(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động

(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động(Luận án tiến sĩ) Phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS Nguyễn Quang Hoàng

Hà Nội – 2022

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ những nội dung, kết quả được trình bày trong luận

án này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Quang Hoàng Trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận án, các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Người hướng dẫn

PGS TS Nguyễn Quang Hoàng

Hà Nội, ngày tháng năm …

Tác giả luận án

Vũ Đức Vương

ii

LỜI CẢM ƠN

Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đến nay tôi đã hoàn thành luận án tiến sĩ của mình Luận án này được hoàn chỉnh nhờ sự giúp đỡ của quý thầy cô, quý cơ quan, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tác giả xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới: PGS TS Nguyễn Quang Hoàng, người thầy đã tận tình hướng dẫn và truyền cho tôi những kinh nghiệm quý báu trong nghiên cứu khoa học Xin tỏ lòng cảm ơn tới PGS Nguyễn Phong Điền người thầy đã tư vấn định hướng tôi tiếp cận với lĩnh vực chuyên môn này

Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình làm luận án Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Bộ môn Cơ học ứng dụng đã hỗ trợ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại bộ môn Tác giả xin cảm ơn sự ủng hộ của bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình làm luận án

Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn đến gia đình đã luôn sát cánh, động viên và ủng hộ tác giả trong suốt quá trình làm luận án của mình

Vũ Đức Vương

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i 

LỜI CẢM ƠN ii 

MỤC LỤC iii 

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi 

DANH MỤC CÁC BẢNG viii 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix 

MỞ ĐẦU 1 

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 3 

1.1  Robot và robot song song 3 

1.1.1  Phân loại robot song song 7 

1.1.2  Ứng dụng của robot song song 8 

1.2  Các phương pháp điều khiển robot 11 

1.3  Vấn đề kỳ dị trong robot song song 13 

1.4  Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 16 

1.4.1  Các nghiên cứu trong nước 17 

1.4.2  Các nghiên cứu ngoài nước 18 

1.5  Hướng nghiên cứu của luận án 20 

1.6  Kết luận chương 1 24 

CHƯƠNG 2 : PHÂN TÍCH KỲ DỊ ĐỘNG HỌC ROBOT SONG SONG 26 

2.1  Mở đầu 26 

2.2  Hệ phương trình liên kết của robot song song 26 

2.3  Phân tích động học thuận robot song song 27 

2.4  Phân tích động học ngược robot song song 28 

2.4.1  Giải bài toán động học ngược bằng phương pháp ma trận Jacobi 28  2.4.2  Giải bài toán động học ngược cho robot song song 3RRR bằng phương pháp giải tích 32 

2.4.3  Ước lượng động học cho robot song song 34 

2.5  Phân tích kì dị động học robot song song 3RRR 36 

2.5.1  Phương pháp xác định các cấu hình kỳ dị 36 

2.5.2  Giải pháp vượt kỳ dị trong phân tích động học robot song song 38 

iv

2.5.3  Mô phỏng số vượt kỳ dị động học 40 

2.6  Kết luận chương 2 45 

CHƯƠNG 3 : ĐỘNG LỰC HỌC ROBOT SONG SONG CÓ KỂ ĐẾN HỆ DẪN ĐỘNG 46 

3.1  Mở đầu 46 

3.2  Mô hình động lực học của robot song song có kể đến hệ dẫn động 46 

3.2.1  Mô hình động lực học của hệ dẫn động 47 

3.2.2  Mô hình động lực học robot song song có kể đến hệ dẫn động 49 

3.2.3  Hệ phương trình vi phân chuyển động với tọa độ suy rộng tối thiểu 58 

3.3  Khảo sát động lực học robot song song 60 

3.3.1  Bài toán động lực học thuận 61 

3.3.2  Bài toán động lực học ngược 62 

3.3.3  So sánh kiểm chứng mô hình và chương trình tính 63 

3.4  Vấn đề ổn định hóa liên kết 66 

3.4.1  Phương pháp Baumgarte 66 

3.4.2  Phương pháp chiếu hiệu chỉnh 67 

3.5  Vượt kỳ dị trong phân tích động lực học robot song song 70 

3.5.1  Cơ sở của phương pháp 70 

3.5.2  Nội dung mô phỏng số 72 

3.5.3  Kết quả mô phỏng 72 

3.6  Kết luận chương 3 73 

CHƯƠNG 4 : ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ROBOT SONG SONG CÓ KỂ ĐẾN HỆ DẪN ĐỘNG 75 

4.1  Mở đầu 75 

4.2  Một số bộ điều khiển truyền thống cho robot song song 76 

4.2.1  Điều khiển vị trí - điều khiển PD+bù trọng lực 76 

4.2.2  Điều khiển PID dựa trên mô men tính toán 76 

4.3  Điều khiển trượt robot song song trong không gian khớp 78 

4.3.1  Xây dựng luật điều khiển 78 

4.3.2  Nội dung mô phỏng số 81 

4.3.3  Kết quả mô phỏng số 81 

v

4.4  Điều khiển trượt robot song song trong không gian thao tác 82 

4.4.1  Biến đổi hệ phương trình động học về dạng tọa độ tối thiểu trong không gian thao tác 82 

4.4.2  Xây dựng luật điều khiển trong không gian thao tác 83 

4.4.3  Mô phỏng số 87 

4.5  Kết luận chương 4 89 

CHƯƠNG 5 : ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT MỜ ROBOT SONG SONG CÓ KỂ ĐẾN HỆ DẪN ĐỘNG 90 

5.1  Mở đầu 90 

5.2  Cơ sở hoạt động của một bộ điều khiển mờ 90 

5.2.1  Mờ hóa 91 

5.2.2  Luật hợp thành 92 

5.2.3  Giải mờ 93 

5.3  Sử dụng bộ điều khiển trượt mờ để bù các thành phần nhiễu và sự bất định của các thông số 96 

5.3.1  Cơ sở của phương pháp 96 

5.3.2  Nội dung mô phỏng 98 

5.3.3  Kết quả mô phỏng 98 

5.4  Sử dụng bộ điều khiển trượt mờ điều khiển bám quỹ đạo 99 

5.4.1  Cơ sở của phương pháp 99 

5.4.2  Nội dung mô phỏng số 102 

5.4.3  Kết quả mô phỏng số 102 

5.5  Kết luận chương 5 104 

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105 

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 107 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108 

6 IC Ma trận mô men quán tính khối

7 I m Ma trận mô men quán tính khối của rô to động cơ

8 g Véc tơ gia tốc trọng trường

9 n Số bậc tự do của cơ hệ

10 m Số tọa độ suy rộng của không gian thao tác

11 r Số tọa độ suy rộng dư hay số nhân tử Lagrange

17 a Véc tơ gia tốc suy rộng khớp chủ động

18 q i Véc tơ tọa độ suy rộng độc lập

19 q d Véc tơ tọa độ suy rộng phụ thuộc

20 x Véc tơ tọa độ bàn máy động

21 x Véc tơ vận tốc bàn máy động

22 x Véc tơ gia tốc bàn máy động

23 z Véc tơ tọa độ dư

24 f Véc tơ các phương trình liên kết

25 a Véc tơ mô men/ lực dẫn động

26  Véc tơ nhân tử Lagrange

27 u Véc tơ lực điều khiển

vii

28 e Véc tơ sai số

29 r g Tỉ số truyền hộp giảm tốc

30 l1 Chiều dài khâu chủ động của chân robot

31 l2 Chiều dài khâu bị động của chân robot

1 3RRR Robot song song phẳng 3 chân, với trình tự khớp

một chân là Revolute – Revolute - Revolute

2 3RPR Robot song song phẳng 3 chân, với trình tự khớp

một chân là Revolute – Prismatic - Revolute

3 PD Bộ điều khiển tỷ lệ - đạo hàm (Proportional –

Derivate)

4 PID Bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân – đạo hàm

(Proportional - Integral – Derivate)

5 GA Giải thuật di truyền (Genetic algorithm)

6 DLS Phương pháp bình phương tối thiểu (Damped Least

Squares)

7 SVD Phương pháp phân rã giá trị kỳ dị (Singular Value

Decomposition)

8 DC Motor Động cơ điện một chiều

9 SMC Bộ điều khiển trượt (Sliding Mode Control)

viii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: So sánh robot chuỗi và robot song song 6 

Bảng 1.2: Bảng thông số của robot song song 3RRR 24 

Bảng 3.1: Các tọa độ suy rộng và ký hiệu 47 

Bảng 5.1: Bảng suy diễn mờ cho hệ số v 97 

Bảng 5.2: Bảng luật của bộ điều khiển FSMC 100 

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Bệ đỡ rạp chiếu phim do Gwinnet thiết kế 3 

Hình 1.2: Mô hình hệ thống có cấu trúc vòng kín của Gough 4 

Hình 1.3: Mô hình nguyên lý hệ thống tập lái máy bay đầu tiên 4 

Hình 1.4: Mô hình robot song song delta không gian 5 

Hình 1.5: Robot song song phẳng 3RPR 5 

Hình 1.6: Sơ đồ phân loại robot song song 7 

Hình 1.7: Một dạng robot song song đối xứng 7 

Hình 1.8: Robot song song có bàn máy động chuyển động cầu 8 

Hình 1.9: Sơ đồ cấu trúc động học của một dạng robot song song không gian 8 

Hình 1.10: Mẫu robot delta trong đóng hộp sản phẩm 9 

Hình 1.11: Robot song song CMW380 9 

Hình 1.12: Hệ thống Rendezvous sử đụng đào tạo các phi hành gia 10 

Hình 1.13: Robot cáp sử dụng tạo chuyển động phối hợp với công nghệ thực tế ảo 10 

Hình 1.14: Robot song song kiểu stewart ứng dụng làm robot phẫu thuật chính xác [11] 11 

Hình 1.15: Sơ đồ điều khiển trong không gian khớp 11 

Hình 1.16: Sơ đồ điều khiển trong không gian thao tác 12 

Hình 1.17: Một cấu hình kỳ dị loại một (kỳ dị động học ngược) 15 

Hình 1.18: Cấu hình kỳ dị loại hai – các khâu sau đồng quy (kỳ dị động học thuận) 15 

Hình 1.19: Cấu hình kỳ dị loại hai – các khâu sau song song (kỳ dị động học thuận) 15 

Hình 1.20: Cấu hình kỳ dị hỗn hợp +)các khâu sau song song +) một chân duỗi thẳng 16 

Hình 1.21: Cấu hình kỳ dị hỗn hợp +)các khâu sau đồng quy +) một chân duỗi thẳng 16 

Hình 1.22: Robot song song Isoglide3 trong phòng nghiên cứu [62] 19 

Hình 1.23: Động cơ điện một chiều với hộp giảm tốc 22 

Hình 1.24: Sơ đồ robot song song 3RRR đẫn động bằng động cơ điện một chiều 22 

Hình 1.25: Sơ đồ góc nghiêng của bàn máy động 23 

Hình 2.1: Cấu trúc robot song song 26 

Hình 2.2: Sơ đồ giải bài toán động học ngược cấp độ vận tốc 29 

Hình 2.3: Sơ đồ khối thuật toán GA 31 

x

Hình 2.4: Sơ đồ một chân tổng quát của robot 3RRR 34 

Hình 2.5: Sơ đồ các cấu hình của robot 3RRR Cấu hình thể hiện      8  1, 1, 1 34  Hình 2.6: Sơ đồ bộ ước lượng động học 35 

Hình 2.7: Bản đồ kỳ dị động học ngược tương ứng với cấu hình    1( 1, 1, 1) 38 

Hình 2.8: Bản đồ kỳ dị động học thuận tương ứng với cấu hình    1( 1, 1, 1) 38 

Hình 2.9: Mô tả các phân vùng khảo sát kỳ dị 39 

Hình 2.10: Biểu đồ thể hiện liên hệ tham số  phụ thuộc vào d 40 

Hình 2.11: Mô tả phương trình quỹ đạo chuyển động 41 

Hình 2.12: Quỹ đạo chuyển động đi qua điểm kỳ dị 41 

Hình 2.13: Chương trình mô phỏng dừng khoạt động khi vào vùng kỳ dị 42 

Hình 2.14: Đồ thị biến khớp chủ động 42 

Hình 2.15: Đồ thị vận tốc góc biến khớp chủ động 43 

Hình 2.16: Đồ thị tham số trong không gian thao tác 44 

Hình 2.17: Đồ thị vận tốc trong không gian thao tác 44 

Hình 2.18: Đồ thị sai lệch bám quỹ đạo 44 

Hình 3.1: Mô hình dẫn động một khớp của robot 47 

Hình 3.2: Mô hình dẫn động của động cơ điện một chiều 47 

Hình 3.3: Sơ đồ mạch điện tổng quát của động cơ điện một chiều 48 

Hình 3.4: Sơ đồ bài toán động lực học thuận 61 

Hình 3.5: Sơ đồ bài toán động lực học ngược 62 

Hình 3.6: Đồ thị biến khớp chủ động 63 

Hình 3.7: Đồ thị biến khớp bị động 63 

Hình 3.8: Đồ thị mô men tác động tại các khớp chủ động 63 

Hình 3.9: Đồ thị điện áp điều khiển 63 

Hình 3.10: Đồ thị giá trị định thức tương ứng với quỹ đạo chuyển động 64 

Hình 3.11: Đồ thị biến khớp chủ động 64 

Hình 3.12: Đồ thị biến khớp bị động 64 

Hình 3.13: Đồ thị mô men tác động tại các khớp chủ động 64 

Hình 3.14: Đồ thị điện áp điều khiển 64 

Hình 3.15: Đồ thị giá trị định thức tương ứng với quỹ đạo chuyển động 64 

Hình 3.16: Đồ thị biến thiên mô men khớp chủ động mô phỏng sử dụng bộ tham số của T.Geike và J McPhee [100] 66 

Hình 3.17: Kết quả của bài toán động lực học thuận 72 

Hình 3.18: Kết quả của điều khiển PD 72 

Hình 3.19 Đồ thị biểu diễn giá trị định thức và giá trị đáp ứng của phương trình liên kết 73 

xi

Hình 4.1: Mô hình điều khiển trượt 75 

Hình 4.2: Sơ đồ điều khiển vị trí - PD + bù trọng lực 76 

Hình 4.3: Sơ đồ luật điều khiển PID dựa trên mô men tính toán 78 

Hình 4.4: Sơ đồ điều khiển trượt trong không gian khớp 80 

Hình 4.5: Sơ đồ điều khiển trượt trong không gian khớp với bộ ước lượng động học 81 

Hình 4.6: Quỹ đạo đáp ứng và quỹ đạo tham chiếu với bộ điều khiển trượt 81 

Hình 4.7: Đồ thị biến khớp chủ động 82 

Hình 4.8: Sai lệch biến khớp chủ động 82 

Hình 4.9: Sơ đồ điều khiển trượt robot song song trong không gian thao tác 86 

Hình 4.10: Sơ đồ điều khiển trong không gian thao tác có bộ ước lượng động học 86  Hình 4.11: Thông số quỹ đạo trong không gian thao tác (SMC) 88 

Hình 4.12: Thông số quỹ đạo trong không gian thao tác (PD) 88 

Hình 4.13: Đồ thị biến khớp chủ động (SMC) 88 

Hình 4.14: Đồ thị biến khớp chủ động (PD) 88 

Hình 4.15: Sai lệch bám quỹ đạo theo x,y (SMC) 88 

Hình 4.16: Sai lệch bám quỹ đạo theo x, (PD) 88 

Hình 4.17: Sai lệch bám của góc nghiêng bàn máy động (SMC) 88 

Hình 4.18: Sai lệch bám của góc nghiêng bàn máy động  (PD) 88 

Hình 4.19: Quỹ đạo đáp ứng và quỹ đạo mong muốn của tâm bàn máy động (SMC) 89 

Hình 4.20: Quỹ đạo đáp ứng và quỹ đạo mong muốn của tâm bàn máy động (PD) 89  Hình 5.1: Quy trình hoạt động của một bộ điều khiển mờ 91 

Hình 5.2: Một số mô hình mờ hóa thông dụng 92 

Hình 5.3: Mô tả bộ điều khiển mờ với luật hợp thành Max-Min 93 

Hình 5.4: Mô tả phương pháp giải mờ cực đại 94 

Hình 5.5: Mô tả nguyên lý trung bình 94 

Hình 5.6: Mô tả nguyên lý cận trái 95 

Hình 5.7: Mô tả nguyên lý cận phải 95 

Hình 5.8: Mô tả phương pháp điểm trọng tâm 96 

Hình 5.9: Hàm thuộc biến ngôn ngữ s s,  97 

Hình 5.10: Hàm thuộc biến ngôn ngữ v 97 

Hình 5.11: Sơ đồ khối vòng điều khiển trượt mờ, bù nhiễu và bất định tham số 98 

Hình 5.12: Tọa độ bàn máy động theo trục x 98 

Hình 5.13: Tọa độ bàn máy động theo trục y 98 

Hình 5.14: Góc nghiêng bàn máy động 98 

xii

Hình 5.15: Quỹ đạo chuyển động bàn máy động 98 

Hình 5.16: Tọa độ bàn máy động theo phương x: trường hợp 1 – 80% giá trị chính xác 99 

Hình 5.17: Tọa độ bàn máy động theo phương y: trường hợp 1 – 80% giá trị chính xác 99 

Hình 5.18: Tọa độ bàn máy động theo phương x: trường hợp 2 – 50% giá trị chính xác 99 

Hình 5.19: Tọa độ bàn máy động theo phương y: trường hợp 2 – 50% giá trị chính xác 99 

Hình 5.20: Mờ hóa thành phần sign(s) 100 

Hình 5.21: Sơ đồ khối vòng điều khiển trượt mờ bám quỹ đạo 102 

Hình 5.22: Đồ thị giá trị hàm mục tiêu tương ứng với các thế hệ 102 

Hình 5.23: Tín hiệu điều khiển với bộ điều khiển SMC 103 

Hình 5.24: Tín hiệu điều khiển với bộ điều khiển FSMC 103 

Hình 5.25: Sai lệch bám quỹ đạo của khớp chủ động với bộ điều khiển FSMC 103 

Hình 5.26: Sai lệch bám quỹ đạo của khớp chủ động với bộ điều khiển FSMC với GA 103 

Hình 5.27: Quỹ đạo đáp ứng với quỹ đạo mong muốn trong điều khiển bằng FSMC 103 

Robot song song là dạng robot có cấu trúc vòng kín, trong đó các khâu được nối với nhau bằng các khớp động Do đặc điểm kết cấu nên chúng có một số ưu điểm nổi trội so với robot chuỗi như: chịu được tải trọng lớn, độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng, có thể thực hiện những thao tác phức tạp và hoạt động với độ chính xác cao Tuy nhiên, các robot song song cũng có những vấn đề rất lớn gặp phải chính là các điểm bị kỳ dị động học, động lực học trong không gian làm việc Tại các điểm này robot gia tăng hoặc mất bớt bậc tự do, lực/momen tăng cục bộ gây ảnh hưởng rất lớn đến kết cấu và chuyển động của robot Ngoài ra, để hoạt động trơn tru với độ chính xác cao trong quá trình làm việc robot song song không chỉ cần các giải pháp vượt kỳ dị hiệu quả mà còn cần đến các phương pháp thiết kế điều khiển hợp

lý Vì vậy, nghiên cứu về phân tích kỳ dị và điều khiển trượt mờ robot song song phẳng có kể đến hệ dẫn động không chỉ mang lại ý nghĩa khoa học mà còn có ý nghĩa thực tế với quá trình ứng dụng và phát triển robot song song

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu góp phần hoàn thiện khảo sát động học, mô hình động lực học và làm đa dạng phương án điều khiển robot song song

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là các robot song song được dẫn động bởi động cơ điện một chiều Các vấn đề về động học, động lực học và điều khiển có ảnh hưởng tới hoạt động của robot được tập trung nghiên cứu Thực nghiệm số được thực hiện trên mô hình động lực học của robot song song phẳng 3RRR để đánh giá các lý thuyết đề xuất và nghiên cứu trong luận án

Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

số để đánh giá kết quả

Hệ cơ học, bộ truyền động; động cơ điện một chiều

Hình 1.23: Động cơ điện một chiều với hộp giảm tốc

Động cơ điện một chiều (Hình 1.23) được chọn sử dụng làm cơ cấu dẫn động

là bởi vì các ưu điểm nổi bật của chúng trong lĩnh vực điều khiển như sau:

- Dễ dàng điền khiển

- Đường đặc tính trơn, nên quá trình điều khiển hoạt động trơn hơn các dạng động cơ khác

- Khả năng phát động mô men lớn

- Khả năng chịu quá tải tốt hơn các dạng động cơ khác

Động cơ điện một chiều cùng với hộp giảm tốc sẽ được nghiên cứu đầy đủ về ảnh hưởng cả về động học lẫn động lực học tới robot song song ở các phần tiếp sau

Hình 1.24: Sơ đồ robot song song 3RRR đẫn động bằng động cơ điện một chiều

23

Hình 1.25: Sơ đồ góc nghiêng của bàn máy động

Nhằm làm đối tượng thực nghiệm số chung cho các vấn đề giải quyết ở phần sau, robot song song phẳng 3RRR (mỗi chân của robot được hình thành từ 3 khớp

quay) được lựa chọn sử dụng làm mô hình nghiên cứu chính (Hình 1.24) Robot được

hình thành từ ba chân, mỗi chân có 2 khâu và được đẫn động bởi một động cơ điện một chiều Robot có các đặc điểm chính sau:

- Ba chân của robot được gắn lên các bệ cố định phân bổ theo một hình tam giác đều có chiều dài cạnh L0

- Hệ tọa độ cố định O x y0 0 0 O x y1 1 1

- Hệ tọa độ gắn lên bàn máy động O x y P P P có điểm đặt tại trọng tâm, và góc nghiêng so với phương ngang là 

- Ba chân của robot có kích thước giống nhau với các thông số ký hiệu lần lượt

là l1 vàl2, khối lượng các khâu là m1và m2, mô men quán tính I C1 và I C2

- Các khâu thuộc mỗi chân của robot có dạng thanh đồng chất, trọng tâm đặt tại trung điểm của khâu tương ứng

- Bàn máy động có dạng tam giác đều với kích thước cạnh ký hiệu là b, khối lượng m3và mô men quán tínhJ C3

- Mỗi khớp chủ động của robot được dẫn động bởi một động cơ điện một chiều

thông qua hộp giảm tốc thể hiện trong Hình 1.24 Các tham số của động cơ được thể hiện trong Bảng 1.2

- Tọa độ suy rộng dư sử dụng cho robot này:q [ , , ]q1 q9 T  [ , , ]  x T Trong

24

Bảng 1.2: Bảng thông số của robot song song 3RRR

Thông số Ký hiệu Đơn vị i 1 i 2 i 3

Giá cố định

0 1.2 [ ]

Oi Oi

x

0

1.2000 0.0000

0.6000 1.0392

0.582 0.623

2.072 0.750

Giá trị các tham số của robot song song phẳng 3RRR sử dụng trong nghiên

cứu được thể hiện trong (Bảng 1.2)

Các tham số và phương trình liên kết của robot được sử dụng để thực hiện mô phỏng, tính toán đánh giá lý thuyết trong các chương tiếp theo

1.6 Kết luận chương 1

Robot song song với các ưu điểm nổi bật so với robot chuỗi như đã phân tích đem lại khả năng ứng dụng cao trong các lĩnh vực công nghiệp, mô phỏng, y học,… Trong phần này, tác giả đã tổng hợp nhiều nghiên cứu cả ở Việt Nam và thế giới, các nghiên cứu này đã giải quyết nhiều khía cạnh của robot song song Tuy nhiên, cũng còn nhiều hạn chế trong các nghiên cứu này đã được tác giả chỉ ra Để hoàn thiện hơn nữa, robot song song vẫn cần những nghiên cứu chi tiết và đầy đủ hơn về cả mô tả động học, động lực học và các chiến lược điều khiển Các phân tích trong nội dung này đã đưa ra định hướng nghiên cứu về việc mô hình hóa robot song song có kể đến

bộ [13] Vì vậy quỹ tích các điểm kỳ dị trong không gian làm việc của robot song song có vai trò quan trọng trong lập trình quỹ đạo và điều khiển chuyển động Chúng

ta cần biết các quỹ tích này để thiết kế quỹ đạo làm việc tránh hoặc tìm cách vượt qua

nó để chuyển động của robot được trơn tru [25][26] Phần sau đây sẽ trình bày về các bài toán động học và phân tích kỳ dị robot song song

2.2 Hệ phương trình liên kết của robot song song

Để tính toán động học cho robot song song mỗi chân của robot song song sẽ

được coi như là một tay máy dạng chuỗi (Hình 2.1)

Hình 2.1: Cấu trúc robot song song