gian thực hiện so với các mô hình khác. - Lựa chọn giải thuật phù hợp với bài toán trên hai tiêu chí phù hợp về chức năng và thời gian thực hiện ngắn nhất. - Xây dựng một chương trình máy tính có chức năng giải bài toán ngược cho tất cả các robot cấu trúc chuỗi động học hở, trên cơ sở thuật toán đề xuất. - Kiểm nghiệm lại tính xác thực của bài toán với các robot được lựa chọn đặc trưng cho các nhóm cấu trúc hở khác nhau. - Nghiên cứu, thiết kế cơ cấu cổ tay robot cầu ba bậc tự do truyền dẫn song song dư để khử khe hở trong bộ truyền cơ khí, ứng dụng cho các mục đích đòi hỏi độ cứng vững cơ học cao và khả năng tải lớn. 1.5 Kết luận chƣơng 1 Xác định nhanh chóng và chính xác các thông số làm việc của hệ thống chấp hành phục vụ điều khiển robot là một vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn. Chỉ có xây dựng được những thuật toán hiệu quả giải quyết vấn đề này mới giúp làm chủ thực sự các quá trình động học và động lực học robot, đặc biệt là các robot có nhiều bậc tự do. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35 Vì số lượng các thông số làm việc như trình bày ở trên là khá lớn, trong luận án giới hạn vấn đề nghiên cứu ở lĩnh vực động học mà chủ yếu tập trung vào bài toán ngược. Một trong những điểm mấu chốt để robot phản ứng nhanh hơn với tín hiệu điều khiển là rút ngắn thời gian xây dựng dữ liệu động học. Khi tốc độ của các cụm điện toán bị giới hạn ở trình độ nhất định thì hướng can thiệp vào tốc độ giải bài toán động học là xây dựng một giải thuật mới, tính tổng quát và tốc độ hội tụ cao. Cách làm truyền thống là xác định tất cả các nghiệm toán học, sau đó lại loại bỏ các nghiệm không hợp lí. Như vậy việc giải bài toán ngược động học bị kéo dài vô ích. Trình tự giải bài toán ngược cho các robot khác nhau thường khác nhau, các bước lại có thể không tuân theo trật tự cố định. Nhằm khắc phục thiếu sót này luận án sẽ xây dựng một giải thuật có khả năng ứng dụng cho tất cả các cấu trúc robot hở khác nhau không bị giới hạn bởi số bậc tự do, với thời gian chạy ngắn hơn, dễ sử dụng hơn các phương pháp truyền thống. Trên cơ sở giải thuật đề xuất, xây dựng một chương trình máy tính hỗ trợ chuẩn bị dữ liệu điều khiển động học robot. Các vấn đề kỹ thuật cao như robot công nghiệp vốn khó tiếp cận với tất cả mọi người nói chung, việc tạo ra những phương pháp xác định các thông số làm việc của hệ thống chấp hành đơn giản và hiệu quả, không chỉ có ý nghĩa khoa học và thực tiễn mà còn có tính cấp bách, nhất là trong điều kiện nền sản xuất tự động linh hoạt của Việt Nam mới bắt đầu hội nhập với thế giới.                 1000 0 )( '1' 1 iii iiiiiii iiiiiii i i i ii i i dcs sascccs casscsc AAqA    Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 CHƢƠNG 2 - GIẢI BÀI TOÁN NGƢỢC TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG HỌC ROBOT 2.1. Chất lƣợng quá trình làm việc của robot công nghiệp Chất lượng quá trình làm việc được dùng làm căn cứ, đánh giá ảnh hưởng theo những chiều hướng khác nhau khi can thiệp vào một thông số điều khiển. Quá trình làm việc có chất lượng tốt được hiểu theo những nghĩa sau: Sai lệch quỹ đạo trong giới hạn cho phép, đây là tiêu chí nói lên độ chính xác về mặt động học cơ cấu. Sai số quỹ đạo có hai nguyên nhân chính là cơ cấu không đáp ứng độ chính xác cần thiết, hoặc điều khiển không đáp ứng độ chính xác cần thiết. Nếu nguyên nhân thuộc về điều khiển thì cần được tiếp tục làm rõ do độ phân giải của thiết bị điều khiển không đủ (lí do về phần cứng), hoặc do giải thuật điều khiển không đáp ứng được (nguyên nhân do chuẩn bị điều khiển không đáp ứng yêu cầu gồm không đáp ứng được độ chính xác cần thiết hoặc không đáp ứng tốc độ tính toán cần thiết). Hình 2.1: Các dạng sai số lặp lại Hình 2.2: Trễ trong hệ thống truyền động nhiều trục Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 37 Robot có thể thực hiện chính xác một quỹ đạo nào đó lặp đi lặp lại nhiều lần hay không, liên quan đến độ chính xác động học khi đảo chiều chuyển động, chính xác là khả năng khử khe hở mặt bên của bộ truyền cơ khí. Chất lượng của quá trình làm việc còn đánh giá thông qua ổn định động lực học, trong những chế độ làm việc đặc trưng khác nhau, như vận tốc, gia tốc, xung động và va chạm. Robot công nghiệp hiện đại thường duy trì cả hai mạch điều khiển là điều khiển chuyển vị trên cơ sở bài toán động học ngược, và điều khiển lực trên cơ sở mô hình động lực học hệ thống. Trong chương này đề cập đến việc xây dựng dữ liệu đầu vào cho bài toán điều khiển chuyển vị, trên cơ sở tìm kiếm một thuật toán mới cho bài toán động học ngược. 2.2. Dữ liệu của bài toán động học robot 2.2.1. Vị trí của bài toán ngƣợc trong điều khiển Nhiệm vụ của phần công tác được thiết lập trong không gian công tác, trong khi tác động điều khiển lại đặt vào khớp, nên biến khớp là đối tượng điều khiển trực tiếp. Vì vậy bài toán động học ngược bao giờ cũng phải được giải, nhưng vị trí của nó khác nhau giữa trường hợp điều khiển trong không gian khớp và điều khiển trong không gian công tác. Khi điều khiển trong không gian khớp, bài toán động học ngược được giải trước để chuyển các thông số từ không gian công tác sang không gian khớp. Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển trong không gian khớp Hình 2.4: Sơ đồ điều khiển trong không gian công tác Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 38 Ở sơ đồ điều khiển trong không gian công tác, bài toán ngược được giải trong mạch phản hồi. Có thể thấy dữ liệu của bài toán động học chia thành hai nhóm: Nhóm thông số gồm các yếu tố có thể xác định được dựa trên thiết kế của robot như: - Chiều dài khâu (đo theo đường nối tâm hai khớp của nó, kích thước kí hiệu d trên bảng DH). - Khoảng cách giữa hai gốc hệ quy chiếu kề nhau không cùng 1 khâu (đo theo phương trục khớp, kích thước kí hiệu a trong bảng DH). - Góc xoắn của khâu (kích thước kí hiệu  trong bảng DH). Các thông tin này đều đã biết trước trong cả bài toán thuận và bài toán ngược. Nhóm thứ hai là biến khớp: Bao gồm lượng tịnh tiến của khớp tịnh tiến hoặc góc quay của khớp quay các giá trị này là đầu ra của bài toán động học ngược. Trong bài toán thuận đây là thông tin biết trước. Để giải bài toán ngược cần xác định thêm thông tin về phần chấp hành (vị trí và hướng), dữ liệu này do người sử dụng đưa ra trong bài toán ngược. 2.2.2. Các phƣơng pháp xây dựng dữ liệu động học Trong quá trình sử dụng một robot công nghiệp, các khả năng công nghệ tiêu chuẩn có thể không thỏa mãn những yêu cầu thực tế. Nếu gặp trường hợp cần điều khiển robot di chuyển theo một quỹ đạo phức tạp hơn so với khả năng của bộ nội suy, việc xây dựng dữ liệu điều khiển là cần thiết. Giao diện qua cổng USB với file NC code viết theo chuẩn lập trình do nhà sản xuất quy định thường là lựa chọn trong trường hợp này. Cấu trúc kết cấu của robot cho phép nó thực hiện các chuyển động không gian phức tạp, đồng thời cấu trúc điều khiển cho phép nhận tín hiệu chỉ huy từ nhiều nguồn khác nhau. Do vậy khả năng công nghệ của robot chỉ phụ thuộc vào phương thức chuẩn bị và truyền dữ liệu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 39 Hình 2.5: Giao diện của robot Trong trường hợp không cần độ chính xác cao, dữ liệu động học được tạo ra từ thiết bị điều khiển từ xa, kết hợp với kỹ thuật dạy học. Dữ liệu động học có thể tiến hành nội suy trên cụm điện toán của robot nếu có dạng phù hợp với thiết bị nội suy trang bị, chẳng hạn đường thẳng, cung tròn. Kết nối qua cổng USB đòi hỏi xây dựng mô hình toán học của đường dịch chuyển, vấn đề chính ở đây là khối lượng tính toán bài toán ngược, vì các điểm keypoint có số lượng lớn sẽ đảm bảo độ chính xác. 2.3. Bài toán động học trên quan điểm điều khiển thời gian thực 2.3.1. Một số vấn đề cơ bản về động học robot Robot công nghiệp là một thiết bị điều khiển nhiều trục đồng thời, bài toán động học robot được nghiên cứu trên hai phương diện chính là tổng hợp động học và phân tích động học. Trong đó bài toán tổng hợp động học giải quyết các vấn đề về số lượng, kiểu, kích thước của các khâu (link) và các khớp (joint) hợp thành chuỗi động học (chain). Bài toán phân tích động học có hai nội dung là động học thuận, và động học ngược. Nghiệm của bài toán động học ngược là một trong các thông tin quan trọng để điều khiển robot hoạt động, trong đó cần quan tâm đến tốc độ hình thành lời giải và độ chính xác của lời giải bài toán ngược vì những yếu tố này quyết định chất lượng điều khiển cũng như khả năng điều khiển thời gian thực. Động học robot yêu cầu quản lí được vị trí và hướng của các khâu so với nhau và so với vật chuẩn chung. Cần xác định các hệ quy chiếu duy nhất gắn với từng khâu của cấu trúc, định hướng giữa hai khâu trong cấu trúc là hướng giữa hai hệ quy chiếu gắn với chúng. Vị trí của các khâu đặc trưng bởi gốc hệ quy chiếu gắn với nó. Có hai quy tắc xác định các hệ quy chiếu gắn với từng khâu thường sử dụng là quy tắc DH, và quy tắc chuyển vị xoắn liên tiếp [10]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 40 Trên cơ sở các quy tắc này có thể sử dụng phương pháp ma trận truyền để xác định vị trí và định hướng của hai khâu bất kì trong chuỗi động so với nhau hoặc so với giá, trong đó vị trí và định hướng của khâu tác động sau cùng gắn với bàn kẹp mô tả trong hệ quy chiếu cơ sở thường được gọi là phương trình động học thuận (dạng ma trận), hoặc hệ phương trình động học thuận (dưới dạng đại số). Cách thông thường nhất để xây dựng phương trình động học ngược là dựa trên quan hệ véc tơ vòng kín, như vậy phương trình có thể được viết từ bất cứ điểm nào thuộc xích. Vì thể hiện dưới dạng ma trận nên để chuyển một biến nào đó sang vế đối diện của phương trình phải nhân cả hai vế của phương trình hiện có với nghịch đảo của ma trận chứa biến đó. Bằng kỹ thuật đó sau khi biến đổi phương trình vòng kín đến một bước phù hợp theo nhận định của người giải bài toán, sẽ rút dần các ẩn số làm hệ suy biến và xác định toàn bộ các biến của hệ [8]. Bài toán động học ngược trở nên đặc biệt khó giải trong trường hợp số biến 6n , với lý do hệ phi tuyến (gồm các hàm siêu việt), và các biến liên kết [8]. Trong trường hợp này thường không giải hệ bằng cách biến đổi phương trình vòng kín mà dùng các phương pháp số, có thể tham khảo các phương pháp điển hình sau đây: - Phương pháp loại trừ thẩm tách Sylvester [10]. - Phương pháp dựa trên khai triển chuỗi Taylor [8]. - Phương pháp RAGHAVAN và ROTH [10]. - Phương pháp Tsai-Morgan [10]. - Phương pháp Newton-Rapson [17]. Theo [8] “Một số loại robot 6n chỉ tồn tại lời giải bằng phương pháp số, việc giải bài toán động họ._.5.1: Cơ cấu cổ tay T3 Cơ cấu cổ tay T3 như trên có chuyển động quay toàn vòng quanh các trục z1 đến z3 nên vùng làm việc là mặt cầu lí tưởng, tuy nhiên loại này chế tạo và lắp ráp khó. Kiểu cổ tay thứ hai là cổ tay Bendix, bị hạn chế chuyển động pitch nên vùng làm việc của cổ tay kiểu này chỉ là một phần mặt cầu. Hình 5.2: Cổ tay Bendix 4.1.2. Phân loại theo số khâu hợp thành Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 119 4.1.2.1. Cổ tay bảy khâu c 1 2 b 7 4 5 6 a b 3 Hình 5.3: Cổ tay bảy khâu 4.1.2.2. Các cổ tay tám khâu trên cơ sở cổ tay bảy khâu Ngoài các bánh răng lắp trên các trục khớp, nếu đưa thêm bánh răng trung gian vào điểm giữa các trục khớp sẽ hình thành ra cơ cấu dẫn xuất. Bằng cách này có thể cấu trúc các cổ tay tám khâu trên cơ sở cổ tay bảy khâu như sau: b 1 2 3 8 5 7 6 4 c b m b b m 1 65 a 2 7 3 8 4 c b b m 1 6 5 a 2 7 3 8 4 c Hình 5.4: Các cổ tay tám khâu trên cơ sở cổ tay bảy khâu 4.1.2.3. Các cổ tay tám khâu Các cổ tay tám khâu theo đúng định nghĩa là các cổ tay không có bánh răng trung gian giữa các trục khớp quay của cơ cấu. 5 7 6 8 3 4 ca b 1 b 2 5 6 3 7 4 c 8 a b 1 b 2 5 6 3 8 4 c 7 b 1 2 a b Hình 5.5: Các cổ tay tám khâu 4.1.2.4. Cổ tay chín khâu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 120 b 1 2 a b 5 7 6 9 3 4 c 8 Hình 5.6: Cổ tay chín khâu 4.2. Động học cơ cấu bánh răng nón vi sai 4.2.1. Phƣơng trình mạch cơ sở Để tổng hợp cấu trúc cần có các mô hình mạch cơ sở làm căn cứ, các mạch cơ sở có phương trình động học của nó khi kết hợp với điều kiện đồng trục tạo nên những hệ phương trình có thể giải được. Nghiệm của hệ này là vận tốc góc của các khâu thuộc hệ. Xét một hệ hai bánh răng ăn khớp ngoài với một khâu nền (k) như hình vẽ: i j k Hình 5.7: Cặp bánh răng ăn khớp ngoài Phương trình mạch cơ sở liên hệ với độ dịch chuyển góc của các bánh răng là: jkjiki N  , (5.1) Trong đó ik và jk là dịch chuyển góc của bánh răng i và j tương ứng so với giá đỡ k. Tỉ số truyền của cặp bánh răng là i j T T N  ; Với T kí hiệu số răng (Teeth). Từ đó có thể rút ra: jkik   và ji ij N N 1  Đạo hàm hai vế phương trình (5.1) theo thời gian có quan hệ vận tốc góc của các khâu: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 121 jkjiik N   (5.2) 4.2.2. Điều kiện đồng trục Nếu i, j, k là ba khâu đồng trục, dịch chuyển góc tương đối dọc theo các khâu đồng trục này quan hệ với nhau theo quy luật chuỗi: jkikij   (5.3) Tập hợp các phương trình (5.1) đến (5.3) là mô hình động học cho phép xác định vận tốc góc các khâu. 4.3. Tổng hợp cấu trúc động học cổ tay robot cầu ba bậc tự do Có nhiều phương pháp để tổng hợp cấu trúc động học: - Phương pháp bảng; - Phương pháp vận tốc; - Phương pháp năng lượng; - Phương pháp vòng véc tơ vận tốc. Trong mục này tiến hành tổng hợp cấu trúc phần đóng mạch cho một cơ cấu cổ tay cầu theo phương pháp năng lượng, sau đó xác định kết cấu cụ thể của cổ tay này. 4.3.1. Giới thiệu chung về cổ tay cầu có phần đóng mạch Đối với các cơ cấu cổ tay cầu như phân loại ở trên, trong quá trình chế tạo lắp ráp các cụm bánh răng nón khó tránh khỏi khe hở, nếu khử hết khe hở ban đầu thì trong quá trình làm việc hiện tượng này vẫn xuất hiện do các khâu ma sát với nhau bị mòn theo thời gian. Hậu quả của hiện tượng này là khe hở mặt bên của bộ truyền bánh răng làm ảnh hưởng đến độ trễ của khâu được điều khiển. Nếu điều khiển mạch kín, tín hiệu phản hồi lấy về bộ điều khiển từ khâu tác động cuối có thể khắc phục được hiện tượng này, tuy nhiên khí đó độ cứng cơ học của cấu trúc không cao. Trong điều khiển mạch hở để phần cơ khí có thể tự bù được khe hở mặt bên trong bộ truyền bánh răng, thường sử dụng các đường dẫn song song dư. Cấu trúc này khử được khe hở mặt bên, tăng cường khả năng tải và cân bằng động tốt hơn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 122 Một phiền phức của việc cấu trúc đường dẫn song song dư là số khâu nền tăng lên, cấu trúc xuất hiện chuyển động theo. Việc xác định cấu trúc và tỉ số truyền của các khâu thuộc phần đóng mạch trở nên khó khăn. 4.3.2. Đề xuất cấu trúc phần chấp hành Trong truyền động cơ khí, để liên kết chuyển động quay của ba trục quay có đường tâm vuông góc với nhau sẽ sử dụng bánh răng nón. Có thể đề xuất sơ đồ sau đây trên cơ sở kế thừa các thiết kế đã công bố ở trên. 1 2 3 B 3' 2' 3" B' Hình 5.8: Cấu trúc cổ tay cầu ba bậc tự do Nhận thấy kích thước bao nhỏ nhất sẽ đạt được ở cấu trúc này do có các đỉnh nón côn gặp nhau tại một điểm, kích thước cổ tay ở phần chấp hành nhỏ gọn sẽ dễ dàng thao tác trong các không gian hẹp, hạn chế va chạm với các đối tượng khác trong vùng làm việc. Khác với cổ tay Bendix chỉ có 3 khâu nền, cấu trúc trên bao gồm bốn khâu nền 1, 2, 3, B để hình thành ba mạch vòng kín với mục đích hình thành xích khử rơ, các cơ cấu trên đây mới chỉ là phần trực tiếp tạo ra các chuyển động quay quanh ba trục vuông góc với nhau. Hình 5.9: Sơ đồ nguyên tắc truyền động song song dư Khi cơ cấu chấp hành quay thuận, một trong hai truyền dẫn song song dư đóng vai trò xích động lực, xích còn lại đóng vai trò xích khử rơ. Khi cơ cấu chấp hành đảo chiều quay, hai xích này đổi vai trò cho nhau. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 123 Cấu trúc của phần đóng mạch hiện chưa xác định, trong mục kế tiếp sẽ trình bày các vấn đề liên quan đến tổng hợp động học của cơ cấu này. 4.3.3. Tổng hợp cấu trúc phần đóng mạch 4.3.3.1 Điều kiện động học của mạch vòng kín Mạch vòng kín thực chất là truyền động song song dư, với xích động học kín khi xuất phát từ một điểm trên xích theo hướng truyền lực có thể trở lại điểm ban đầu. a b c Hình 5.10: Truyền dẫn hở và truyền dẫn kín H (5.10.a) là một truyền dẫn hở, nếu các bộ truyền có khe hở mặt bên thì khi đảo chiều từ khâu chủ động, khâu bị động sẽ nhận được tín hiệu đảo chiều trễ đúng bằng khoảng thời gian khử hết khe hở mặt bên. Trên H (5.10.c) cắt hai phần tử đồng trục và liên kết lại bằng một khâu đàn hồi, sơ đồ phân tích chiều quay cho thấy hai nửa của phần tử bị chia cắt tham gia vào hai xích truyền động tới có chiều quay phù hợp nhau song mô men xoắn ở hai nửa bị chia cắt này hướng ngược nhau có tác dụng khử khe hở trong xích. Đối với các cơ cấu vi sai hai bậc tự do, có truyền dẫn với dòng năng lượng khép kín, lúc này trong cấu trúc xích động cần có hai mạch vòng khép kín thoả mãn i = 1. Kí hiệu một cơ cấu vi sai gồm ba khâu (2 đầu vào, một khâu tổng) lần lượt là 1, 2 là chủ động. 3 là bị động như hình vẽ. H.a H.b 1 2 3 i1-3 i2-3 1 2 3 4 5 6 Hình 5.11: Mạch vòng kín với 1 và 2 khâu vi sai Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 124 Trong H (5.11.a) giả sử cố định đầu vào 1, đầu vào 2 là chủ động, cơ cấu còn một bậc tự do, gọi i2-3 là tỉ số truyền từ chân 2 sang chân 3 của cơ cấu cộng. Gọi iz là tỉ số truyền của xích khép kín mạch. Lúc này theo điều kiện làm việc của mạch vòng kín: i2-3.iz = 1. hay 32 1   i iz . Tương tự có: i1-3.iz’ = 1. hay 31 ' 1   i iz . Tại giao điểm hai xích động vì tốc độ khó có thể cân bằng nên phải đưa cơ cấu vi sai thứ hai vào cấu trúc H(5.11.b), lúc này điều kiện làm việc của hai vòng kín độc lập là:        1... 1... 14466331 25566332 iiii iiii Đây là đặc điểm làm cơ sở cho việc tổng hợp các cấu trúc có nhiều bậc tự do hơn. Số bậc tự do của cấu trúc H (5.11) khi xác định theo công thức Trêbưsep là: 1230  mKnw Trong đó n0 là số lượng trục chấp hành của cấu trúc, Km là số cơ cấu vi sai của cấu trúc. Kết quả tính toán này không phù hợp với thực tế, điều này được giải thích vì trong cấu trúc có tồn tại mạch vòng kín. Vì vậy khi xác định số bậc tự do cho cơ cấu vi sai kín người ta thường sử dụng công thức sau đây, đã có tính tới sự có mặt của các mạch vòng kín i = 1. w p Knw m  0 Trong đó p là số mạch kín độc lập có i = 1. Công thức này được sử dụng để xác định số cơ cấu vi sai cần thiết tham gia vào cấu trúc khi tiến hành tổng hợp. 4.3.3.2 Tính chất lát cắt Xét một hệ vi sai kín như H (5.12) gồm tổ hợp của nhiều cơ cấu vi sai, hệ thoả mãn điều kiện làm việc (i = 1). Sử dụng một lát cắt để tách cấu trúc làm hai phần, một phần chứa không ít hơn một cơ cấu vi sai, phần kia chứa tất cả các cơ cấu vi sai Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 125 còn lại, lát cắt không ngang qua cơ cấu vi sai mà ở vị trí các bộ truyền khác liên kết chúng. a c b d 3 4 1 2 5 6 1 4 b 2 d 5d a 3a 6d 5c 6c 3c c Hình 5.12: Sơ đồ tạo lát cắt trên cấu trúc Mỗi một khâu trong số các khâu đã tách ra tham gia ít nhất vào một mạch kín độc lập có i=1 do đó: 1.. 56653553   ccddccda iiii Hay còn có thể viết được dưới dạng: 1 65 65 53 53      cc dd cc da i i i i Từ đây có quan hệ về tỉ số truyền giữa hai nửa của cấu trúc: ccddccda iiii 65655353 ;   Quan hệ này nói lên rằng, các chân có cùng chỉ số khi nối với nhau có quan hệ tỉ số truyền tương ứng, ở sơ đồ trên các chân nối với nhau phải thành từng cặp: 3a và 3c; 5d và 5c; 6d và 6c, Khi tổng hợp cấu trúc đóng mạch cho khớp cổ tay robot, phần đóng mạch được coi như bị cắt ra từ một cấu trúc đầy đủ có các mạch vòng kín với i=1. Bài toán quy về xác định cơ cấu vi sai đối tiếp với phần đề xuất ban đầu, để khi liên kết hai nửa lại hình thành ra số mạch kín có i=1 đúng bằng số bậc tự do mà cấu trúc phải tạo ra, trong mỗi một mạch kín đó phải có một nguồn động và một trong số các trục quay tạo ra chuyển động công tác. 4.3.3.3 Các quan hệ động học của cổ tay cầu Xét cơ cấu cổ tay ba bậc tự do như trên H 5.8, điều kiện phụ thuộc động học của chuyển động chấp hành "3'21 ;;  vào chuyển động của ba động cơ dẫn động được biểu diễn như sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 126         "3"33 '2'22 111 . . .    i i i d d d Trong đó "333"3'222'2 .;. iiiiii  và i1, i2, i3 là các tỉ số truyền giữa trục động cơ và các khâu chủ yếu để tạo ra các bậc tự do chuyển động của cấu trúc. Hệ phương trình trên thiết lập cho cơ cấu ba bậc tự do chuyển động, các quan hệ động học của nó được suy ra từ các mô hình có số bậc tự do bằng hai sau khi chia cắt thành các cấu trúc có hai bậc tự do. Để biến đổi tiếp hệ phương trình này, xét cấu trúc sau: 1 2 2' a Hình 5.13: Cơ cấu vi sai hai bậc tự do phẳng Phương trình liên kết động học của các khâu có dạng: )()( 1212   aai (5.3) Tỉ số truyền liên kết giữa khâu 2 với khâu a là: 2 2 Z Z i aa  Biểu thức vận tốc góc của bánh vệ tinh 2’ phụ thuộc vào vận tốc góc của một trong ba cặp 1,2 1,a và 2,a có dạng như sau:             a aa aa i ii i i 2 22'2'22 1'2'2 12'2'22 1 1 )(    (5.4) Tỉ số truyền i22’ và ia2’ là các tỉ số truyền liên kết khâu 2 và khâu a với khâu 2’ khi cần vi sai 1 là đứng yên. Xét hệ vi sai phẳng có ba bậc tự do như hình vẽ: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 127 2 1 2' 3 B 3' B' 3" Hình 5.14: Cơ cấu vi sai ba bậc tự do phẳng Xem cơ cấu hai bậc tự do gồm các khâu nền là (2’, 3’, B’) còn bánh vệ tinh là 3”, giống cơ cấu đã xét ở trên, phương trình liên kết động học với cơ cấu này tương tự như cơ cấu đã xét ở trên nên viết được:      '2'3"3"3'3 '2'''3'2'3 )(   i i BB (5.5) Chia hệ này ra thành hai hệ hai bậc tự do nối với nhau bao gồm: (1, 3, 3’) và (1, B, B’) Tương tự như (5.4) có: ' 1 ' '33 13 '3 ; BB B B ii   Khi đặt các giá trị '3 , 'B , và '2 từ (5.4) vào (5.5) và kể đến rằng: "33"3'3'33 '3''3'33 . . iii iii BB   Hệ phương trình mô tả động học của cơ cấu ba bậc tự do như sau:         12'2'22 3'222'331'22'33"3"33'22 '22'33''222''3''331''33'22'3''22''3 )( 0)()(    i iiiiii iiiiiiiiiiiiiiii BBBBBBBBBBBBBBBBB (5.6) 4.3.3.4 Tổng hợp cấu trúc đóng mạch Từ các quan hệ động học của cổ tay hình 5.9, viết được: '''' 33322 BBB iiii  và "" 333 ii  Thay vào (5.6) và tối giản hoá: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 128               '22 12 '2 "33 23 "3 321 )(2 i i B      (5.7) Thay (5.7) vào (5.6), kể cả các quan hệ khử rơ của bản thân cấu trúc: BBxx   ;33 ; Các quan hệ động học mà cơ cấu đối tiếp đóng mạch cần thoả mãn là:            Bxx xd d d i i i     321 3233 1222 111 22 )( )( . (5.8) Do có ba bậc tự do ứng với ba khâu đầu ra, để khép kín mạch sử dụng bốn khâu nền, tổng số khâu của cấu trúc: n0 = 3 + 4 = 7. Số bậc tự do của cơ cấu w = 3, nên số mạch vòng kín tương ứng p = 3. Như vậy số lượng cơ cấu vi sai tối thiểu của toàn bộ cấu trúc: 51370  w p wnKM Trong đó có một cơ cấu vi sai phần chấp hành, vậy trong cấu trúc đóng mạch chỉ còn lại 4 cơ cấu, để thuận tiện cho liên kết kí hiệu các chân của cơ cấu vi sai: A(3x, d3, 2); B(4, d1, d2); C(Bx, d3, 4); D(2, d1, d2) Trong đó các chân kí hiệu d1, d2, d3 là các chân nối nguồn chuyển động. Trong hệ phương trình (5.8) mô tả cấu trúc của phần đóng mạch, phương trình thứ ba từ trên xuống dưới có chứa các thừa số (3x, d3, 2) giống như các chân của cơ cấu vi sai A, các tỉ số truyền i1, i2, i3 trong (5.8) được phép chọn trước, chọn: i3 = -2, do xd ii 33233   Đặt 522   ; có phương trình xd 353 2  Đây là phương trình chính tắc mô tả cơ cấu vi sai kí hiệu A trên sơ đồ cấu trúc. Đối với phương trình thứ 2 của (5.8) chọn i2 = 2 có: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 129 )(2 122  d đặt 11 i thay vào phương trình thứ nhất của (5.8) 11  d Vậy phương trình thứ hai là: 15122 222 dd   đặt 26 d  Phương trình thứ hai của (5.8) sau cùng có dạng 165 2 d  Đây là phương trình chính tắc mô tả cơ cấu vi sai kí hiệu D trên sơ đồ cấu trúc. Thay các tỉ số truyền i3 = - 2; i2 = 2; 11 i vào ba phương trình đầu của (5.8) để rút ra các đại lượng x312 ,,  thay vào phương trình cuối cùng của (5.8) nhận được kết quả sau tối giản: 022 123  dddBx  phương trình trên tương đương với hệ phương trình sau đây sau khi thêm bớt 4 ,      124 34 2 2 dd Bxd   So sánh với các kí hiệu về chân của các cơ cấu vi sai, hai phương trình này biểu diễn quan hệ động học của cơ cấu B và C. Đặt 71  d với lí do là các cơ cấu vi sai không bố trí trên cùng một trục, kí hiệu  là khâu cố định của cấu trúc thì 0 . Vậy hệ phương trình mà cơ cấu đóng mạch phải thoả mãn là:                      0 2 2 2 2 2 17 26 25 124 84 165 353         d d dd Bx d xd Trong đó bốn phương trình đầu biểu diễn bốn cơ cấu vi sai, các chân cùng tên của các cơ cấu này được liên kết với nhau. Bốn phương trình kế tiếp biểu thị các trục trung gian đảo chiều chuyển động trong cấu trúc và vị trí liên kết nguồn chuyển động vào cấu trúc. Căn cứ vào hệ phương trình này phải xác định được sơ đồ liên kết các cơ cấu vi sai với nhau. Các chân cùng tên của các cơ cấu khác nhau thì liên kết với nhau theo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 130 tính chất lát cắt. Ba động cơ truyền dẫn nối giá cố định (hay nối với khâu có 0 ) bốn đầu chờ của cơ cấu chấp hành ba bậc tự do gồm: Chân (1) liên kết với cơ cấu dẫn động ở phần khép mạch là d1 (theo quan hệ )11 d  ; Chân (2) được nối với 5 theo quan hệ 25 2  ; Chân (3) được nối với 3x theo quan hệ khử rơ x33   ; Chân (B) được liên kết với Bx theo quan hệ khử rơ BxB   ; Sơ đồ động và sơ đồ nguyên lí liên kết như sau: 3 B1 2 3' B' 3" 2' 3x Bx d3 5 A C 4 BD d1 7 6 d2 A C D B 2 2 d2 d2 d1 d1 4 4 d3 d33x Bx Hình 5.15: Sơ đồ động cổ tay ba bậc tự do có phần đóng mạch Có thể kiểm tra được rằng các mạch vòng kín i=1 tương ứng luôn xuất hiện khi kích hoạt các động cơ tương ứng 4.3.3.5 Kiểm nghiệm kết quả Quy ước các bánh răng màu xanh là động (các bánh răng cùng màu tạo thành một đường truyền) riêng các bánh răng màu đỏ trên sơ đồ là các bánh răng tự hãm vì nối với trục của bánh vít. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 131 M3 B 3 4 M2 10 2 M1 1 A R1 12 D 13 18 22 26 2827 21 20 14 11 9 8 17 19 5 7 6 C 15 16 23 2924 25 30 31 Hình 5.16: Truyền động trục Roll Theo như sơ đồ khi động cơ M1 hoạt động chỉ có R1 là chuyển động quay quanh trục trung tâm của cơ cấu, các chuyển động theo R2 và R3 không có mặt. M3 B 3 4 M2 10 2 M1 1 A 12 D 13 18 22 26 2827 21 20 14 11 9 8 17 19 5 7 6 C 15 16 23 2924 25 30 31 R3 Hình 5.17: Truyền động trục Yaw Theo như sơ đồ này khi M2 hoạt động M1 và M3 không hoạt động, trong số 4 đầu vào của cơ cấu chấp hành chỉ có hai đầu có chuyển động. Do đó chỉ có đầu định hướng của cơ cấu là tự quay quanh trục của nó, các chuyển động theo khác không tồn tại. M3 B 3 4 M2 10 2 1 1 A 12 D 13 18 22 26 2827 21 20 14 11 9 8 17 19 5 7 6 C 15 16 23 2924 25 30 R2 31 Hình 5.18: Truyền động trục Pitch Khi M3 hoạt động chỉ sinh ra chuyển động R2 của cơ cấu chấp hành, không có chuyển động theo khác. Các tính toán trên đây đã được chứng minh bằng thực Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 132 nghiệm, bản vẽ lắp của toàn hộp giảm tốc cổ tay có sơ đồ động học như trên được cho như dưới đây. Chú ý rằng quan hệ động học 25 2  đã tạo ra một tỉ số truyền 0.5 duy nhất trên sơ đồ động, đó là bộ truyền bánh răng trụ ăn khớp ngoài ở trục trên cùng của hộp. 4.4. Kết luận chƣơng 4 Trong chương này trình bày một số vấn đề cơ sở liên quan đến động học cơ cấu cổ tay cầu sử dụng truyền động bánh răng. Vai trò, vị trí và các kết cấu nhóm điển hình của cổ tay cầu. Nhằm tăng cường khả năng tải, khả năng cân bằng động và khử khe hở trong cấu trúc truyền dẫn của cổ tay, các cổ tay sử dụng truyền động song song dư với số khâu nền lớn hơn được sử dụng vì mục đích này. Trong chương còn đề xuất phần chấp hành của cơ cấu cổ tay ba bậc tự do với bốn khâu nền và tổng hợp động học phần đóng mạch cho cấu trúc này, để có ba mạch vòng kín ứng với ba truyền động của cổ tay. Trên cơ sở sơ đồ động của cơ cấu cổ tay nói trên phần cuối chương đã tiến hành xác định kết cấu cơ khí của cổ tay. Các kiểm chứng trên cơ sở thực nghiệm với cổ tay thật cho thấy hoạt động hoàn toàn đúng với các mô tả về chức năng. Với đặc điểm độ cứng vững cơ học cao, khả năng cân bằng động học và khử khe hở mặt bên của bộ truyền cơ khí tốt, cơ cấu này có thể ứng dụng cho các mục đích yêu cầu độ tin cậy và khả năng tải lớn. Tuy nhiên do số lượng khâu lớn và kết cấu phức tạp, hiệu suất truyền động và khối lượng bản thân của cơ cấu này là những nhược điểm cần tiếp tục giải quyết. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 133 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận án đã có được những đóng góp mới trong lĩnh vực động học và một số mô đun thiết bị phần chấp hành của robot công nghiệp, cụ thể là: 1. Phân tích các yếu tố quyết định tốc độ hình thành lời giải trong bài toán động học ngược của robot. Chỉ ra những điểm hạn chế của các phương pháp giải bài toán động học ngược robot, dựa trên các kỹ thuật biến đổi phương trình véc tơ vòng kín và các phương pháp số. 2. Đề xuất sử dụng phương pháp tối ưu hoá để thay thế cho các phương pháp nói trên, đồng thời đưa ra cơ sở xây dựng giải thuật mới cho bài toán động học ngược robot. Đây là phương pháp có tính tổng quát cao dễ sử dụng và đảm bảo được yêu cầu điều khiển thời gian thực với robot. 3. Chỉ ra các dạng thức khác nhau của bài toán tối ưu trong trường hợp robot không đủ 6 bậc tự do công tác. Cần ưu tiên vị trí hoặc định hướng của khâu chấp hành. 4. So sánh lựa chọn phương pháp tối ưu hoá thích hợp với dạng hàm Banana của bài toán, trên cơ sở những phương pháp có triển vọng cao do các tạp chí toán học chuyên nghành tối ưu xếp hạng, đảm bảo tính ổn định và thời gian giải bài toán ngắn nhất so với các phương pháp khác. 5. Sử dụng hàm Solver của MS-Excel giải bài toán ngược cho một số robot điển hình và kiểm tra kết quả bằng cách đối chiếu với các phương pháp truyền thống. Phương pháp này cho phép khởi tạo bài toán ngược đến 200 biến, đáp ứng mọi yêu cầu giải bài toán ngược cho robot trên thực tế. 6. Nội suy quỹ đạo chuyển động cho robot trong không gian khớp, lấy thông tin đầu vào là kết quả bài toán động học ngược và thời gian chuyển động hết quãng đường giữa hai điểm tựa cho trước bởi ma trận thế. 7. Đề xuất một cấu trúc cổ tay cầu sử dụng truyền động song song dư tăng cường khả năng cân bằng động học và khả năng tải của cấu trúc. Chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình dựa trên thiết kế đó. 8. Một số kiến nghị cho hướng nghiên cứu tiếp theo: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 134  Phát triển phương pháp tối ưu hoá giải bài toán động học cho robot song song, theo định hướng ghép bài toán xác định các nghiệm toán học và nghiệm điều khiển làm một bài toán duy nhất nhằm giảm thời gian chuẩn bị dữ liệu.  Phát triển phương pháp tối ưu giải bài toán động học ngược robot hở để giải quyết các bài toán khác kết hợp như tránh va chạm trong vùng làm việc, hạ thấp trọng tâm, di chuyển tối thiểu, trên cơ sở điều chỉnh miền chọn nghiệm của bài toán tối ưu, hoặc khởi tạo bài toán quy hoạch đa mục tiêu.  Phát triển phương pháp tối ưu xác định biên của vùng làm việc dựa trên chức năng gán trước giá trị mục tiêu của Excel, tạo ra một đám mây điểm là tâm bàn kẹp nằm trên ranh giới phía trong và phía ngoài biên của miền làm việc.  Phát triển phương pháp tối ưu giải bài toán động học ngược robot để khảo sát sự di động của điểm tựa công nghệ hợp lí, trong khi giải bài toán động học ngược của robot theo phương pháp các nhóm ba [8].  Phát triển phương pháp tối ưu giải bài toán động học ngược robot, trên cơ sở quy tắc chuyển vị xoắn liên tiếp thay vì sử dụng quy tắc DH như hiện nay.  Định nghĩa một lần từ đầu chương trình, nhằm tránh việc tính toán lặp lại các đại lượng siêu việt có tần suất xuất hiện lớn trong hàm mục tiêu. Từ đó rút ngắn thời gian chuẩn bị dữ liệu động học hơn nữa.  Phát triển phương pháp tối ưu giải bài toán động học ngược robot thành pha 2, trong bài toán động học ngược dùng phương pháp hình học có pha 1 sử dụng phương pháp các nhóm 3 [8]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 135 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ (Các bài báo, các công trình đã công bố của tác giả về nội dung của đề tài luận án). 1. Phạm Thành Long, Trần Vệ Quốc (2004), “Điều khiển Robot hàn khi gia công các quỹ đạo phức hợp”, Tạp chí khoa học công nghệ các trường đại học kỹ thuật, (48+49), Nxb Bách Khoa Hà Nội, tr. 137-141. 2. Phạm Thành Long, Hoàng Vị (2008), “Xác định các biến trong điều khiển động học robot, Tạp chí khoa học công nghệ các trường đại học kỹ thuật, (65), Nxb Bách Khoa Hà Nội, tr. 30-33. 3. Phạm Thành Long, Hoàng Vị (2009), “Tự động hóa chuẩn bị dữ liệu động học trong điều khiển robot”, Tạp chí khoa học công nghệ các trường đại học kỹ thuật, (68), Nxb Bách Khoa Hà Nội, tr. 53-58. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 136 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Tạ Văn Đĩnh (2000), Phương pháp tính- giáo trình dùng cho các trường đại học kỹ thuật, Nxb Giáo Dục, Hà Nội, tr. 7-21. 2. Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn Khắc Kiểm (2003), Lập trình Matlab, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, tr. 114-131. 3. Đào Văn Hiệp (2004), Kỹ thuật Robot, Nxb Khoa học và Kỹ Thuật, Hà Nội, tr. 18-55. 4. B. Heimann, W. Gerth, K Popp (2008), Cơ điện tử, Nxb Khoa học và Kỹ Thuật, Hà Nội, tr. 19-65. 5. Nguyễn Nhật Lệ (2001), Tối ưu hóa ứng dụng, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, tr. 76-87. 6. Tạ Duy Liêm (2004), Robot và hệ thống công nghệ Robot hóa-Giáo trình cao học ngành cơ khí, Nxb Khoa học và Kỹ Thuật, Hà Nội, tr. 109-127. 7. Nguyễn Thiện Phúc (2002), Robot công nghiệp, Nxb Khoa học và Kỹ Thuật, Hà Nội, tr. 86-133. 8. Nguyễn Ngọc Quỳnh, Hồ Thuần (1978), Ứng dụng ma trận trong kỹ thuật, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, tr. 123-142. 9. Trần Thế San (2003), Cơ sở nghiên cứu và sáng tạo Robot, Nxb Thống kê, tr. 27-192. 10. Trần Vũ Thiệu, Bùi Thế Tâm (1998), Các phương pháp tối ưu hóa, Nxb Giao thông vận tải, Hà Nội, tr. 373-389. 11. Nguyễn Mạnh Tiến (2007), Điều khiển Robot công nghiệp, Nxb Khoa học và Kỹ Thuật, Hà Nội, tr. 59-99. 12. Bùi Minh Trí (1995), Tối ưu hóa, Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, tr. 165- 195. 13. Đoàn Thị Minh Trinh (1998), Công nghệ CAD/CAM, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, tr. 23-37. 14. Nguyễn Phùng Quang (2006), “Những điều cần biết về điều khiển robot”, Tạp chí Tự động hóa ngày nay, (68), tr. 49-52. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 137 15. Nguyễn Trọng Doanh (2008), “Thiết kế hệ thống đo độ chính xác lặp cho robot công nghiệp”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường đại học kỹ thuật, (64), Nxb Bách Khoa Hà Nội, tr. 25-29. 16. Phạm Thành Long (2003), “Nghiên cứu động học, động lực học tay máy hàn PANASONIC” Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, ĐHKT CN Thái Nguyên. 17. Thái Thu Hà, Hồ Thanh Tâm (2005), “Ứng dụng robot song song trong máy đo toạ độ CMM”, Tuyển tập các báo cáo khoa học vica 6, Hà Nội, tr. 162-166. 18. Lê Hoài Quốc, Chung Tấn Lâm (2007), Nhập môn robot công nghiệp, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, tr. 128-214. Tiếng Anh 19. J. Abadie and J. Carpentier (1969), Generalization of the Wolfe reduce gradient method to the case of nonlinear constraint, Optimization, Academic Press, London, pp. 37-47. 20. P. T. Boggs and J. W. Tolle (2000), Sequential quadratic programming for largge-scale nonlinear optimization, J. Comput. Appl. Math. 124, (1-2), pp. 123-137. 21. K. Deb (2000), An efficient constraint handling method for genetic algorithm, Comput, Methods Appl. Mech. Eng. 186 , (2- 4), pp. 311-338. 22. L. Yan and D. Ma (2001), Global Optimization for constrained nonlinear programs using line-up competition algorithm, Compus. Oper. Res. 25, (11-22), pp. 1601-1610. 23. M. Mathur, S. B. Karale, S. Priye, V. K. Jayaraman, and B. D. Kulkani(2000), Ant Colony approach to continuos function optimization, Ind. Engng. Chem. Res 39, (10), pp. 3814-3822. 24. M. Sakawa and K. Yauchi (2000), Floating point genetic algorithms for non convex nonlinear programming problems: revised GENOCOP III, Electron. Comm. Japan 83, (8), pp. 1-9. 25. H. sarimveis and A. Nikolakopoulos (2005), A A line up evolutionary algorithm for solving nonlinear constrained optimization problems, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 138 Comput. Oper. Res 32, (6), pp. 1499-1514. 26. C. Kao (1998), Performance of Several nonlinear Programming Software packages on microcomputers, Comput. Oper. Res. 25, (10), pp. 807-816. 27. A. F. Kuri-Morales and J. Guitiérrez-Garcia (2001), Penalty functions methods for constraited optimization with genetic algorithm: a statistical analysis, Proc. 2 nd Mexican International Conference on Artificial Intelligence, Springer-Verlag, Heidelberg, Gemany, pp. 108-117. 28. L. S. Lasdon, A. D. Warren, A. Jain, and M. Ratner (1978), Design and Testing of a generalized reduced gradient code for nonlinear Programming, ACM Trans. Math. SoftWare 4, (1), pp. 34-50. 29. Z. Michelewicz (1995), Genetic Algorithms, Numerical Optimization and constraints, Proc, 6 th International Conference on Genetic algorithm (L. J. Eshelman, ed.), Morgan Kaufmann, California, pp. 151-158. 30. Z. Michelewicz, M. Schoenauer (1996), Evolutionary algorithms for constrained parameter optimization problems, Evolutionary Computation 4, (1), pp. 1-32. 31. K. Miettinen, M. M. Makela, and J. Toivanen (2003), Numerical comparison of some penalty-based constraint handling techniques in genetic algorithms, J. Global Optimum. 27, (4), pp. 427- 446. 32. Parviz E. Nikravesh (1988), Computer-Aided Analysis of Mechanical Systems, Printed in the USA, pp. 19-250. 33. Katsuhiko Ogata (2002), Modern Control Engineering; Fourth Edition; Printed in the USA, pp. 1-9. 34. H. S. Ryoo and N. V. Sahinidis (1995), Global optimization of nonconvex NLPs and MINLPs with applications in process design, Comput. Oper. Res. 19, (5), pp. 551-566. 35. L. Sciavicco, B. Siciliano (1996); Modeling and control of Robot Manipulator, McGraw –Hill, pp. 61-85. 36. Dean L. Taylor (1992), Computer Aided Design, Copyright © by Addison- Wesley Publishing Company, pp. 45-60. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 139 37. P.M. Taylor (1990), Robotic Control, Printed in the London, pp. 12-33. 38. T. Wang (2001), Global optimization for constrained nonlinear programming, Ph. D. thesis, Department of Computer Science, University of Illinois, Illinois, pp. 1-40. 39. Ozgur Yeniay (2005); A Comparative study on optimization methods for the constrained nonlinear programming problems; Mathematical Problems in Engineering 2005, pp. 165-173. Tiếng Nga 40. Я.A. ШИФPИHA (1982), ПPOMЫШЛEHHAЯ POБOTO-TEXHИKA, MOCKBA “MAШИHOCTPOEHИE”, 54-122C.                 1000 0 )( '1' 1 iii iiiiiii iiiiiii i i i ii i i dcs sascccs casscsc AAqA    ._.